風(fēng)屏障對(duì)扁平箱梁氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響

喻寶金，喬張旺，付麗

(江西省交通工程集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330000)

由于特殊地理位置因素及現(xiàn)代交通大力發(fā)展的需要，大跨度橋梁越來(lái)越多地被設(shè)計(jì)師們采用，扁平鋼箱梁是此類橋型的重要主梁形式之一。國(guó)外已建成通車的幾座有代表性的大跨橋梁，如1981年建成的主跨為1 410 m的亨伯大橋；1996年建成的主跨為1 624 m的大貝爾特橋。中國(guó)自20世紀(jì)90年代開始，先后建成江陰長(zhǎng)江大橋、潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江大橋、蘇通長(zhǎng)江大橋及舟山西堠門大橋，其中，舟山西堠門大橋是中國(guó)國(guó)內(nèi)最大跨徑懸索橋，且躋身世界同類型橋梁跨度排名前三甲。

跨?？缃髽蚣吧絽^(qū)峽谷橋梁，橋址處風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，橋面高度處風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地面常遇風(fēng)速。為保障橋上車輛的行車安全性及舒適性，設(shè)計(jì)者們往往會(huì)采取加設(shè)風(fēng)屏障等措施，而扁平鋼箱梁懸索橋或斜拉橋，因其自身剛度小、跨度大等特點(diǎn)，其氣動(dòng)穩(wěn)定性對(duì)結(jié)構(gòu)外形極其敏感。

已有學(xué)者對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)作用做了一定的研究。如李波等采用數(shù)值模擬的方法，研究了防風(fēng)柵對(duì)高速列車的擋風(fēng)作用；何瑋等采用風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了在橋上設(shè)置不同高度風(fēng)屏障后車-橋系統(tǒng)的氣動(dòng)參數(shù)及橋面周圍風(fēng)環(huán)境；黃斌等利用風(fēng)洞試驗(yàn)的手段，研究了跨海大橋橋面風(fēng)環(huán)境，對(duì)比驗(yàn)證了加設(shè)風(fēng)屏障后橋面風(fēng)環(huán)境的優(yōu)化效果。以上研究主要針對(duì)的是風(fēng)屏障對(duì)車-橋系統(tǒng)的氣動(dòng)參數(shù)或橋面風(fēng)環(huán)境，而對(duì)于橋梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性研究較少，因此，該文所做研究較為必要。

該文以中國(guó)國(guó)內(nèi)某大跨懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，建立三維有限元模型，計(jì)算其動(dòng)力特性，并依此采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)手段，研究不同開孔形式的風(fēng)屏障對(duì)主梁氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響。

1 工程背景及橋梁動(dòng)力特性

某大跨鋼箱梁懸索橋跨度布置為(290+1 160+402) m=1 852 m，橋面寬34.7 m，布置雙向六車道，主梁高2.8 m，主梁采用流線形鋼箱梁。其整體布置及主梁橫截面如圖1所示。

圖1 某大跨鋼箱梁懸索橋型圖(單位：m)

該橋所處河段兩岸為低山丘陵地區(qū)，河道呈東南走向，平面形態(tài)順直，尾部微彎，南岸為丘陵及山麓斜坡堆積地貌，北岸為丘陵與長(zhǎng)江階地地貌，橋址處屬于B類地表。橋位處離地面10 m高，重現(xiàn)期為100年10 min平均最大風(fēng)速為31.5 m/s，即設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為31.5 m/s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為59.3 m/s。

利用大型有限元軟件Ansys建立三維橋梁模型，并計(jì)算其動(dòng)力特性，結(jié)果如表1所示。

表1 成橋狀態(tài)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

基于人體舒適度及行車安全性的考慮，渦激振動(dòng)振幅的限制值，參考JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中第7.2.6條，主梁渦激振動(dòng)振幅須小于規(guī)定的容許值，其容許值如下：

主梁豎向渦振振幅容許值：

[ha]=0.04/fh=0.279 m

主梁扭轉(zhuǎn)渦振振幅容許值：

[θa]=4.56/(Bft)=0.376°

式中：B為主梁寬度；fh、ft分別為結(jié)構(gòu)豎彎、扭轉(zhuǎn)基頻。

2 試驗(yàn)概述

不同開孔形式風(fēng)屏障的防風(fēng)效果有所區(qū)別，為考察風(fēng)屏障的開孔形式對(duì)主梁氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響，設(shè)置條形孔及圓形孔兩種形式(透風(fēng)率相同)風(fēng)屏障，對(duì)比原方案(無(wú)風(fēng)屏障)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。風(fēng)屏障開孔形式如圖2所示。試驗(yàn)采取縮尺比為1∶50的節(jié)段模型，由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運(yùn)動(dòng)和繞模型軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。試驗(yàn)支架置于洞壁外，以免干擾試驗(yàn)流場(chǎng)，來(lái)流為均勻流，選取+3°、0°和-3°共3個(gè)攻角，共3(攻角)×3(模型)=9種試驗(yàn)工況。

圖2 風(fēng)屏障開孔形式

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 顫振試驗(yàn)

大跨度流線形箱梁橋梁，雖然其跨越能力較大，優(yōu)勢(shì)明顯，但其氣動(dòng)穩(wěn)定性問(wèn)題較其他主梁類型的橋梁更為突出。風(fēng)對(duì)其造成的病害是多方面的，其風(fēng)致振動(dòng)形式亦多種多樣，有顫振、馳振、抖振及渦振4種主要形式，其中最為致命的當(dāng)屬風(fēng)致顫振。顫振是一種可能發(fā)散的自激振動(dòng)，著名的塔科馬大橋風(fēng)毀事故就是由于橋梁發(fā)生顫振失穩(wěn)導(dǎo)致的。

各攻角下3種方案的顫振試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 各方案顫振試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知：加設(shè)風(fēng)屏障后，主梁顫振臨界風(fēng)速有所降低，但原方案顫振臨界風(fēng)速較檢驗(yàn)風(fēng)速有較大富余，加設(shè)風(fēng)屏障后仍滿足規(guī)范要求。風(fēng)屏障對(duì)主梁的顫振穩(wěn)定性有一定程度的減弱，其開孔形式對(duì)主梁顫振穩(wěn)定性的影響略有異同，差異不大。

3.2 渦振試驗(yàn)

渦激振動(dòng)是由于氣流經(jīng)過(guò)橋梁后產(chǎn)生漩渦并脫落引起的，漩渦脫落頻率接近橋梁自振頻率時(shí)有發(fā)生，渦激振動(dòng)是介于強(qiáng)迫振動(dòng)與自激振動(dòng)之間的一種振動(dòng)形式。雖然渦激振動(dòng)是一種自限幅的振動(dòng)形式，不會(huì)像顫振那樣引起結(jié)構(gòu)破壞，但容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞損壞，或影響橋上行車或人員的通行舒適性。

+3°、0°及-3°攻角下，原方案、增設(shè)條形孔風(fēng)屏障方案和增設(shè)圓孔形風(fēng)屏障方案的扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)響應(yīng)如圖3所示。

圖3 不同攻角下各方案扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)

由圖3可知：0°和-3°攻角下，3種方案均未出現(xiàn)較為明顯的扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)；當(dāng)來(lái)流攻角為+3°時(shí)，3種方案均發(fā)生了較為顯著的扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)。其中，原方案渦激振幅最大，增設(shè)條形孔風(fēng)屏障方案次之，增設(shè)圓孔形風(fēng)屏障方案最小，且該方案渦振位移的最大值小于規(guī)范容許值，滿足要求。

各攻角下3種方案的豎向渦振位移如圖4所示。

圖4 不同攻角下各方案豎向振動(dòng)響應(yīng)

由圖4可知：原方案在+3°攻角下發(fā)生了一定程度的豎向渦激振動(dòng)，增設(shè)條形孔風(fēng)屏障或圓形孔風(fēng)屏障，均能有效抑制主梁渦激振動(dòng)的發(fā)生，提高其渦振穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)手段，對(duì)比研究了條形孔風(fēng)屏障和圓形孔風(fēng)屏障對(duì)扁平箱梁氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 風(fēng)屏障的設(shè)置，一定程度上會(huì)降低該橋梁斷面的顫振穩(wěn)定性。

(2) 風(fēng)屏障可以有效抑制扁平箱梁的渦激振動(dòng)，相同透風(fēng)率情況下，圓形孔風(fēng)屏障對(duì)扁平箱梁渦振性能的提高更為積極。

(3) 不同開孔形式的風(fēng)屏障的防風(fēng)效果有差異驗(yàn)證了業(yè)界關(guān)于此類流線形梁體對(duì)氣動(dòng)外形十分敏感的結(jié)論。

(4) 不同開孔形式導(dǎo)致風(fēng)屏障防風(fēng)效果產(chǎn)生差異的機(jī)理有待進(jìn)一步研究。