穩(wěn)定板對(duì)邊主梁斷面懸索橋渦振的影響研究

莊欠國(guó)

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

穩(wěn)定板對(duì)邊主梁斷面懸索橋渦振的影響研究

莊欠國(guó)

（核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

本文以某邊主梁斷面的大跨度懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用?jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了穩(wěn)定板對(duì)橋梁渦激振動(dòng)的影響。通過增設(shè)不同位置的穩(wěn)定板（開口中央、四分之一位置處的不同組合），在保持結(jié)構(gòu)阻尼等參數(shù)相同的情況下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得各工況下的渦激振動(dòng)的幅值和渦振區(qū)間。結(jié)果表明，設(shè)置不同位置的穩(wěn)定板對(duì)橋梁渦激振動(dòng)的影響是不同的，合適的穩(wěn)定板位置能有效的抑制橋梁的渦激振動(dòng)。

懸索橋；鋼－混組合梁斷面；穩(wěn)定板；渦激振動(dòng)

1 引言

隨著設(shè)計(jì)和施工水平的不斷提高，現(xiàn)代橋梁的跨度記錄不斷被刷新，而大跨橋梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是大、輕、柔，因此對(duì)風(fēng)的作用相當(dāng)敏感。對(duì)于大跨度橋梁設(shè)計(jì)中，在必須保證顫振穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，在低風(fēng)速下很容易出現(xiàn)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象，同樣是我們必須考慮的問題。盡管渦激振動(dòng)不像顫振、馳振一樣是發(fā)散的毀滅性的振動(dòng)，但是由于是在低風(fēng)速下常容易發(fā)生的振動(dòng)，且振幅之大足以影響行車安全，振動(dòng)過于頻繁容易導(dǎo)致橋梁主梁發(fā)生疲勞而發(fā)生損壞，因而在施工或者成橋階段避免渦激共振或限制其振幅在可接受的范圍內(nèi)具有很重要的意義。

在橋梁設(shè)計(jì)中，因?yàn)殚_口斷面的鋼－混組合梁因?yàn)榫哂辛己玫慕?jīng)濟(jì)性，開始在大跨橋梁中出現(xiàn)。一般而言，開口箱梁在斜拉橋中出現(xiàn)較多，而在懸索橋中應(yīng)用很少。例如，主跨380m的柳州紅光大橋?yàn)閲?guó)內(nèi)首次采用邊主梁斷面的懸索橋，目前正在建設(shè)的三塔四跨體系的鸚鵡洲懸索橋的加勁梁也采用了這類斷面。邊主梁斷面具有扭轉(zhuǎn)剛度小、氣動(dòng)穩(wěn)定性欠佳的特點(diǎn)，作為加勁梁用于大跨度懸索橋時(shí)容易引起大橋的顫振及渦激共振問題。對(duì)于開口箱梁懸索橋，通過節(jié)段模型試驗(yàn)表明，通過增設(shè)風(fēng)嘴、導(dǎo)流板以及調(diào)整檢修軌道位置并不能改變箱梁開口處的風(fēng)場(chǎng)流動(dòng)，從而也就達(dá)不到改善橋梁的渦振性能的目的，而通過增設(shè)不同位置的穩(wěn)定板，不僅可以提高橋梁的顫振臨界風(fēng)速，同時(shí)對(duì)抑制橋梁渦激共振幅值同樣有很好的作用。本文以某大跨度懸索橋的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)入手，研究不同位置的穩(wěn)定板對(duì)橋梁渦激振動(dòng)性能的影響，從而初步探索穩(wěn)定板氣動(dòng)控制措施的控制效果和控制機(jī)理。

2 試驗(yàn)概況

表1 節(jié)段模型試驗(yàn)參數(shù)

本文以某大跨度開口箱梁懸索橋?yàn)楸尘?，橋梁主跨?38m。節(jié)段模型試驗(yàn)采用的縮尺比為1:50。表1給出了節(jié)段模型的主要試驗(yàn)參數(shù)。豎向及扭轉(zhuǎn)的模態(tài)阻尼比均取為0.7%。

節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在邊界層風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行，采用二元?jiǎng)傮w彈性懸掛系統(tǒng)，試驗(yàn)時(shí)加勁梁節(jié)段模型由8根彈簧懸掛在特定的裝置上，模型振動(dòng)參數(shù)通過彈簧剛度、模型質(zhì)量及附加阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)。穩(wěn)定板的設(shè)置位置如圖2所示，通過不同位置的組合，來發(fā)現(xiàn)和探索穩(wěn)定板位置對(duì)渦激振動(dòng)的控制效果和控制機(jī)理。

3 氣動(dòng)措施對(duì)渦振的影響

在開口箱梁橋中，由于引起渦振的主要原因是在來流風(fēng)在邊主梁尾部發(fā)生漩渦脫落現(xiàn)象，從而產(chǎn)生周期性變化的渦激力，而周期性的渦激力就會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)，并且在我渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率相一致。在風(fēng)洞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，增設(shè)穩(wěn)定板能改善對(duì)此橋梁斷面的抗渦振性能，據(jù)此，研究的穩(wěn)定板氣動(dòng)措施包括：（a）設(shè)置中央上穩(wěn)定板，穩(wěn)定板高度為 1.02m（與欄桿齊平）；（b）設(shè)置下穩(wěn)定板，其下緣高度與檢修軌道齊平，穩(wěn)定板的位置包括1/4橫梁寬度、1/2橫梁寬度和3/4橫梁寬度。圖2給出了加勁梁斷面各種氣動(dòng)措施示意。

根據(jù)上述穩(wěn)定板位置，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況為:

工況1：僅在1/2橫梁寬度處設(shè)置下穩(wěn)定板；

工況2：在1/4和3/4橫梁寬度處設(shè)置兩道下穩(wěn)定板；

工況3：在1/4、1/2和3/4橫梁寬度處設(shè)置三道下穩(wěn)定板；

工況4：在1/4、1/2和3/4橫梁寬度處設(shè)置三道下穩(wěn)定板以及中央上穩(wěn)定板。

在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在-3°攻角時(shí)，各工況均未出現(xiàn)渦激共振現(xiàn)象，在0°攻角時(shí)僅在工況1出現(xiàn)渦激共振現(xiàn)象，工況2、工況3和工況4未出現(xiàn)渦激共振現(xiàn)象，而在+3°攻角下，所有的工況均出現(xiàn)了渦渦激共振現(xiàn)象，因而在試驗(yàn)結(jié)果中，我們主要以+3°攻角的渦振試驗(yàn)數(shù)據(jù)來進(jìn)行對(duì)比分析。+3°攻角下個(gè)工況的渦振實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖5所示，其中虛線為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的規(guī)范限值。

圖3 工況1

圖4 工況2

圖5 工況3

圖6 工況4

由圖3～圖6的試驗(yàn)結(jié)果中，可以發(fā)現(xiàn)：

工況1：僅出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，振動(dòng)幅值超過規(guī)范限值；

工況2：豎彎振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)均都出現(xiàn)，且都在規(guī)范限值以內(nèi)；

工況3：豎彎振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)均都出現(xiàn)，豎彎幅值比工況2略低，但扭轉(zhuǎn)幅值增大，接近規(guī)范限值；

工況4：豎彎振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)均都出現(xiàn)，豎彎幅值與工況3相近，但扭轉(zhuǎn)幅值超過規(guī)范限值。

通過以上的試驗(yàn)現(xiàn)象，我們可以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律如下：

1. 通過工況1、工況2和工況3，可以得知，1/2橫梁寬度處的穩(wěn)定板對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生不利影響，但對(duì)主梁豎彎振動(dòng)產(chǎn)生有利影響。

2. 通過工況3和工況4的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，中央上穩(wěn)定板對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)產(chǎn)生不利影響，而對(duì)主梁豎彎振動(dòng)的影響很小。

3. 雖然各工況的渦振幅值有較大變化，但是產(chǎn)生渦振的風(fēng)速區(qū)間變化不大。

4 結(jié)論

鈍體結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng)現(xiàn)象是由斷面尾部的氣流漩渦引起的。盡管此開口箱梁線性設(shè)計(jì)采用了流線型設(shè)計(jì)，但是由于底部開口，來流風(fēng)在邊主梁處很容易發(fā)生渦脫現(xiàn)象，而產(chǎn)生渦激力，從而造成開口箱梁極易發(fā)生渦激振動(dòng)。風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，通過設(shè)置穩(wěn)定板可以使主梁斷面的氣動(dòng)性能得到優(yōu)化，是一種經(jīng)濟(jì)有效的抑振措施。導(dǎo)流板會(huì)將邊主梁尾部產(chǎn)生下的漩渦阻擋打散，從而抑制了主梁的渦激振動(dòng)。

該結(jié)論是基于試驗(yàn)結(jié)果的一種推斷，準(zhǔn)確的控制機(jī)理研究還需要通過粒子成像技術(shù)（PIV）或者數(shù)值模擬來實(shí)現(xiàn)。

[1]項(xiàng)海帆等.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實(shí)踐.北京：人民交通出版社,2005.

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1007-6344（2016）03-0090-01

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