串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性氣動干擾試驗研究

劉志文 呂建國 劉小兵 陳政清

摘要： 針對大跨雙幅橋面橋梁氣動干擾效應(yīng)問題，采用風(fēng)洞試驗方法，在均勻流場、零度風(fēng)攻角條件下研究了不同間距比時串列雙幅典型斷面（矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面）的顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)。研究表明：串列雙幅典型斷面發(fā)生顫振失穩(wěn)時，下游斷面先失穩(wěn)，上游斷面后失穩(wěn)；串列雙幅鈍體斷面（矩形斷面、Π型斷面），當(dāng)間距比D/B為0.2，0.5（D為串列雙幅斷面凈間距，B為單幅斷面寬度）時，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速低于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速；當(dāng)D/B為1，2，4，6時，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速高于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速；串列雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速隨間距比D/B增加而增加，在試驗間距比范圍內(nèi)（D/B的值為0.3，0.6，1，2，4，5）均小于單幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速，氣動干擾效應(yīng)降低了雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速。關(guān)鍵詞： 橋梁工程； 顫振穩(wěn)定性； 氣動干擾效應(yīng)； 風(fēng)洞試驗； 串列雙幅斷面

中圖分類號： U441+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號： 1004-4523（2016）03-0403-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.005

引言

在工程實踐中為了提高橋梁通行能力，可采用兩座平行且鄰近的橋梁，即雙幅橋面橋梁。大跨度雙幅橋面橋梁上下游主梁之間存在氣動干擾效應(yīng)，隨著橋梁跨度增大，其抗風(fēng)性能干擾效應(yīng)不容忽視。串列圓柱、方柱及建筑結(jié)構(gòu)氣動干擾效應(yīng)很早就受到關(guān)注，并已進(jìn)行了大量研究[1]。Takeuchi等針對串列矩形斷面氣動干擾效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究，研究表明串列雙幅矩形斷面氣動干擾效應(yīng)與單幅斷面寬高比及間距等因素有關(guān)[2]。Honda對日本大板關(guān)西國際機場聯(lián)絡(luò)大橋（兩公路梁橋之間夾有一與其平行的鐵路橋梁）氣動穩(wěn)定性干擾效應(yīng)進(jìn)行了主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗研究[3]。Rowan等針對新塔科馬橋進(jìn)行了雙幅橋面橋梁氣動干擾效應(yīng)研究，通過主梁節(jié)段模型和全橋模型試驗研究了兩座橋之間的氣動干擾效應(yīng)[4]。Kimura等研究了凈間距對雙橋面橋梁氣動干擾效應(yīng)的影響，研究顯示雙幅橋面橋梁氣動干擾問題十分復(fù)雜，當(dāng)凈間距與主梁寬之比達(dá)到8以上仍存在一定的干擾效應(yīng)[5]。朱樂東、郭震山等對既有橋梁與新建橋梁主梁之間三分力系數(shù)、渦振性能和顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)進(jìn)行了試驗研究[67]。研究表明：氣動干擾效應(yīng)使得箱形斷面雙幅橋與單幅橋相比，顫振臨界風(fēng)速明顯降低；雙幅橋梁豎彎和扭轉(zhuǎn)渦激共振最大幅值和風(fēng)速鎖定區(qū)間都有顯著增加。劉志文等針對串列雙幅典型斷面渦激振動氣動干擾效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗研究[89]，研究表明：串列雙幅斷面渦振振幅與雙幅斷面凈間距密切相關(guān)。Seo等針對雙幅斜拉橋氣動干擾效應(yīng)進(jìn)行了試驗研究，研究表明：上游主梁斷面渦振振幅由于氣動干擾效應(yīng)而增大，采取相應(yīng)氣動措施控制效果并不理想，試驗發(fā)現(xiàn)增加結(jié)構(gòu)阻尼可以有效降低渦振振幅[10]。英國橋梁氣動效應(yīng)設(shè)計規(guī)范（BD 49/01）規(guī)定雙幅橋面橋梁抗風(fēng)性能必須予以特別關(guān)注，并給出不同間距比條件下雙幅橋面橋梁抗風(fēng)設(shè)計需關(guān)注的重點[11]。

綜上所述，大跨度雙幅橋面橋梁氣動干擾效應(yīng)不容忽視，并受到許多學(xué)者關(guān)注?？紤]到實際橋梁斷面形狀較多，從系統(tǒng)研究的角度考慮，對實際橋梁主梁斷面進(jìn)行適當(dāng)簡化，從而對串列雙幅典型斷面氣動干擾效應(yīng)進(jìn)行研究對于大跨度雙幅橋面橋梁抗風(fēng)設(shè)計具有重要意義。本文對串列雙幅典型斷面（矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面）顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)進(jìn)行試驗研究，以得到不同斷面顫振穩(wěn)定性氣動干擾規(guī)律。

1試驗簡介

對實際橋梁主梁斷面進(jìn)行適當(dāng)簡化，設(shè)計了三類典型斷面，即矩形斷面、Π型斷面和流線型斷面。為了使串列雙幅斷面氣動干擾試驗研究工況中D/B（D為雙幅斷面凈間距，B為單幅斷面寬度）變化范圍盡量涵蓋實際橋梁雙幅主梁之間的間距范圍，擬定矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面幾何參數(shù)如下：單幅斷面模型寬為B=300 mm（流線型斷面不計入風(fēng)嘴寬度），高為H=60 mm，具體典型雙幅斷面如圖1所示。

鑒于影響串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性的因素較多，如來流紊流度、風(fēng)攻角、間距比以及斷面形狀等，本文僅針對影響串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性的主要因素——斷面形狀及間距比進(jìn)行研究。串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)試驗是在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心HD2邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗段截面尺寸為3.0 m（寬）×2.5 m（高）×17 m（長），試驗段風(fēng)速范圍為0.5～58 m/s，該試驗段的風(fēng)速方向不均勻性均小于0.5°，空風(fēng)洞湍流度小于0.5%，速度不均勻性小于1%，試驗斷面流場品質(zhì)滿足試驗要求。采用專門開發(fā)的串列雙幅斷面彈性懸掛節(jié)段模型試驗裝置，該試驗裝置通過置于風(fēng)洞頂、底板上的槽鋼可方便實現(xiàn)上下游斷面間距的改變，如圖2所示。采用固定在彈簧端部的力傳感器進(jìn)行模型振動響應(yīng)測試。表1給出了串列雙幅典型斷面顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)試驗參數(shù)， 表 2 給出了串列雙幅典型斷面顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)試驗研究工況。需要說明的是，在進(jìn)行顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)試驗研究時，所有試驗工況顫振臨界風(fēng)速均是由來流風(fēng)直接激勵而產(chǎn)生，未進(jìn)行人工激勵。

2試驗結(jié)果

圖3所示分別為單幅矩形斷面、П型斷面和流線型斷面扭轉(zhuǎn)位移根方差隨折算風(fēng)速變化曲線。從圖3中可以看出，П型斷面顫振臨界風(fēng)速最低，矩形斷面顫振臨界風(fēng)速略大于П型斷面顫振臨界風(fēng)速，流線型斷面顫振臨界風(fēng)速最高。

3結(jié)論

在均勻流場、零度風(fēng)攻角下，針對三類典型斷面分別進(jìn)行了串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性氣動干擾效應(yīng)風(fēng)洞試驗研究，得到如下主要研究結(jié)論：

（1）串列雙幅典型斷面（矩形斷面、П型斷面及流線型斷面）發(fā)生顫振失穩(wěn)時，下游斷面先發(fā)生顫振失穩(wěn)，隨后上游斷面發(fā)生顫振失穩(wěn)。

（2）當(dāng)間距比D/B=0.2，0.5時，串列雙幅鈍體斷面（矩形斷面、П型斷面）顫振臨界風(fēng)速低于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速；當(dāng)D/B=1，2，4，6時，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速高于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速。

（3）當(dāng)間距比D/B=0.3，0.6，1，2，4，6時，串列雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速低于單幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速，即氣動干擾效應(yīng)降低了雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速，在工程實踐中值得注意。

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