地面效應(yīng)對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激共振性能的影響

周志勇， 毛文浩

(1.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；2.橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海市政設(shè)計(jì)研究總院，上海 200092)

地面效應(yīng)對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激共振性能的影響

周志勇1,2， 毛文浩3

(1.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；2.橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；3.上海市政設(shè)計(jì)研究總院，上海 200092)

當(dāng)橋面接近地面時(shí)，地面的存在會(huì)使斷面的繞流情況與遠(yuǎn)離地面時(shí)不同，有可能對(duì)主梁在風(fēng)荷載作用下的靜力和動(dòng)力響應(yīng)產(chǎn)生不利的影響，而主梁離地高度將成為影響主梁氣動(dòng)性能的重要因素?；陲L(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)相結(jié)合的方法，對(duì)存在地面效應(yīng)的近流線(xiàn)型斷面的渦激共振性能進(jìn)行研究。首先，基于風(fēng)洞試驗(yàn)獲得近流線(xiàn)型斷面在兩種粗糙度地面、三種風(fēng)攻角、四種離地高度下的渦激共振區(qū)間和振幅及其隨離地高度的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明，地面效應(yīng)會(huì)使得渦激共振區(qū)間提前但渦激共振幅值有所減小。其次，采用CFD識(shí)別各試驗(yàn)工況下的斷面的繞流特征、鎖定區(qū)間和最大振幅，并通過(guò)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流場(chǎng)可視化分析，分析了地面效應(yīng)對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激振動(dòng)的影響機(jī)理。

地面效應(yīng)；近流線(xiàn)型斷面；St數(shù)；渦激共振；機(jī)理

來(lái)流在鈍體表面會(huì)發(fā)生附面層分離、分離剪切層卷起，形成旋渦交替脫落的流動(dòng)現(xiàn)象，這種流動(dòng)現(xiàn)象將引起結(jié)構(gòu)所受氣動(dòng)力的周期性變化及結(jié)構(gòu)振動(dòng)，這種空氣動(dòng)力學(xué)現(xiàn)象稱(chēng)為渦激振動(dòng)。渦激振動(dòng)是大跨度橋梁在低風(fēng)速下很容易出現(xiàn)的一種風(fēng)振現(xiàn)象，具有強(qiáng)迫和自激振動(dòng)的雙重特性，是一種限幅振動(dòng)。盡管渦激振動(dòng)不會(huì)像顫振或馳振那樣導(dǎo)致發(fā)散，但由于是低風(fēng)速下常易發(fā)生的振動(dòng)，且振幅之大足以影響行車(chē)安全，甚至可能誘發(fā)拉索參數(shù)共振等其他類(lèi)型致命的氣動(dòng)不穩(wěn)定。因此，在現(xiàn)代橋梁在抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，以滿(mǎn)足顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為首要設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)于主梁渦激振動(dòng)性能的設(shè)計(jì)也提升到了重要的位置。

當(dāng)橋面接近地面時(shí)，地面使斷面的繞流與在遠(yuǎn)離地面時(shí)的情況不同，我們可以引用空氣動(dòng)力學(xué)中的概念，稱(chēng)這種現(xiàn)象為“地面效應(yīng)”。 目前為止，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在橋梁斷面靜力響應(yīng)、渦振和顫振性能研究方面還沒(méi)有關(guān)于橋梁離地高度對(duì)橋梁氣動(dòng)響應(yīng)影響的系統(tǒng)研究。而現(xiàn)有的或在建的橋梁中，卻存在不少離地高度較低的橋梁，例如深港通道橋等。位于水庫(kù)上方的橋梁，隨著水位的上漲，其橋面高度也會(huì)相對(duì)的降低，更加貼近水面。

關(guān)于“地面效應(yīng)”的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域，其中大部分研究是針對(duì)機(jī)翼進(jìn)行，基本采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法[1-13]及數(shù)值模擬的方法[14-18]進(jìn)行研究。國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橋梁斷面渦激振動(dòng)進(jìn)行了諸多研究[19-27]，但考慮地面效應(yīng)對(duì)渦激振動(dòng)影響的系統(tǒng)研究則幾乎沒(méi)有。與航空領(lǐng)域類(lèi)似，可以預(yù)見(jiàn)，當(dāng)橋梁離地較低時(shí)，由主梁和地面所形成的“通道”將對(duì)氣流產(chǎn)生阻礙或者加速作用，而這種作用反過(guò)來(lái)又會(huì)對(duì)主梁的氣動(dòng)力產(chǎn)生影響，這對(duì)主梁在風(fēng)荷載作用下的渦激共振性能必然產(chǎn)生影響。因此考慮地面效應(yīng)對(duì)橋梁渦激共振性能的影響研究具有實(shí)際工程意義。

本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法研究了地面效應(yīng)對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激共振性能的影響機(jī)理。首先，采用剛體節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行不同離地高度、兩種地面粗糙度情況下的渦激振動(dòng)試驗(yàn)，獲得到豎向渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間和最大振幅。最后，采用CFD識(shí)別各試驗(yàn)工況下的斷面的繞流特征及鎖定區(qū)間和最大振幅，通過(guò)對(duì)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)流場(chǎng)分析來(lái)研究地面效應(yīng)的對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激振動(dòng)的影響機(jī)理。

1 近流線(xiàn)型斷面測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 節(jié)段模型設(shè)計(jì)

近流線(xiàn)型斷面測(cè)振節(jié)段模型要求模型整體具有較大剛性。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)度L=1.2 m，高度h=0.047 m，寬度B=0.364 7 m，整個(gè)模型長(zhǎng)寬比約為3.3。模型斷面設(shè)計(jì)如圖1所示。模型離地高度布置如圖2所示。紊流場(chǎng)下粗糙條布置和節(jié)段模型順風(fēng)向位置如圖3所示。其中，模型的離地高度H為模型底面至地面(均勻流場(chǎng))或粗糙條頂面(紊流場(chǎng))的距離；粗糙條高度d=0.05B，尺寸為0.018 m×0.018 m×2.4 m，中心間距0.108 m，凈距k=5d=0.9 m，共24條。

圖1 渦激振動(dòng)節(jié)段模型斷面圖(mm)Fig.1 Section model for vortex-induced vibration(mm)

圖2 模型離地高度示意圖(mm)Fig.2 Model height from the ground(mm)

圖3 模型順風(fēng)向位置布置示意圖(mm)Fig.3 Wind direction and location model (mm)

測(cè)振節(jié)段模型試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞中進(jìn)行。渦激振動(dòng)試驗(yàn)在無(wú)地面粗糙條(均勻流場(chǎng))和有地面粗糙條(紊流場(chǎng))兩種不同地面粗糙度情況下進(jìn)行。兩種地面粗糙度情況下，針對(duì)渦激振動(dòng)分別進(jìn)行了+3°、0°、-3°三個(gè)攻角，4個(gè)離地高度(H/B=0.2、H/B=0.4、H/B=0.6、H/B=∞)的試驗(yàn)。試驗(yàn)主要針對(duì)豎彎渦振進(jìn)行，并測(cè)得豎彎渦振振幅和鎖定區(qū)間。

剛體節(jié)段模型通過(guò)八根彈簧彈性懸掛在風(fēng)洞的支架中，圖4給出了模型裝置示意圖。試驗(yàn)通過(guò)調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和質(zhì)量慣矩并配以適當(dāng)剛度和間距的彈簧，來(lái)調(diào)整模型的豎向頻率和扭轉(zhuǎn)頻率達(dá)到預(yù)期值。試驗(yàn)通過(guò)在斷面前端布置皮托管和微壓計(jì)來(lái)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)量。渦激振動(dòng)現(xiàn)象與結(jié)構(gòu)的阻尼密切相關(guān)。為此，在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)之前，對(duì)結(jié)構(gòu)的阻尼進(jìn)行了測(cè)量。為保證結(jié)構(gòu)阻尼測(cè)量準(zhǔn)確，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量后得到結(jié)構(gòu)豎彎阻尼為1.5‰。節(jié)段模型安裝示意圖如圖5所示。

(a) 無(wú)地面 (b) 有地面圖4 節(jié)段模型安裝示意圖Fig.4 Sketch of the testing device

(a) 均勻流場(chǎng)

(b) 紊流場(chǎng)

(c) 無(wú)地面圖5 節(jié)段模型風(fēng)洞安裝示意圖Fig. 5 Sectional model in the wind tunnel

模型安裝完成后，測(cè)得渦激振動(dòng)節(jié)段模型系統(tǒng)質(zhì)量為m=5.036 kg/m，豎彎頻率為fh=8.1 Hz。由于渦振通常發(fā)生的風(fēng)速較低，因此，選擇了較為剛性的彈簧，以提高模型的豎彎振動(dòng)頻率。本次研究?jī)H針對(duì)豎彎渦振進(jìn)行，因此對(duì)扭轉(zhuǎn)頻率不做太多要求，但保證了扭轉(zhuǎn)頻率遠(yuǎn)離豎彎頻率，避免渦振區(qū)間相互影響。

1.2 紊流場(chǎng)風(fēng)剖面和湍流度剖面測(cè)試

紊流場(chǎng)的平均風(fēng)剖面和湍流度剖面如圖6所示。流場(chǎng)的參考風(fēng)速以皮托管和微壓計(jì)來(lái)監(jiān)控和測(cè)量，采用眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行風(fēng)速和湍流度數(shù)據(jù)采集。試驗(yàn)來(lái)流風(fēng)速取為5 m/s和15 m/s。測(cè)點(diǎn)位置布置在流線(xiàn)型斷面所在位置中心處。測(cè)點(diǎn)高度離粗糙條頂部距離分別為6 cm、7 cm、8 cm、9 cm、10 cm、11 cm、12 cm、13 cm、14 cm、15 cm、16 cm、18 cm、20 cm、22 cm、24 cm和30 cm，共16個(gè)高度。試驗(yàn)得到平均速度和湍流度各16個(gè)，可以認(rèn)為能夠反映有紊流場(chǎng)的平均速度剖面和湍流度剖面。

由圖6可以看出，15 m/s來(lái)流和5 m/s來(lái)流所形成的邊界層剖面有很好的一致性，說(shuō)明了本次試驗(yàn)粗糙條的布置能夠在斷面所在位置形成穩(wěn)定的剖面。粗糙條形成了一定厚度的風(fēng)剖面和湍流度剖面，剖面的高度在15～20 cm左右，即相當(dāng)于離地高度H=(0.4-0.5)B處。粗糙條形成的邊界層剖面較陡，平均風(fēng)速和湍流度沿高度變化較快。

平均風(fēng)剖面 湍流度剖面圖6 平均風(fēng)剖面及湍流度剖面試驗(yàn)值Fig.6 The average wind profile andturbulence profile test value

2 地面效應(yīng)對(duì)渦激共振區(qū)間及振幅影響

根據(jù)節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果，斷面在均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)中，不同離地高度和不同風(fēng)攻角下的豎彎渦振位移曲線(xiàn)如圖7所示。圖7顯示：

(1)均勻流場(chǎng)情況下，地面效應(yīng)對(duì)豎彎渦振鎖定區(qū)間的大小基本沒(méi)有影響，但能使豎彎渦振提前發(fā)生，最大向前偏移風(fēng)速約1 m/s左右。這表明在遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)流速度一致時(shí)，地面效應(yīng)使得斷面的旋渦脫落頻率增大，從而使渦激共振提前發(fā)生。這也與文獻(xiàn)[10]中地效對(duì)圓柱氣彈響應(yīng)影響的研究結(jié)論相同。具體原因?qū)⒃诘?節(jié)進(jìn)行解釋。

(a) 均勻流場(chǎng)+3°攻角

(b) 紊流場(chǎng)+3°攻角

(c) 均勻流場(chǎng)0°攻角

(d) 紊流場(chǎng)0°攻角

(e) 均勻流場(chǎng)-3°攻角

(f) 紊流場(chǎng)-3°攻角

(2)紊流場(chǎng)情況下，離地高度較小時(shí)，由于渦振現(xiàn)象對(duì)湍流度較為敏感，湍流度增加能使渦振振幅減小，間接導(dǎo)致渦振區(qū)間縮小。斷面距地面一定高度以上，地面粗糙度對(duì)渦振區(qū)間基本沒(méi)有影響。

(3)地面效應(yīng)對(duì)豎彎渦振振幅的影響在不同風(fēng)攻角下有不同的表現(xiàn)。+3°攻角下，地面效應(yīng)使得豎彎渦振振幅隨著離地高度降低而降低。0°攻角下，地面效應(yīng)對(duì)豎彎渦振振幅影響不明顯。在-3°攻角下，地面效應(yīng)使振幅略微提高，影響也不明顯。

(4)均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)結(jié)果比較可以看出，相同離地高度，相同攻角情況下，兩種地面粗糙度下的渦振區(qū)間的偏移量大致相同，最大振幅所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速也基本相同。

3 地面效應(yīng)對(duì)渦激共振區(qū)間及振幅影響的數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型、計(jì)算區(qū)域和工況

采用ANSYS提供的FLUENT有限體積法求解器進(jìn)行主梁斷面繞流流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算。對(duì)于計(jì)算域的選擇，要滿(mǎn)足計(jì)算精度的要求，同時(shí)也不能夠過(guò)大的增加計(jì)算量。數(shù)值模擬的計(jì)算域選取如圖8所示，圖中，B為斷面寬度，h為斷面高度，H為斷面底面離地高度。即入口位于斷面前端10B距離處，出口位于斷面后端20B距離處，上邊界距斷面頂面15h。

由于地面效應(yīng)對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激共振的影響規(guī)律具有一致性，本文在此僅針對(duì)斷面在+3°攻角、均勻流場(chǎng)H/B=0.2、均勻流場(chǎng)H/B=∞二個(gè)工況的豎彎渦激振動(dòng)進(jìn)行數(shù)值模擬，H取值分別為0.2B和15h。

圖8 計(jì)算域示意圖Fig. 8 Overview of computational domainand boundary conditions

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用ANSYS ICEM CFD軟件，采用二維非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了解決動(dòng)網(wǎng)格中網(wǎng)格畸變問(wèn)題，盡量避免負(fù)體積產(chǎn)生，采取了文獻(xiàn)[11]的網(wǎng)格劃分方法。將計(jì)算域分為剛性運(yùn)動(dòng)區(qū)域、動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和靜止網(wǎng)格區(qū)域三塊區(qū)域。剛性運(yùn)動(dòng)區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)四邊形網(wǎng)格劃分，并劃分邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格厚度設(shè)為0.000 1 m，以保證模擬精確性。這部分網(wǎng)格隨著橋梁斷面一起運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行網(wǎng)格光順和局部重構(gòu)。動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域全部采用三角形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，由于這部分網(wǎng)格已經(jīng)遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)，可采用較大的網(wǎng)格，在網(wǎng)格重構(gòu)的過(guò)程中不容易出現(xiàn)負(fù)體積。最外層靜止網(wǎng)格區(qū)域采用四邊形和三角形混合網(wǎng)格，并在計(jì)算過(guò)程中不進(jìn)行網(wǎng)格光順和重構(gòu)，可保證計(jì)算效率。

U0.2工況整個(gè)區(qū)域總網(wǎng)格大約在15萬(wàn)左右，UINF工況區(qū)域網(wǎng)格總數(shù)為61 766。圖9給出了計(jì)算域全局網(wǎng)格劃分示意。

(a) H/B=0.2

(b) H/B=∞圖9 全局網(wǎng)格劃分示意
Fig. 9 Overview of mesh of the computational domain

3.3 湍流模型及邊界條件

本次計(jì)算采用二維非定常(Transient)分離式求解器。對(duì)于均勻流場(chǎng)，選取了SSTk-ω進(jìn)行計(jì)算。

邊界條件：入口采用速度入口(velocity-inlet)。來(lái)流湍流強(qiáng)度I=0.5%，湍流黏性比為10%；出口采用相對(duì)壓力為0的壓力出口(pressure-outlet)；上邊界采用對(duì)稱(chēng)邊界條件(symmetry)；下邊界在考慮地面和不考慮地面效應(yīng)情況下分別采用無(wú)滑移壁面(wall)和對(duì)稱(chēng)邊界條件(symmetry)；斷面采用無(wú)滑移壁面(wall)；動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域和靜止網(wǎng)格區(qū)域的分界采用交界面(interface)邊界條件；壓力-速度耦合方式采用SIMPLEC；物理時(shí)間步長(zhǎng)均設(shè)置為0.000 2 s。

3.4 渦激振動(dòng)計(jì)算流程

渦激振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算，是流固耦合問(wèn)題。在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，依次計(jì)算流體方程和剛體運(yùn)動(dòng)方程，并基于兩者之間的數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)兩個(gè)場(chǎng)的耦合求解。首先，讓斷面固定，先進(jìn)行靜態(tài)繞流計(jì)算，直至流場(chǎng)穩(wěn)定后。當(dāng)靜態(tài)繞流計(jì)算穩(wěn)定后，通過(guò)UDF進(jìn)行渦激振動(dòng)計(jì)算。具體過(guò)程為：通過(guò)FLUENT的用戶(hù)自定義函數(shù)UDF中的宏Compute_Force_And_Moment提取作用在斷面上的氣動(dòng)力，并將Newmark-β方法通過(guò)用戶(hù)自定義函數(shù)(UDF)嵌入到Fluent中求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)，再通過(guò)DEFINE_CG_MOTION來(lái)指定斷面運(yùn)動(dòng)速度，位移則由運(yùn)動(dòng)速度與時(shí)間步長(zhǎng)的乘積求出，從而進(jìn)行斷面位置和網(wǎng)格更新。網(wǎng)格更新采用彈性光順和局部網(wǎng)格重構(gòu)法，通過(guò)設(shè)置合適的擴(kuò)散參數(shù)，保證更新后的網(wǎng)格質(zhì)量。

3.5 地面效應(yīng)對(duì)渦激共振區(qū)間及振幅影響

豎彎渦激振動(dòng)數(shù)值模擬針對(duì)+3°攻角、H/B=0.2和H/B=∞兩種離地高度進(jìn)行。數(shù)值模擬的模型參數(shù)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)相同。豎彎阻尼比取1.5‰。其中，工況一：離地高度H/B=0.2。采用風(fēng)速連續(xù)計(jì)算格式進(jìn)行，連續(xù)風(fēng)速為2.9～5.3 m/s，共9個(gè)風(fēng)速點(diǎn)。工況二：離地高度H/B=∞。采用風(fēng)速連續(xù)計(jì)算格式進(jìn)行，連續(xù)計(jì)算風(fēng)速為3.7～6.5 m/s，共12個(gè)風(fēng)速點(diǎn)。

圖10為采用風(fēng)速連續(xù)計(jì)算的豎彎位移時(shí)程隨風(fēng)速連續(xù)變化曲線(xiàn)。圖11為渦激共振區(qū)間及振幅值得計(jì)算結(jié)果。根據(jù)圖10及圖11表明：本文的數(shù)值方法能夠較好的捕捉到渦激振動(dòng)現(xiàn)象，數(shù)值計(jì)算所得到的不同流場(chǎng)、不同高度下的鎖定區(qū)間和最大振幅與試驗(yàn)結(jié)果較吻合，但最大振幅的數(shù)值模擬結(jié)果大于試驗(yàn)結(jié)果，這可能是數(shù)值模擬采用二維計(jì)算模型引起。本文的模擬方法能夠較為準(zhǔn)確的捕捉到渦激共振現(xiàn)象，值得借鑒。

(a) H/B=0.2

(b) H/B=∞圖10 采用風(fēng)速連續(xù)計(jì)算的豎彎位移時(shí)程隨風(fēng)速連續(xù)變化曲線(xiàn)Fig. 10 Time history curve of vertical displacementwith the continuous varying of wind speed

H/B=0.2 H/B=∞圖11 渦激共振區(qū)間及振幅值數(shù)值計(jì)算結(jié)果Fig.11 The responses of vertical VIV of the calculatedvalue and the wind tunnel test

4 地面效應(yīng)對(duì)豎彎渦振的影響機(jī)理

4.1 靜態(tài)繞流流場(chǎng)形態(tài)分析

在分析渦激振動(dòng)動(dòng)態(tài)繞流的流場(chǎng)之前，先對(duì)結(jié)構(gòu)在均勻流場(chǎng)下地靜態(tài)繞流流場(chǎng)進(jìn)行分析及判斷。

對(duì)于結(jié)構(gòu)靜態(tài)繞流的數(shù)值模擬，采用4.1節(jié)相同的計(jì)算模型，計(jì)算區(qū)域和邊界條件，取消動(dòng)網(wǎng)格設(shè)置，來(lái)流速度設(shè)置為4 m/s。為了獲得更加豐富的流場(chǎng)信息，對(duì)于均勻流場(chǎng)靜態(tài)繞流采用了基于SSTk-ω的二維DES湍流模型。

圖12給出了斷面在+3°攻角，H/B=0.2和H/B=∞兩種離地高度下的瞬時(shí)渦量場(chǎng)。由圖12可知：均勻流場(chǎng)中兩個(gè)離地高度的流場(chǎng)具有很大的相似性。迎風(fēng)側(cè)欄桿流動(dòng)分離形成了強(qiáng)烈的周期性旋渦脫落+遷移現(xiàn)象，這種周期性旋渦脫落+遷移將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而導(dǎo)致渦激振動(dòng)的發(fā)生。

(a) H/B=0.2

(b) H/B=∞圖12 不同離地高度下的瞬時(shí)渦量Fig. 12 Instantaneous vorticity under different height from the ground

圖13給出兩個(gè)計(jì)算工況斷面的升力系數(shù)和對(duì)應(yīng)的頻譜圖。從圖13可以看出，兩種計(jì)算工況下，升力系數(shù)都存在多個(gè)卓越頻率。特別地，對(duì)于均勻流場(chǎng)的H/B=0.2和H/B=∞兩種情況，頻譜圖中最高幅值對(duì)應(yīng)的無(wú)量綱頻率，即斯托羅哈數(shù)為0.994 6和0.801 2，即相當(dāng)于結(jié)構(gòu)豎彎渦振的起始風(fēng)速分別為2.97 m/s和3.69 m/s，這與圖11所示的渦激共振區(qū)間及振幅值數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及風(fēng)洞試驗(yàn)起振風(fēng)速均相當(dāng)?shù)匚呛?。均勻流?chǎng)中，地面存在時(shí)，來(lái)流風(fēng)速相同時(shí)斷面的斯托羅哈數(shù)較大，即旋渦脫落頻率較大。

(a) H/B=0.2 (b) H/B=∞圖13 不同離地高度下升力系數(shù)時(shí)程頻譜Fig.13 Lift coefficient spectrum underdifferent height from the ground

4.2 動(dòng)態(tài)繞流形態(tài)分析

渦激振動(dòng)具有自激的特性，橋梁斷面達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)后，流場(chǎng)形態(tài)與結(jié)構(gòu)位移之間的耦合作用也達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定。因此，對(duì)發(fā)生渦激振動(dòng)下典型振動(dòng)位置的流場(chǎng)進(jìn)行分析是有意義的。針對(duì)上述工況一及工況二，根據(jù)結(jié)構(gòu)位移時(shí)程，選擇時(shí)間為t1=0，t2=1/4T，t3=2/4T，t4=3/4T共4個(gè)位置進(jìn)行分析，此時(shí)斷面達(dá)到最大振幅。時(shí)間點(diǎn)如圖14所示。兩個(gè)工況渦量場(chǎng)、壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)分別如圖15所示。

圖14 時(shí)間點(diǎn)示意圖Fig. 14 Different time points

(1) 均勻流場(chǎng)中兩個(gè)離地高度的瞬態(tài)流場(chǎng)具有很大的相似性。來(lái)流在迎風(fēng)側(cè)欄桿流動(dòng)分離形成了強(qiáng)烈的周期性旋渦脫落+漂移現(xiàn)象，而一個(gè)旋渦對(duì)應(yīng)一個(gè)升力面，旋渦漂移對(duì)應(yīng)升力面的漂移。這種周期性旋渦脫落+漂移將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而導(dǎo)致渦激振動(dòng)的發(fā)生。

(2) 地面效應(yīng)的存在使旋渦脫落及漂移速度加快，即旋渦脫落頻率加快，St增大，這是由于地面附面層帶來(lái)的影響總體上減緩了斷面下腹板與地面區(qū)域之間的流速(相對(duì)來(lái)流速度)，從而在一方面加強(qiáng)了上緣分離點(diǎn)的流動(dòng)分離，使斷面上方的旋渦脫落加劇，豎彎渦振區(qū)間提前。這與5.1節(jié)結(jié)論一致。

圖15 不同離地高度下渦量、壓力場(chǎng)Fig. 15 The vorticity, the pressure field underdifferent height from the ground

(3) 地面效應(yīng)的存在使脫落旋渦誘導(dǎo)的升力面離橋面距離增大，對(duì)斷面氣動(dòng)力作用減弱，這可導(dǎo)致渦激共振幅值減小，這與第3節(jié)結(jié)論一致。

5 結(jié)論

本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法研究了地面效應(yīng)對(duì)近流線(xiàn)型斷面渦激共振性能的影響機(jī)理。具體研究結(jié)論如下：

(1) 均勻流場(chǎng)情況下，地面效應(yīng)對(duì)豎彎渦振鎖定區(qū)間的大小基本沒(méi)有影響，但能使豎彎渦振提前發(fā)生。這表明地面效應(yīng)會(huì)使得遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)流風(fēng)速相同時(shí)斷面的旋渦脫落頻率增大，從而使渦激共振提前發(fā)生。

(2) 紊流場(chǎng)情況下，離地高度較小時(shí)，由于渦振現(xiàn)象對(duì)湍流度較為敏感，湍流度增加能使渦振振幅減小，間接導(dǎo)致渦振區(qū)間縮小。斷面距地面一定高度以上，地面粗糙度對(duì)渦振區(qū)間基本沒(méi)有影響。

(3) 地面效應(yīng)對(duì)豎彎渦振振幅的影響在不同風(fēng)攻角下有不同的表現(xiàn)，總體上表現(xiàn)為隨離地距離的減小，最大渦激共振振幅隨之較小，但影響均不明顯。

(4) 靜、動(dòng)態(tài)流場(chǎng)顯示：來(lái)流在迎風(fēng)側(cè)欄桿流動(dòng)分離形成了強(qiáng)烈的周期性旋渦脫落+漂移現(xiàn)象，旋渦漂移對(duì)應(yīng)升力面的漂移。這種周期性旋渦脫落+漂移將對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生周期性的作用力，從而導(dǎo)致渦激振動(dòng)的發(fā)生。地面效應(yīng)的存在使旋渦脫落及漂移速度加快，即旋渦脫落頻率加快，St增大，但旋渦對(duì)斷面氣動(dòng)力作用減弱。

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Ground effects on vortex-induced vibrations of a closed box girder

ZHOU Zhiyong1，2，MAO Wenhao3

(1.State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering, Shanghai 200092, China; 2. Key Laboratory of Ministry of Communications for Bridge Structure Wind resistance, Shanghai 200092, China;3.Shanghai Municipal Design & Research Institute , Shanghai 200092, China)

As many existing or under-construction bridges are of lower height from the ground, the ground may have an adverse influence on the aerostatic and aerodynamic performances of bridges under wind loads. Wind tunnel tests and numerical simulations were adopted to study the ground effects on the vortex-induced vibrations of a closed box girder for illustration. The lock-in phenomena of vortex-induced vibrations over a range of wind velocities, the maximum amplitudes and their correlation with the height of the closed box girder apart from the ground under two different ground roughnesses were investigated by wind tunnel tests. The results show that the ground effect makes the vortex-induced phenomena occur in advance. Moreover, CFD (computational fluid dynamic) numerical simulations were carried out to study the lock-in phenomena, the maximum amplitudes and their correlation with the height of the girder under two different ground roughnesses. Through the CFD analysis on the flow fields around the girder, the mechanism of ground effect on the vortex-induced vibrations of closed box girders was described.

ground effect；closed box girder；St number；vortex-induced vibration；mechanism

2015-11-25 修改稿收到日期： 2016-02-19

周志勇 男，博士，研究員，1971年6月生

Tu279.7+2

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2017.06.026