人行護(hù)欄位置對大跨徑懸索橋抗風(fēng)性能的影響研究

吳瀟瀟

摘 要：針對某大跨徑懸索橋進(jìn)行了成橋狀態(tài)的風(fēng)洞試驗，發(fā)現(xiàn)其在+5°、+3°攻角下發(fā)生了豎向渦激振動，且均具有高、低風(fēng)速兩個鎖定區(qū)。試驗中發(fā)現(xiàn)，改變?nèi)诵械罊跅U的位置可有效降低豎向振幅，縮小渦振區(qū)間。為分析其影響機(jī)理，采用計算流體力學(xué)（CFD）手段對比了兩種工況下的尾流渦脫形態(tài)，發(fā)現(xiàn)隨著人行道欄桿的移動，尾流漩渦脫落由“2s”模式退化為‘S模式，強(qiáng)度降低，渦激力反饋削弱，因此可起到理想的抑振效果。

關(guān)鍵詞：人行道護(hù)欄；大跨度懸索橋；抑振措施；CFD

中圖分類號：U417.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006—7973（2017）08-0067-03

大跨徑懸索橋剛度低、阻尼小，易在風(fēng)作用下產(chǎn)生振動，許多橋梁均發(fā)生了渦激振動，導(dǎo)致了橋梁的疲勞破壞。主梁外形對渦激振動的發(fā)生至關(guān)重要，即使是外形上的微小變化都會對渦激振動造成明顯影響。風(fēng)速鎖定區(qū)及最大振幅是橋梁渦激振動的兩個重要參數(shù)，當(dāng)主梁的渦振響應(yīng)超過規(guī)范容許值時，可以采用安裝風(fēng)嘴、導(dǎo)流板、體外阻尼器等附加裝置來達(dá)到抑振的效果。但相對于增加這些附加裝置，改變橋面固有附屬構(gòu)件的設(shè)計構(gòu)造來滿足抗風(fēng)性能無疑是更經(jīng)濟(jì)、更方便且更能保持橋梁美觀性的措施。本文針對初步設(shè)計成橋態(tài)即出現(xiàn)較大渦振響應(yīng)的某大跨徑懸索橋，在風(fēng)洞試驗中對比分析了改變?nèi)诵凶o(hù)欄位置前后的渦振反應(yīng)，并從流態(tài)模式的角度對其抑振機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 工程概況

1.1 工程背景

某大跨度懸索橋全長1200.0m，分成跨江主橋和南北引橋兩部分，其中主跨跨度為880.0m，主纜邊跨250.0m，主跨矢跨比為1/6.8，兩根主纜的中心距離為35.2m，如圖1。主梁為扁平鋼箱梁，寬36m，中心處梁高4.5m，高寬比1/8，設(shè)2%雙向排水坡。主塔為門式框架，基礎(chǔ)為分離式承臺。索端為重力式錨定，基礎(chǔ)為明挖擴(kuò)大型。主纜由110股127f5.1mm鍍鋅高強(qiáng)鋼絲按照標(biāo)準(zhǔn)形式合成。

1.2 動力特性計算

懸索橋動力特性計算基于大型有限元分析軟件Ansys，主要是為了獲取橋梁各階振型和頻率。表1給出了其前20階振型對應(yīng)的頻率。

2 風(fēng)洞試驗

風(fēng)洞試驗的目的是檢驗該懸索橋是否發(fā)生渦激振動，測量其發(fā)振風(fēng)速和振幅。試驗在某工業(yè)風(fēng)洞中進(jìn)行，主梁節(jié)段模型縮尺比1：50，長L=2.1m，寬B=0.72m，高D=0.09m。模型由8根彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運(yùn)動和繞軸線轉(zhuǎn)動的二自由度振動系統(tǒng)。圖2為主梁渦振試驗圖，表2給出了模型設(shè)計參數(shù)的要求值與實際值的對比，可見本試驗的相似性滿足得很好。

3 CFD求解

3.1 求解設(shè)置

數(shù)值模擬軟件為Ansys Fluent 15.0，主梁外形為二維，湍流模型為SST k-ω模型，壓力速度耦合選用SIMPLEC算法，離散格式為二階迎風(fēng)插值，計算殘差控制為1×10-5。為更好地捕捉尾流渦脫，取定時間步長為0.002s。

3.2 計算域與網(wǎng)格劃分

在前處理軟件GAMBIT中形成計算網(wǎng)格，上下邊界取自由滑移壁面條件，入口為速度條件，出口為壓力條件，斷面及其附屬物外壁均為無滑移的wall壁面。

由于渦激振動數(shù)值模擬涉及到動網(wǎng)格的處理，為避免網(wǎng)格在運(yùn)動過程中可能出現(xiàn)的畸變現(xiàn)象，將計算域從內(nèi)到外劃分為模型壁面、剛性區(qū)域、動網(wǎng)格區(qū)域、外部靜止網(wǎng)格區(qū)域。

為滿足SST k-ω湍流模型的計算需要，壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格。動網(wǎng)格區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，外部靜止區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流場變化劇烈的地方劃分較細(xì)，計算域共計劃分174， 938個單元。

4 結(jié)果

4.1 人行欄桿位置對渦振的影響

為研究人行護(hù)欄位置對于主梁渦振性能的影響，將初始設(shè)計成橋態(tài)（工況0）的人行道護(hù)欄向斷面內(nèi)側(cè)移動20mm（換算至實橋為1.00m），并以工況1表示。圖3為+5°攻角及+3°攻角下護(hù)欄位置對豎向渦振響應(yīng)的影響。對比可見，工況0在+5°、+3°攻角下均發(fā)生了豎彎渦振，且均有兩個渦振鎖定區(qū)。

隨著欄桿的內(nèi)移，+5°攻角下的高、低風(fēng)速兩個渦振區(qū)的振幅響應(yīng)值和鎖定區(qū)范圍均明顯減?。欢?3°攻角下的高風(fēng)速鎖定區(qū)振幅響應(yīng)值大幅降低，低風(fēng)速鎖定區(qū)則完全消失。由此可見，將人行護(hù)欄內(nèi)移可明顯降低原設(shè)計成橋態(tài)豎向渦振的振幅響應(yīng)值和鎖定區(qū)風(fēng)速范圍，制振效果明顯。

4.2 制振機(jī)理分析

為分析人行道欄桿內(nèi)移具有良好制振效果的流態(tài)機(jī)理，圖4給出了初始設(shè)計成橋態(tài)（工況0）與人行護(hù)欄內(nèi)移后的成橋態(tài)（工況1）在最大振幅點(diǎn)風(fēng)速下的尾流渦脫形態(tài)演變圖。圖中對于渦量的計算和判定基于速度梯度張量來描述局部漩渦，即通過判斷渦核來識別流場中的漩渦，具體判據(jù)為：

首先分析工況0的渦脫形態(tài)，很明顯，附屬結(jié)構(gòu)物附近均有漩渦產(chǎn)生，其中占主導(dǎo)地位的是上表面背風(fēng)側(cè)的一對和下表面尾流區(qū)的一對“S”渦，這兩對漩渦周期性融合為一個大漩渦，在尾流中呈“2S”形向下游脫落。

而隨著人行欄桿向斷面內(nèi)移動，工況1尾流中的“2S”的渦脫形態(tài)退化為“S”渦，且漩渦的脫落強(qiáng)度大大降低。主要原因在于欄桿內(nèi)移后，迎風(fēng)側(cè)氣流向斷面下方剝離的部分減小，下表面的“S”渦強(qiáng)度和范圍均明顯減小，其脫落到尾流中則很容易被上表面“S”渦吸收融合為一體；另一方面，欄桿內(nèi)移后，上表面人行護(hù)欄處的流動分離放緩，部分初生漩渦超人行護(hù)欄空隙處運(yùn)動，但被其后的防撞欄桿阻擋而消散。因此，向后方脫落的初生漩渦大幅減少，渦結(jié)構(gòu)開始不穩(wěn)定。受上述兩方面因素的影響，工況1的上、下方漩渦在近尾流區(qū)并未擺脫斷面控制，而是呈“魚尾狀”隨斷面上下擺動，至下游一定距離后才開始交替脫落，但漩渦強(qiáng)度及橫風(fēng)向尺度大幅降低。這就解釋了主梁在正攻角下的豎向渦振響應(yīng)隨護(hù)欄內(nèi)移而降低的試驗現(xiàn)象。

5 結(jié)論

采用風(fēng)洞試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段研究了主梁高寬比為1/8的大跨度懸索橋的渦激振動特性，分析了人行道欄桿位置對其的影響及其影響機(jī)理。得到的主要結(jié)論為：本橋的初始設(shè)計成橋態(tài)主梁斷面在+3°和+5°大風(fēng)攻角下均觀察到了豎向渦激振動，且均具有高、低風(fēng)速兩個渦振區(qū)，主要原因在于附屬構(gòu)件的不合理設(shè)計；將人行道欄桿適當(dāng)內(nèi)移后，主梁斷面尾流中的“2S”的渦脫形態(tài)退化為“S”渦，且漩渦的脫落強(qiáng)度大大降低，因此可有效降低大風(fēng)攻角下成橋態(tài)主梁斷面豎向渦振的響應(yīng)值和鎖定區(qū)范圍，制振效果顯著。該制振措施相對于增設(shè)附加抑振裝置更簡單可行，可作為大跨度橋梁抗風(fēng)性能優(yōu)化的首選抑振措施。

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