單索面大跨懸索橋渦激振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)及其氣動(dòng)優(yōu)化

馬躍騰

(南寧市富申建設(shè)投資有限責(zé)任公司，廣西南寧 530299)

1 概述

單索面懸索橋由于造型美觀，結(jié)構(gòu)新穎，在城市跨江橋梁上得到越來越廣泛的應(yīng)用。但這類橋梁由于扭轉(zhuǎn)剛度小、阻尼低，是風(fēng)致振動(dòng)的敏感結(jié)構(gòu)，而市政橋梁斷面往往設(shè)置了較高的人行道，使得橋梁斷面抗風(fēng)性能惡化，更容易在風(fēng)的作用發(fā)生較大振幅的渦激振動(dòng)和導(dǎo)致橋梁破壞的顫振。

本文以南寧市某座大跨單索面懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了該橋的抗風(fēng)性能。該橋主橋橋型采用單主纜懸索橋,跨度組合為45 m+410 m+45 m，橋塔為鋼混組合，主梁為鋼箱梁，如圖1所示。大橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)取100 a重現(xiàn)期，橋面距離水面的高度為32 m，該橋主梁高度處設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為30.1 m/s。

(a) 立面

(b) 橋梁縱斷面

(c) 橋梁橫斷面

圖1 橋型布置

2 主梁節(jié)段模型渦激振動(dòng)試驗(yàn)及氣動(dòng)外形優(yōu)化

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文主要利用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行研究，模型縮尺比為1∶50，模型長(zhǎng)L=2.095m，寬B=0.76m，高H=0.07m，寬高比L/B=2.86。為控制模型的質(zhì)量及質(zhì)量慣矩，并保證模型自身具有足夠剛度，模型采用優(yōu)質(zhì)木材及塑料板制作。橋面防撞護(hù)欄、墊石、扶手欄桿、檢修軌道等附屬構(gòu)件均采用工程塑料由數(shù)控雕刻機(jī)制作而成。試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-1工業(yè)風(fēng)洞第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，該試驗(yàn)段設(shè)有專門進(jìn)行橋梁節(jié)段模型動(dòng)力試驗(yàn)的裝置。渦振試驗(yàn)所采用的模型與顫振試驗(yàn)相同。節(jié)段模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上(圖2)。由于渦激共振的發(fā)生不依賴于彎扭耦合機(jī)制，因而對(duì)模型系統(tǒng)無扭彎頻率比的要求。鑒于渦振通常發(fā)振風(fēng)速較低，為降低模型風(fēng)速比，采用剛度較大的彈簧以提高模型的自振頻率。試驗(yàn)中模擬了成橋狀態(tài)和100 %吊裝施工狀態(tài)。試驗(yàn)阻尼比分別按0.3 %和0.5 %設(shè)置，如表1所示。

圖2 動(dòng)力節(jié)段模型照片

表1 動(dòng)力模型試驗(yàn)參數(shù)

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，成橋狀態(tài)一階對(duì)稱豎彎、扭轉(zhuǎn)渦激共振的振幅容許值分別為：

豎向[ha]=0.04/fh=0.04/0.2887=0.137m

扭轉(zhuǎn)[θα]=4.56/fαB=4.56/(0.6609×38)=0.182°

2.2 原設(shè)計(jì)方案渦激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

圖3為試驗(yàn)時(shí)成橋狀態(tài)主梁斷面圖，圖4為原方案的豎向及扭轉(zhuǎn)風(fēng)致振動(dòng)曲線，試驗(yàn)選取阻尼比為0.3 %。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在成橋狀態(tài)下，-5°及-3°攻角未發(fā)現(xiàn)明顯的渦激振動(dòng)；0°、+3°及+5°攻角均發(fā)現(xiàn)了明顯的豎向以及扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)現(xiàn)象，其中+3°及+5°攻角情況渦激共振現(xiàn)象較為嚴(yán)重，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了規(guī)范要求值。

圖3 原設(shè)計(jì)橋梁斷面

但是，該橋的試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)風(fēng)速小于20 m/s和25 m/s時(shí)，有四個(gè)模態(tài)可能出現(xiàn)較大振幅的豎向渦激振動(dòng)。在16 m/s風(fēng)速左右，第一扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)。+3°攻角情況下，出現(xiàn)了第二扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，風(fēng)速為32～35 m/s出現(xiàn)第二個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)。

根據(jù)英國(guó)BS5400規(guī)定，當(dāng)渦激振動(dòng)的風(fēng)速大于20 m/s時(shí)，抖振振幅大于渦激振動(dòng)，因此不再考慮大于20 m/s時(shí)渦激振動(dòng)的振幅。另外，根據(jù)我國(guó)橋梁通行的有關(guān)規(guī)定，當(dāng)風(fēng)速大于25 m/s時(shí)，橋梁限制通行，因此不會(huì)造成影響。因此，本橋關(guān)注的重點(diǎn)是小于25 m/s出現(xiàn)渦激振動(dòng)的情況。從圖可以看出，該橋的渦振性能均不滿足要求，必須根據(jù)該橋的具體情況，通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)該橋的主梁斷面形式進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化，以消除潛在的渦激振動(dòng)的危險(xiǎn)。

(a)豎向振動(dòng)

(b)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)圖4 原始橋梁斷面試驗(yàn)渦激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果

2.3 基于渦激振動(dòng)性能主梁氣動(dòng)外形優(yōu)化

為了從根源上抑制或減小主梁渦激振動(dòng)振幅，進(jìn)一步進(jìn)行節(jié)段模型渦激振動(dòng)試驗(yàn)，從而找到最佳的渦振抑制方案，如圖5所示。通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果將橋梁的風(fēng)嘴改小一點(diǎn)，如圖6所示，橋梁的渦激振動(dòng)特性將會(huì)大幅度改善。如果在檢修車軌道上再設(shè)置導(dǎo)流板，制振效果更為明顯，如圖7所示。這兩種方式均能滿足規(guī)范要求。

(a)將風(fēng)嘴變小

(b)檢修車軌道設(shè)置導(dǎo)流板圖5 優(yōu)化斷面

(a)豎向振動(dòng)

(b)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)圖6 將風(fēng)嘴變小后的風(fēng)致振動(dòng)曲線

(a)豎向振動(dòng)

(b)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)圖7 施加導(dǎo)流板后主梁的風(fēng)致振動(dòng)曲線

由于欄桿對(duì)主梁的渦激振動(dòng)有很大的影響，可以優(yōu)化欄桿，進(jìn)而消除振動(dòng)的影響。將人行道欄桿改造成如圖8所示的模式，即人行欄桿具體構(gòu)件形式按照原設(shè)計(jì)方案不變，僅將人行欄桿一封三空，即實(shí)際橋面上人行欄桿2 m(封閉)+6 m(鏤空)+2 m(封閉)+6 m(鏤空)的形式布置。渦激振動(dòng)試驗(yàn)的結(jié)果見圖9。

圖8 欄桿優(yōu)化方案

(a)豎向振動(dòng)

(b)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)圖9 欄桿優(yōu)化后主梁的風(fēng)致振動(dòng)曲線

3 結(jié)論

(1)通過主梁節(jié)段模型渦激振動(dòng)試驗(yàn)可知，原主梁方案在0°及+3°攻角下均會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的渦激振動(dòng)現(xiàn)象，通過系列斷面優(yōu)化試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用優(yōu)化可以達(dá)到消除渦激振動(dòng)的目的，并消除了低風(fēng)速下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。即使0.3 %的低阻尼和+5°情況下，也能達(dá)到規(guī)范要求，其具有足夠的富裕量。

(2)盡管該橋風(fēng)洞試驗(yàn)中出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)，但是扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)的風(fēng)速較高，超出了本橋的設(shè)計(jì)風(fēng)速，不會(huì)危害橋梁的安全。

(3)欄桿優(yōu)化方案即消除了豎向渦激振動(dòng)，也將扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)消除?？紤]到該橋是市政橋梁，對(duì)美學(xué)有著很高的要求，前兩個(gè)方案更適合于本橋。