斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)新裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉小兵， 陳 帥， 鄭云飛， 劉慶寬， 馬文勇

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所, 石家莊 050043；2. 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050043； 3. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院, 石家莊 050043)

斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)新裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉小兵1,2， 陳 帥3， 鄭云飛3， 劉慶寬1,2， 馬文勇1,2

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所, 石家莊 050043；2. 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 石家莊 050043； 3. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院, 石家莊 050043)

針對(duì)石家莊鐵道大學(xué)回直流可變大氣邊界層風(fēng)洞，設(shè)計(jì)了一種用于斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)的新裝置，介紹了該裝置的各組成部分及工作原理。應(yīng)用該裝置開(kāi)展了一系列的風(fēng)雨激振風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了斜拉索的傾角、降雨強(qiáng)度、來(lái)流風(fēng)偏角和來(lái)流風(fēng)速等參數(shù)對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置不僅可以比較方便地調(diào)節(jié)斜拉索的傾角和斜拉索與來(lái)流風(fēng)之間的偏角，而且可以實(shí)現(xiàn)自然雨滴特性的模擬和雨量的控制；針對(duì)選定的直徑為155 mm的斜拉索，在傾角為25°、 風(fēng)偏角為35°、 降雨強(qiáng)度為10 mm/h、 風(fēng)速為13 m/s左右的條件下，斜拉索風(fēng)雨激振的幅度最大。

斜拉索； 風(fēng)雨激振； 試驗(yàn)裝置； 風(fēng)洞試驗(yàn)

斜拉索風(fēng)雨激振是在特定的風(fēng)雨條件下斜拉索發(fā)生的一種大幅振動(dòng)。國(guó)內(nèi)外許多大跨度橋梁，如美國(guó)的Fred Hartman大橋、日本的明港西(Meiko-nishi)大橋、我國(guó)的楊浦大橋、南京長(zhǎng)江二橋、岳陽(yáng)洞庭湖大橋等都曾發(fā)生過(guò)斜拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象。由于振幅大、破壞嚴(yán)重，風(fēng)雨激振已經(jīng)成為近年來(lái)大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)中最為關(guān)注的問(wèn)題之一。

近20多年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多研究人員分別通過(guò)理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬等手段對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振問(wèn)題進(jìn)行了研究。由于能夠有效調(diào)節(jié)各種參數(shù)，人工模擬降雨風(fēng)洞試驗(yàn)常用來(lái)進(jìn)行斜拉索風(fēng)雨激振的影響參數(shù)研究與振動(dòng)機(jī)理分析。Hikami等[1]利用圖1(a)所示的裝置進(jìn)行了人工降雨風(fēng)洞試驗(yàn)，首次再現(xiàn)了斜拉索風(fēng)雨激振現(xiàn)象。顧明等[2-4]設(shè)計(jì)了圖1(b)所示的裝置，在國(guó)內(nèi)率先開(kāi)展了人工降雨風(fēng)洞試驗(yàn)，首先研究了包括斜拉索傾角、來(lái)流風(fēng)偏角、模型系統(tǒng)的頻率和阻尼等多種參數(shù)對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振的影響，然后進(jìn)一步研究了降低斜拉索風(fēng)雨激振的螺旋線方法。研究結(jié)果表明，適當(dāng)設(shè)計(jì)螺旋線的高度和螺距可消除斜拉索的風(fēng)雨激振。李文勃等[5-6]沿用圖1(b)所示的裝置開(kāi)展了人工降雨風(fēng)洞試驗(yàn)，并結(jié)合人工水線雨振試驗(yàn)研究了水線的大小和位置、斜拉索動(dòng)力參數(shù)和風(fēng)偏角對(duì)風(fēng)雨激振的影響。結(jié)果表明，斜拉索表面上水線的形成是斜拉索風(fēng)雨激振發(fā)生的必要條件，斜拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象只能發(fā)生在一定的風(fēng)偏角內(nèi)。許林汕等[7]在圖1(b)所示裝置的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了高精度人工模擬降雨裝置，系統(tǒng)研究了風(fēng)速、雨量以及風(fēng)雨聯(lián)合作用對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振的影響。研究發(fā)現(xiàn)，斜拉索風(fēng)雨激振受到風(fēng)速和雨量的聯(lián)合影響，按振動(dòng)現(xiàn)象不同，可將風(fēng)速和雨量分為四個(gè)區(qū)間：小雨量和低風(fēng)速區(qū)間、小雨量和高風(fēng)速區(qū)間、大雨量和低風(fēng)速區(qū)間和大雨量和高風(fēng)速區(qū)間。在小雨量和高風(fēng)速區(qū)間，斜拉索的振幅最強(qiáng)烈。李永樂(lè)等[8]以宜賓長(zhǎng)江大橋的斜拉索為背景，利用圖1(c)中所示的裝置開(kāi)展了人工降雨風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了來(lái)流風(fēng)速、斜拉索傾角和來(lái)流風(fēng)偏角等對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振的影響。研究發(fā)現(xiàn)，斜拉索在小雨甚至“毛毛雨”的情況下容易發(fā)生振動(dòng)。Zhan等[9]設(shè)計(jì)了如圖1(d)所示的斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)裝置，并分析了斜拉索傾角、來(lái)流風(fēng)向角和結(jié)構(gòu)阻尼比等對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振的影響。結(jié)果表明，斜拉索的風(fēng)雨激振振幅與各個(gè)參數(shù)密切相關(guān)，當(dāng)阻尼比大于0.43%或模型纏繞螺旋線后，斜拉索的風(fēng)雨激振現(xiàn)象消失。

(a) 文獻(xiàn)[1]中的試驗(yàn)裝置

(b) 文獻(xiàn)[2-4]中的試驗(yàn)裝置

(c) 文獻(xiàn)[8]中的試驗(yàn)裝置

(d) 文獻(xiàn)[9]中的試驗(yàn)裝置

綜合以上文獻(xiàn)及圖1所示圖片可以看到：① 目前已開(kāi)展的斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)基本上是在開(kāi)口直流風(fēng)洞的射流區(qū)進(jìn)行，試驗(yàn)裝置的懸掛支架部分體型相對(duì)較大，這與開(kāi)口直流風(fēng)洞射流區(qū)的空間相對(duì)寬敞有一定的關(guān)系。對(duì)于射流區(qū)空間受限的回直流可變風(fēng)洞，這些試驗(yàn)裝置可能不太適用。② 目前已開(kāi)展的斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)中，降雨模擬大多采用等間距普通噴頭灑水，難以保證自然雨滴特性的模擬效果和對(duì)雨量的精確調(diào)節(jié)，因?yàn)檫@個(gè)原因，雨量對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振影響的定量研究相對(duì)不足，還有待于進(jìn)一步深化。

針對(duì)石家莊鐵道大學(xué)回直流可變大氣邊界層風(fēng)洞設(shè)計(jì)了一種斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)新裝置，該裝置包括可方便調(diào)節(jié)斜拉索模型空間姿態(tài)的懸掛支架和可高精度調(diào)節(jié)雨強(qiáng)的人工模擬降雨器。應(yīng)用該裝置開(kāi)展了一系列的風(fēng)雨激振風(fēng)洞試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了各試驗(yàn)參數(shù)，尤其是降雨強(qiáng)度對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振振幅的影響。

1 斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)新裝置的設(shè)計(jì)

為了開(kāi)展斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)研究，石家莊鐵道大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞在設(shè)計(jì)伊始即采用了回直流可變方案[10]。如圖2所示，洞體的兩個(gè)拐角沿軌道可以移開(kāi)，變回流風(fēng)洞為U型直流風(fēng)洞。本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置即放置在U型直流風(fēng)洞的射流區(qū)。

1.1 斜拉索模型懸掛支架

圖3給出了懸掛支架的各組成部分及相關(guān)尺寸。圖4為懸掛支架組裝前后的照片。從圖3和圖4可以看到，懸掛支架包括下部支座和上部架體兩部分。

(a) 回流狀態(tài)示意圖

(b) 直流狀態(tài)示意圖

上部架體包括外鋼圈(5)、內(nèi)鋼圈(6)、滾軸(7)、限位螺桿(8)、懸掛構(gòu)件(9)、定位圓柱(10)和限位鋼桿(11)。外鋼圈(5)為內(nèi)弧面開(kāi)設(shè)滑道的環(huán)弧形結(jié)構(gòu)，由兩段彎弧加工的槽鋼連接而成，圓弧的直徑為3.37 m，弧形開(kāi)口對(duì)應(yīng)的圓心角為30°。外鋼圈(5)的外弧面設(shè)置了兩個(gè)剛性支腿(51)，用來(lái)與下部底座連接。內(nèi)鋼圈(6)為安裝在外鋼圈(5)滑道內(nèi)的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，由兩段彎弧加工后的工字鋼連接而成，直徑為3.18 m。在外鋼圈(5)和內(nèi)鋼圈(6)之間設(shè)置了6個(gè)滾軸，內(nèi)鋼圈(6)的外弧面與滾軸(7)抵觸。在三個(gè)滾軸附近位置，在外鋼圈的槽鋼腹板與內(nèi)鋼圈的工字鋼腹板之間分別設(shè)置兩限位螺桿(8)。內(nèi)鋼圈(6)的內(nèi)弧面設(shè)置四個(gè)用于懸掛斜拉索模型的懸掛構(gòu)件(9)。在外鋼圈(5)頂部的外弧面設(shè)置保證架體垂直度的定位圓柱(9)和兩限位鋼桿(10)。兩限位鋼桿(10)大體垂直，一端與定位圓柱(9)鉸接，另外一端與分別與剛性連接。上部架體主要有兩個(gè)功能，其一是懸掛斜拉索模型，其二是調(diào)節(jié)斜拉索模型的傾角。斜拉索模型的傾角調(diào)節(jié)過(guò)程如下：首先，調(diào)節(jié)限位螺桿，使限位螺桿與內(nèi)鋼圈的工字鋼腹板不接觸；然后，在外鋼圈(5)的弧形開(kāi)口處施加外力，內(nèi)鋼圈、懸掛構(gòu)件及斜拉索模型便可以通過(guò)滾軸的滾動(dòng)在外鋼圈(5)內(nèi)作面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；最后，待斜拉索模型旋轉(zhuǎn)到所需的傾角位置后，調(diào)節(jié)限位螺桿，使限位螺桿頂緊內(nèi)鋼圈的工字鋼腹板。

下部支座主要包括底座(1)、中心軸(2)、限位螺栓(3)和轉(zhuǎn)盤(4)。底座(1)是由橫梁和豎梁焊接而成的方形結(jié)構(gòu)，該方形結(jié)構(gòu)長(zhǎng)3 m，寬1 m。在底座(1)的中心安裝豎直的中心軸(2)，轉(zhuǎn)盤(4)通過(guò)軸承套裝于中心軸(2)上可在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)盤(4)的上表面設(shè)置標(biāo)識(shí)旋轉(zhuǎn)角度的刻度。在軸承外側(cè)設(shè)置了用于限定轉(zhuǎn)盤(4)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的限位螺栓(3)。轉(zhuǎn)盤(4)又包括軸承套(41)、外圓環(huán)(42)、支撐板(43)、剛性套管(44)以及支腿(45)。軸承套(41)配裝在中心軸(2)的軸承上，外圓環(huán)(42)是與軸承套(41)同軸的圓環(huán)板狀結(jié)構(gòu)，軸承套(41)與外圓環(huán)(42)之間連接若干均布的支撐板(43)支撐腿(45)。在轉(zhuǎn)盤(4)上設(shè)置兩個(gè)剛性套管(44)，上部架體通過(guò)剛性支腿(51)套裝在剛性套管(44)內(nèi)。下部支座的主要有兩個(gè)功能，其一是支撐上部架體。其二是調(diào)節(jié)斜拉索模型與來(lái)流風(fēng)之間的偏角，調(diào)節(jié)過(guò)程如下：首先，調(diào)節(jié)限位螺栓，使限位螺栓與中心軸不接觸；然后，在外圓環(huán)(42)上施加外力，上部架體、斜拉索模型連同轉(zhuǎn)盤即可繞中心軸旋轉(zhuǎn)；最后，待斜拉索模型旋轉(zhuǎn)到所需的風(fēng)偏角位置后，調(diào)節(jié)限位螺桿，使限位螺桿頂緊中心軸。

(a) 支架組裝前

(b) 支架組裝后的上部架體

(c) 支架組裝后的下部支座

1.2 高精度人工模擬降雨器

圖5為人工模擬降雨器的示意圖。圖6為人工模擬降雨器的主要部件。從圖5和圖6可以看到，人工模擬降雨器位于懸掛支架的上方，主要由供水系統(tǒng)、降雨系統(tǒng)、控制采集系統(tǒng)三大部分組成。

供水系統(tǒng)主要包括水箱、水泵和供水管，其主要的功能是為整個(gè)系統(tǒng)提供水源。降雨系統(tǒng)主要包括降雨噴頭和電磁閥，其主要的功能是把供水系統(tǒng)提供的水源模擬成自然降雨，噴落到斜拉索模型上。為得到與

自然降雨相似的人工模擬降雨，采用4組旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭組。每個(gè)噴頭組由三種不同口徑的下噴式噴頭組成。每種口徑的噴頭對(duì)應(yīng)控制器上的一個(gè)開(kāi)關(guān)。通過(guò)控制開(kāi)關(guān)，可實(shí)現(xiàn)不同口徑噴頭的組合，這樣既可以保證雨滴特性的模擬效果，又可以實(shí)現(xiàn)不同雨強(qiáng)的變化。表1列出了降雨器的主要參數(shù)。控制采集系統(tǒng)主要包括控制器、雨量計(jì)和終端計(jì)算機(jī)，其主要功能是對(duì)供水系統(tǒng)和降雨系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行控制，將雨量計(jì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理。

表1 人工模擬降雨器的主要參數(shù)指標(biāo)

圖5 高精度人工模擬降雨器示意圖

2 斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)新裝置的應(yīng)用(風(fēng)雨激振的參數(shù)分析)

利用上節(jié)所述新裝置，在石家莊鐵道大學(xué)回直流可變大氣邊界層風(fēng)洞射流區(qū)開(kāi)展了一系列斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)。如圖4(b)所示，斜拉索模型的長(zhǎng)度為2.5 m，直徑為155 mm。試驗(yàn)中通過(guò)模型兩端的支撐彈簧來(lái)調(diào)節(jié)模型的頻率，通過(guò)彈簧上的橡膠阻尼圈來(lái)調(diào)整模型的阻尼比。為了記錄模型的振動(dòng)情況，在懸掛構(gòu)件與彈簧之間安裝了測(cè)力計(jì)，通過(guò)測(cè)得的力信號(hào)，經(jīng)換算可得到模型的振幅。本試驗(yàn)中斜拉索模型的頻率為1.03 Hz，阻尼比為0.11%。試驗(yàn)系統(tǒng)的Scruton值約為10左右。來(lái)流風(fēng)速為0～18 m/s，降雨強(qiáng)度為0～70 mm/h，斜拉索模型傾角的變化范圍為25°～35°，來(lái)流風(fēng)偏角的變化范圍為30°～50°。圖7為傾角α和風(fēng)偏角β的示意圖。圖8為斜拉索傾角為25°，風(fēng)偏角為35°時(shí)，斜拉索模型的振幅隨來(lái)流風(fēng)速和降雨強(qiáng)度的變化關(guān)系。圖9為降雨強(qiáng)度為10 mm/h，風(fēng)偏角為45°，不同傾角條件下斜拉索模型的振幅隨風(fēng)速的變化曲線。為了便于比較，圖中也給出了傾角為25°，風(fēng)偏角為35°的結(jié)果。圖10為降雨強(qiáng)度為10 mm/h，傾角為35°，不同風(fēng)偏角條件下斜拉索模型的振幅隨風(fēng)速的變化曲線。為了便于比較，圖中同樣給出了傾角為25°，風(fēng)偏角為35°的結(jié)果。限于篇幅，其它工況下的試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有給出。綜合對(duì)比所有試驗(yàn)工況下的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在斜拉索傾角為25°、風(fēng)偏角為35°、降雨強(qiáng)度為10 mm/h、風(fēng)速為13 m/s左右的條件下，斜拉索風(fēng)雨激振幅度最大。

(a) 控制器

(b)水箱

(c) 雨量計(jì)

(d)供水管(e)降雨噴頭

圖6 高精度人工模擬降雨器的主要部件

Fig.6 Main parts of high precision rainfall system

圖7 斜拉索模型的傾角α和風(fēng)偏角β

圖8 振幅與風(fēng)速和雨強(qiáng)的關(guān)系(傾角α=25°和風(fēng)偏角β=35°)

圖9 振幅與斜拉索傾角的關(guān)系(雨強(qiáng)10 mm/h)

3 結(jié) 論

針對(duì)石家莊鐵道大學(xué)回直流可變大氣邊界層風(fēng)洞設(shè)計(jì)了一種斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)新裝置，該裝置主要由斜拉索模型懸掛支架和高精度人工模擬降雨器兩部分組成。應(yīng)用該裝置開(kāi)展了一系列的風(fēng)雨激振風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了各試驗(yàn)參數(shù)，尤其是降雨強(qiáng)度對(duì)斜拉索風(fēng)雨激振振幅的影響，主要得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

圖10 振幅與風(fēng)偏角的關(guān)系(雨強(qiáng)10 mm/h)

(1) 與已有的斜拉索風(fēng)雨激振試驗(yàn)裝置相比，該新裝置的適用范圍更廣，不僅可在開(kāi)口直流風(fēng)洞的射流區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，也可在空間受限的回直流可變風(fēng)洞的射流區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)。

(2) 該裝置不僅可以比較方便地調(diào)節(jié)斜拉索的傾角和斜拉索與來(lái)流風(fēng)之間的偏角，而且可以實(shí)現(xiàn)自然雨滴特性的模擬和雨量的控制，從而提高了試驗(yàn)的效率和精確度。

(3) 針對(duì)選定的直徑為155 mm的斜拉索，在傾角為25°、風(fēng)偏角為35°、降雨強(qiáng)度為10 mm/h、風(fēng)速為13 m/s左右的條件下，斜拉索風(fēng)雨激振的幅度最大。

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Design and application of a new test rig for stay cables’ rain-wind induced vibration

LIU Xiaobing1,2, CHEN Shuai3, ZHENG Yunfei3, LIU Qingkuan1,2, MA Wenyong1,2

(1. Structural Health Monitoring Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2. Hebei Provincial Key Lab of Structural Health Monitoring and Control, Shijiazhuang 050043, China;3. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Aiming at the variable reflux/DC atmospheric boundary layer wind tunnel in Shijiazhuang Tiedao University, a new test rig for stay cables’ rain-wind induced vibration was designed. Its components and working principle were introduced. A series of wind tunnel tests for stay cables’ rain-wind induced vibration were performed using this test rig. The effects of rainfall intensity, inclination angle of cable, wind yaw angle and wind velocity on stay cables’ rain-wind induced vibration were studied. The test results showed that the designed test rig can meet wind tunnel tests’ requirements for stay cables’ rain-wind induced vibration; for a cable with a diameter of 155 mm under the conditions of inclination angle 25°, wind yaw angle 35°, rainfall intensity 10 mm/h and wind velocity 13 m/s, its rain-wind induced vibration amplitude reaches the maximum..

stay cables; rain-wind induced vibration; test rig; wind tunnel test

國(guó)家自然科學(xué)基金(51308359; 51378323)；河北省自然科學(xué)基金(E2014210138)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究基金(QN2015213)

2016-07-27 修改稿收到日期：2016-11-11

劉小兵 男，博士，副教授，1982年3月生

劉慶寬 男，博士，教授，1971年1月生

E-mail:lqk@stdu.edu.cn

U441.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.034