Π型疊合梁斜拉橋渦振性能及氣動(dòng)控制措施研究

錢(qián)國(guó)偉，曹豐產(chǎn)，葛耀君

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

Π型疊合梁斜拉橋渦振性能及氣動(dòng)控制措施研究

錢(qián)國(guó)偉，曹豐產(chǎn)，葛耀君

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

為研究Π型開(kāi)口截面主梁的渦振性能并提出合理性控制措施，以某跨海疊合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行一系列節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)。研究表明，Π型開(kāi)口截面主梁在低風(fēng)速下易發(fā)生渦激共振，且該橋渦振現(xiàn)象在阻尼比＜1%以下范圍內(nèi)均存在;橋面防撞欄桿及檢修道護(hù)欄采用圓截面形式有利于減小渦振振幅;改尖角度風(fēng)嘴能顯著抑制渦激共振，且風(fēng)嘴角度越小控制效果越好;橋梁斷面底部雙主肋轉(zhuǎn)角處設(shè)置水平隔流板能有效減小甚至消除渦激振動(dòng)，在一定范圍內(nèi)增加板的懸挑寬度對(duì)控制效果有利。

Π型截面;疊合梁斜拉橋;渦振;氣動(dòng)控制;風(fēng)洞試驗(yàn)

渦激振動(dòng)由氣流繞經(jīng)結(jié)構(gòu)表面時(shí)產(chǎn)生的以某一固定時(shí)間間隔有規(guī)律脫落的旋渦引起，是大跨度橋梁的主梁在低風(fēng)速下較易出現(xiàn)的風(fēng)致限幅振動(dòng)。雖該種振動(dòng)為限幅振動(dòng)，雖不會(huì)直接引起橋梁的動(dòng)力失穩(wěn)破壞，但會(huì)降低橋上行車、行人的舒適性，甚至可能導(dǎo)致橋梁不能正常使用［1－3］。Π形截面主梁因自重輕、施工吊裝方便、受力性能優(yōu)越等被廣泛用于現(xiàn)代斜拉橋設(shè)計(jì)中。主要類型有雙主肋混凝土板梁、型鋼－混凝土疊合梁及半封閉式鋼箱梁等;但由于其敞開(kāi)的鈍體外形，繞流旋渦脫落較全封閉箱梁更明顯、更復(fù)雜，使此類橋梁的渦激共振響應(yīng)亦較顯著。因此需采取一系列優(yōu)化、控制措施改善斷面的氣動(dòng)性能，從而獲得更廣泛的應(yīng)用。

渦振抑制措施可分為氣動(dòng)控制措施及機(jī)械阻尼措施。機(jī)械措施主要通過(guò)外加阻尼器提高結(jié)構(gòu)阻尼，達(dá)到降低、抑制風(fēng)致振動(dòng)目的，但由于其對(duì)渦激力無(wú)直接抑制及在實(shí)際工程中維護(hù)困難而較少采用。而氣動(dòng)控制措施則利用風(fēng)致振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)斷面氣動(dòng)外形較敏感特點(diǎn)，通過(guò)適當(dāng)修改結(jié)構(gòu)外形達(dá)到改善空氣動(dòng)力特性、減輕風(fēng)致振動(dòng)目的。在不能滿足氣動(dòng)穩(wěn)定性要求或出現(xiàn)不滿足要求的渦振振幅時(shí)，可在主梁上安裝風(fēng)嘴、導(dǎo)流板、抑流板等附加裝置，改變結(jié)構(gòu)周圍流場(chǎng)狀態(tài)以改善空氣動(dòng)力性能，避免或推遲旋渦脫落的發(fā)生，達(dá)到抑振效果［4］。

針對(duì)大跨度橋梁Π形主梁的渦振問(wèn)題，已有諸多研究。Wardlaw［5］對(duì)Longs－Creek大橋的Π形斷面通過(guò)加設(shè)風(fēng)嘴等控制措施研究減振效果;針對(duì)型鋼－混凝土疊合梁Π形斷面，Kubo等［6］通過(guò)改變工字梁間距，研究其對(duì)渦振振幅及鎖定區(qū)間影響;Irwin［7］介紹Π形斷面底部豎向擋板的氣動(dòng)制渦效果;朱樂(lè)東等［8］通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究多孔擾流板對(duì)半封閉窄箱梁渦振減振效果;張志田等［9］通過(guò)設(shè)計(jì)上、下穩(wěn)定板達(dá)到抑制開(kāi)口截面斜拉橋渦激振動(dòng)目的;董銳等［10］利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)斜拉橋Π型開(kāi)口斷面主梁進(jìn)行氣動(dòng)選型。

本文以某跨海斜拉橋?yàn)楸尘?，進(jìn)行彈簧懸掛節(jié)段模型試驗(yàn)，研究不同阻尼比參數(shù)下Π型疊合梁渦激共振特性，對(duì)比分析欄桿形式及風(fēng)嘴對(duì)渦振控制效果影響;提出新的用于Π型截面主梁渦振減振的水平隔流板氣動(dòng)措施，通過(guò)對(duì)不同寬度下渦振減振效果初步研究，可為同類型橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)指導(dǎo)。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

剛體節(jié)段模型渦激共振試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ－2號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗(yàn)段寬3.0 m、高2.5 m、長(zhǎng)15 m，空風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速范圍1.0～68 m/s連續(xù)可調(diào)。

圖1 原斷面節(jié)段模型橫截面圖(單位:mm)Fig.1 Cross section of prototype deck model(U.mm)

據(jù)實(shí)橋主梁斷面尺寸、風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸及試驗(yàn)要求，選取節(jié)段模型幾何相似比λL=1/70，原斷面模型橫截面尺寸見(jiàn)圖1。節(jié)段模型主要由金屬框架、三夾板橋面組成，另用ABS塑料板模擬位于橋面的防撞欄、檢修道護(hù)欄及位于主梁底部的檢修車軌道，以保證外形幾何相似性。模型通過(guò)內(nèi)支架用8根彈簧懸掛于風(fēng)洞內(nèi)，見(jiàn)圖2。各模態(tài)渦激共振為獨(dú)立、單頻。為方便試驗(yàn)，模型的豎彎、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)未調(diào)至完全相同頻率比: 15.07與14.91，對(duì)應(yīng)風(fēng)速比分別為λHV=1/4.65及λTV=1/4.69，具體設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 節(jié)段模型主要試驗(yàn)參數(shù)Tab.1Parameters of sectional model test

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)概況Fig.2 Wind tunnel test

1.2 試驗(yàn)工況

節(jié)段模型渦激共振試驗(yàn)在－3°、0°、+3°三個(gè)風(fēng)攻角均勻流場(chǎng)中進(jìn)行。分別進(jìn)行原斷面在三種阻尼比下渦振試驗(yàn)，并設(shè)置三種欄桿形式、兩種優(yōu)化風(fēng)嘴及水平隔流板對(duì)渦振加以抑制。主要研究?jī)?nèi)容及試驗(yàn)工況見(jiàn)表2。其中，阻尼比A、B，C的參數(shù)由低到高，通過(guò)調(diào)整懸掛節(jié)段模型彈簧的阻尼圈實(shí)現(xiàn);三種欄桿形式為圓截面欄桿(YLG)、方截面防撞欄+圓截面檢修道護(hù)欄(FFLG+YJLG)、方截面欄桿(FLG);三種風(fēng)嘴為原斷面風(fēng)嘴“28上”、優(yōu)化風(fēng)嘴“43中”及“48中”;水平隔流板設(shè)置在Π型斷面主梁底部?jī)?nèi)測(cè);具體控制措施尺寸參數(shù)見(jiàn)圖3、圖4。

表2 主要研究?jī)?nèi)容與試驗(yàn)工況Tab.2 Study contents and cases of wind tunnel test

圖3 欄桿外形及尺寸(單位:mm)Fig.3 The shape and size of railings(U.mm)

圖4 風(fēng)嘴外形及尺寸(單位:mm)Fig.4 The shape and size of fairing(U.mm)

2 原斷面渦振性能

橋梁斷面的渦振性能，主要考察其在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速范圍內(nèi)的渦振振幅及鎖定風(fēng)速區(qū)間。已有研究表明，渦激共振振幅及鎖定風(fēng)速區(qū)間對(duì)結(jié)構(gòu)的阻尼參數(shù)均有一定敏感性。準(zhǔn)確評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)的阻尼比較困難，因此針對(duì)橋梁斷面應(yīng)進(jìn)行規(guī)范允許阻尼比范圍內(nèi)不同大小參數(shù)下的渦激共振試驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)較全面的渦振性能評(píng)價(jià)。

對(duì)原斷面進(jìn)行低阻尼比A(豎彎阻尼比0.58%，扭轉(zhuǎn)阻尼比0.31%)的測(cè)試。將0°攻角下試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算到實(shí)橋，所得主梁振動(dòng)位移隨實(shí)橋風(fēng)速變化曲線見(jiàn)圖5。主梁在阻尼比A下出現(xiàn)明顯的豎彎與扭轉(zhuǎn)渦激共振，其中豎彎渦振鎖定區(qū)間為11.7～14.6 m/s，最大振幅0.083 m;扭轉(zhuǎn)渦振鎖定區(qū)間為25.6～39.4 m/s，最大振幅1.319°。由此可見(jiàn)，該橋Π型斷面在低風(fēng)速下較易發(fā)生渦激共振現(xiàn)象，且渦振振幅較大。

為探究結(jié)構(gòu)振動(dòng)阻尼變化對(duì)渦激共振特性影響，分別進(jìn)行較高阻尼比B(豎彎阻尼比0.83%，扭轉(zhuǎn)阻尼比0.51%)及阻尼比C(豎彎阻尼比1.6%，扭轉(zhuǎn)阻尼比0.89%)狀態(tài)試驗(yàn)。圖5結(jié)果顯示，增大結(jié)構(gòu)阻尼至B、C后，主梁仍存在明顯的渦激共振，隨阻尼比增加，豎彎渦振、扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅均有一定減小，鎖定風(fēng)速區(qū)間有減小趨勢(shì)，但不明顯。

圖50 °攻角不同阻尼比下原斷面渦振響應(yīng)Fig.5 VIV responses of prototype deck with different damp ratio at the attack angle of 0°

因此，該橋的渦激共振現(xiàn)象在結(jié)構(gòu)阻尼比1%范圍內(nèi)均存在，即使將阻尼比提高到規(guī)范允許值1%以上仍存在較明顯的豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振。試圖通過(guò)增加結(jié)構(gòu)阻尼以實(shí)現(xiàn)抑振并不理想。

3 氣動(dòng)控制措施

針對(duì)原主梁斷面出現(xiàn)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)不同的氣動(dòng)控制措施方案，主要包括對(duì)欄桿形式比選、風(fēng)嘴外形優(yōu)化，并嘗試在主梁底部設(shè)置不同寬度的水平隔流板以實(shí)現(xiàn)最佳控制效果。

3.1 欄桿形式比選

研究表明［3，11］，主梁渦振性能對(duì)附屬裝置如欄桿、防撞欄桿、檢修車軌道等位置及形狀非常敏感。Nagao等［12］研究結(jié)果表明，欄桿水平扶手形狀及位置均會(huì)影響渦振響應(yīng);管青海等［13］通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究有無(wú)欄桿橋梁斷面的渦激振動(dòng)響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，欄桿對(duì)橋梁斷面上下表面壓力脈動(dòng)均有影響。

針對(duì)本文原斷面采用的方截面欄桿，設(shè)計(jì)另一種圓截面欄桿形式，將其配合“48中”風(fēng)嘴及15 mm水平隔流板(HFIP)進(jìn)行三組比選試驗(yàn)。其中，以渦振較明顯的+3°工況為例，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。其中，采用FLG及FFLG+YJLG組合時(shí)均出現(xiàn)明顯的豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振，且前者振幅大于后者，而采用YLG時(shí)則無(wú)明顯渦振現(xiàn)象。由此說(shuō)明，YLG對(duì)抑制此斷面的渦振效果顯著。

圖6 +3°攻角不同欄桿形式下主梁渦振響應(yīng)Fig.6 VIV responses of bridge deck with different railings at the attack angle of+3°

圖7 不同風(fēng)嘴形式下主梁渦振響應(yīng)Fig.7 VIV responses of bridge decks with different fairings

從空氣動(dòng)力學(xué)角度分析，來(lái)流風(fēng)經(jīng)過(guò)方截面欄桿更易產(chǎn)生較多、較大的局部漩渦脫落，逐漸演變成橋面上整體的漩渦脫落。圓截面欄桿較方截面欄桿的氣動(dòng)外形更具流線型，流動(dòng)分離無(wú)前者明顯，且前者使橋面整體透風(fēng)率增大，能有效抑制橋面上部較大漩渦脫落。橋梁斷面渦激振動(dòng)主要由于橋梁斷面上、下漩渦的交替脫落，因此橋梁斷面上部漩渦脫落得到抑制后，橋梁斷面整體的渦激力亦會(huì)減小。

3.2 風(fēng)嘴外形優(yōu)化

風(fēng)嘴是目前應(yīng)用最廣的渦振氣動(dòng)控制措施之一，橋梁斷面的渦振性能對(duì)外形同樣具有一定敏感性。其中，孟曉亮等［14］針對(duì)封閉箱梁及半封閉箱梁，進(jìn)行風(fēng)嘴角度較尖、較鈍兩種狀態(tài)下的風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改尖風(fēng)嘴能有效降低此類斷面的渦振振幅。

為研究風(fēng)嘴外形對(duì)Π型斷面渦振控制效果影響，分別選取原斷面的“28上”風(fēng)嘴及另外設(shè)計(jì)的兩種優(yōu)化改尖風(fēng)嘴“43中”及“48中”，配合圓截面欄桿形式(YLG)與15 mm水平隔流板(HFIP)進(jìn)行均勻流場(chǎng)下的渦激共振試驗(yàn)。每種風(fēng)嘴均進(jìn)行－3°、0°及+3°三種風(fēng)攻角試驗(yàn)，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)換算成實(shí)橋的渦振振幅隨風(fēng)速的變化曲線見(jiàn)圖7。分析圖7中三組試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，見(jiàn)表3。由表3看出，風(fēng)嘴“28上”斷面分別在－3°攻角下出現(xiàn)較大振幅的豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振，在+3°攻角下出現(xiàn)明顯扭轉(zhuǎn)渦振;風(fēng)嘴“43中”及“48中”斷面僅在－3°攻角下出現(xiàn)較小振幅的豎彎渦振，后者振幅小于前者，且鎖定風(fēng)速區(qū)間均較窄，而其它攻角下的扭轉(zhuǎn)渦振及豎彎渦振均得到完全消除。

表3 不同風(fēng)嘴外形下渦振最大振幅及鎖定風(fēng)速區(qū)間Tab.3 Maximal VIV amplitudes and lock-in velocity ranges of bridge decks for different fairings

三組風(fēng)嘴角度大小依次為“28上”＞“43中”＞“48中”，由分析結(jié)果看出，風(fēng)嘴角度越小渦振振幅越小，后兩者對(duì)渦振控制效果明顯優(yōu)于前者。因此優(yōu)化的改尖風(fēng)嘴能有效降低此類Π型斷面斜拉橋的渦振振幅，且角度越小控制效果越好。在主梁高度不變且風(fēng)嘴安裝位置相同情況下，風(fēng)嘴角度越小消耗材料越多，因此實(shí)際工程中應(yīng)在滿足渦振限幅前提下選擇最經(jīng)濟(jì)的風(fēng)嘴形式。

3.3 水平隔流板抑振效果

從Π型斷面的氣動(dòng)外形特點(diǎn)看，疊合梁的主肋與橋面板連接處轉(zhuǎn)角部位的旋渦脫落是引發(fā)橋梁渦激共振的主要原因。因此，本試驗(yàn)水平隔流板(HFIP)安裝位置選在兩個(gè)轉(zhuǎn)角處，即HFIP在主肋與橋面板轉(zhuǎn)角處水平向內(nèi)側(cè)懸挑，見(jiàn)圖8，從而打亂并削弱在該區(qū)域附近形成的旋渦或流經(jīng)該區(qū)域的旋渦，實(shí)現(xiàn)對(duì)渦振抑制目的。

在主梁轉(zhuǎn)角處設(shè)置不同寬度的HFIP，其周圍流體繞流方式也會(huì)有所不同，從而影響到其對(duì)渦振的控制效果。本文選取三種寬度的HFIP，即10 mm、15 mm、20 mm及無(wú)板狀態(tài)，配合“48中”風(fēng)嘴及圓截面欄桿(YLG)進(jìn)行渦激共振試驗(yàn)。

圖8 水平隔流板位置與尺寸Fig.8 The size and location of HFIP

圖9 不同寬度水平隔流板渦振控制效果比較Fig.9 Comparison between VIV mitigation effects of HFIP with different width

據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)各級(jí)風(fēng)速下節(jié)段模型的振幅響應(yīng)值，并換算成實(shí)橋?qū)?yīng)位移大小，獲得各工況下采用不同寬度HFIP后主梁的最大振幅，見(jiàn)圖9。由圖9看出，未采用HFIP控制措施時(shí)，在－3°及0°攻角下均出現(xiàn)振幅較大的豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振;采用10 mm寬度的HFIP后，－3°及0°攻角下仍出現(xiàn)明顯豎彎渦振，同時(shí)+3°工況下出現(xiàn)振幅較大的扭轉(zhuǎn)渦振，反而對(duì)渦振控制起到不利作用;設(shè)置15 mm及20 mm寬度的HFIP后，僅在－3°攻角下出現(xiàn)未超限的小振幅豎彎渦振，各攻角下的渦振均得到較好抑制。對(duì)+3°工況下10 mm板寬出現(xiàn)的不利結(jié)果，本文對(duì)其進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，排除試驗(yàn)誤差及差錯(cuò)所致。因此，總體上隨著板寬度的增加，HFIP對(duì)渦振的控制效果越好。對(duì)本文的優(yōu)化斷面，15 mm及20 mm寬度的水平隔流板對(duì)渦振的控制均起到明顯效果，同時(shí)考慮工程造價(jià)和材料用量，15 mm板寬優(yōu)于20 mm板寬。

4 結(jié)論

本文針對(duì)Π型疊合梁斜拉橋，通過(guò)一系列節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)，研究原主梁斷面在不同阻尼參數(shù)下的渦激共振性能;對(duì)比分析不同欄桿、風(fēng)嘴及水平隔流板多種氣動(dòng)控制措施的渦振控制效果，結(jié)論如下:

(1)原主梁斷面在阻尼比＜1%范圍內(nèi)均存在較明顯的豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振，且振幅較大。

(2)欄桿的不同形式使Π型斷面的氣動(dòng)外形發(fā)生顯著變化，對(duì)其進(jìn)行比選是實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)控制的有力措施。其中，檢修道護(hù)欄及防撞欄桿均采用圓截面的形式可顯著提高該斜拉橋優(yōu)化斷面的渦振性能，而采用方截面欄桿則不利。

(3)對(duì)Π型開(kāi)口截面斜拉橋，較尖角度的風(fēng)嘴能在一定程度上改善主梁渦振性能，且角度越小效果越明顯。比較本文原始斷面風(fēng)嘴與改尖的優(yōu)化風(fēng)嘴，得出該橋的最優(yōu)風(fēng)嘴形式為“48中”。

(4)在橋梁斷面底部的雙主肋轉(zhuǎn)角處設(shè)置適當(dāng)?shù)乃礁袅靼迥苡行p小甚至消除渦激振動(dòng);水平隔流板的懸挑寬度對(duì)渦振抑振效果也有一定影響，板越寬對(duì)渦振的控制越有利。

(5)鑒于渦振對(duì)氣動(dòng)外形的敏感性，應(yīng)對(duì)每項(xiàng)有效的氣動(dòng)控制措施進(jìn)行優(yōu)化及參數(shù)化敏感性分析的相關(guān)研究。一般氣動(dòng)控制措施都是在基本斷面設(shè)計(jì)好后增加的附屬構(gòu)件，必然會(huì)使得橋梁斷面整體的造價(jià)增加，因此優(yōu)化過(guò)程的同時(shí)也要綜合權(quán)衡經(jīng)濟(jì)效益和結(jié)構(gòu)使用性能。

(6)綜合本文試驗(yàn)研究結(jié)果，對(duì)該Π型開(kāi)口截面斜拉橋，渦激共振現(xiàn)象明顯，建議采取氣動(dòng)控制措施，即橋面布置圓截面形式的檢修道護(hù)欄及防撞欄桿，采用改尖角度的風(fēng)嘴“48中”，并在橋梁斷面底部雙主肋轉(zhuǎn)角處設(shè)置寬度15 mm(換算成實(shí)橋中寬度為1050 mm)的水平隔流板。

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Vortex-induced vibration performance of a cable-stayed bridge with Π shaped composite deck and its aerodynamic control measures

QIAN Guo－wei，CAO Feng－chan，GE Yao－jun
(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)

To study the vortex－induced vibration(VIV)and its control measures for the bridge with Π shaped deck，the aerodynamic performance of a cross－sea cable－stayed bridge was investigated through section－model wind tunnel tests.The results show that the Π shaped deck concerned suffers remarkable VIV at low wind velocity，which exists under the structural damping ratio of 1%.Crash barrier and maintenance way railings with cylinder shape are conducive to decrease VIV amplitude，both vertical and torsional.The VIV can be mitigated via sharpening wind fairings and the vibration mitigation effect is more significant with smaller wind fairing angle.The horizontal flow－isolating plate(HFIP)，jutting out of the inner edge of the girder bottom plates，can mitigate and even eliminate the VIV effectively.Generally，within certain limits，the wider the HFIP，the better the mitigation effect.

Π shaped deck;cable－stayed bridge with composite beam;vortex－induced vibration;aerodynamic control;wind tunnel test

TH212;TH213.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2015.02.031

科技部國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB036300);國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目(91215302)

2014－05－07修改稿收到日期:2014－09－03

錢(qián)國(guó)偉男，碩士生，1990年生

葛耀君男，博士，教授，1958年生