上跨鐵路橋梁主梁渦振性能及抑振措施研究

龍俊賢， 李前名，任達(dá)程， 羅穎*， 韓艷

(1.中鐵武漢勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430074； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院)

1 引言

渦振是橋梁結(jié)構(gòu)在較低風(fēng)速下容易發(fā)生的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，為限幅振動(dòng)，不像顫振那樣存在失穩(wěn)的危險(xiǎn)。然而，由于其發(fā)生的頻率高、風(fēng)速低，不僅影響結(jié)構(gòu)的疲勞和強(qiáng)度，而且會(huì)降低行車的舒適度甚至?xí)绊懙浇煌ò踩?。如中?guó)西堠門大橋、日本東京灣跨海大橋等橋梁均出現(xiàn)了明顯的渦振現(xiàn)象，影響了橋梁的正常使用。因此研究橋梁結(jié)構(gòu)的渦振性能并找到必要的抗風(fēng)減振措施，把渦振的最大振幅限制在容許范圍之內(nèi)具有重要的工程意義。

目前，橋梁渦振的危害已經(jīng)引起風(fēng)工程界的高度重視，學(xué)者們針對(duì)渦振現(xiàn)象及其控制開(kāi)展了大量研究。其中，風(fēng)洞試驗(yàn)是一種模擬渦振過(guò)程流固耦合現(xiàn)象最為普遍的研究手段，也是一種預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)渦振性能的手段，包括節(jié)段模型試驗(yàn)和全橋氣彈模型試驗(yàn)。Frandsen通過(guò)比較節(jié)段模型、全橋氣彈模型、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算表明：全橋氣彈模型渦振模擬結(jié)果在響應(yīng)幅值和鎖定風(fēng)速范圍方面都明顯小于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及節(jié)段模型；周帥等也指出，全橋氣彈模型由于縮尺比小而導(dǎo)致模型斷面誤差大、制作復(fù)雜并且試驗(yàn)周期長(zhǎng)；相對(duì)地，節(jié)段模型由于縮尺比較大，能更方便地研究橋梁斷面的變化對(duì)渦振性能產(chǎn)生的影響，并且周期短、成本小。鑒于此，許多研究采用節(jié)段模型試驗(yàn)研究橋梁渦振特性。

當(dāng)前抑制主梁渦振的方法主要有氣動(dòng)措施和機(jī)械措施兩類。從空氣動(dòng)力學(xué)出發(fā)，采用氣動(dòng)措施能從根本上抑制或減弱渦振現(xiàn)象，具有較好的可靠性，為大量橋梁所采用。Nagao等研究了護(hù)欄類型與位置對(duì)橋梁渦振性能的影響；朱思宇等研究了檢修車軌道位置和檢修車軌道導(dǎo)流板設(shè)置、橋面防撞護(hù)欄類型、人行道防撞護(hù)欄類型以及阻尼比和攻角等對(duì)加勁梁渦振性能的影響；李永樂(lè)等研究了改變檢修車軌道位置和改變欄桿形式對(duì)主梁渦振性能的影響；崔欣等研究了改變欄桿透風(fēng)率對(duì)主梁渦振性能的影響；李春光等研究了設(shè)置檢修車、欄桿抑流板和改變風(fēng)嘴角度對(duì)主梁渦振性能的影響；郭增偉等和方根深等研究了設(shè)置抑流板對(duì)主梁渦振性能的影響；廖海黎等研究了設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)主梁渦振性能的影響。

對(duì)于橋梁斷面而言，盡管已經(jīng)提出了多種氣動(dòng)優(yōu)化措施用于抑制渦振，但是各種措施抑振機(jī)理并不明確，缺乏普適性。同時(shí)，有的措施還會(huì)對(duì)動(dòng)力穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。因此，就目前而言，橋梁渦振控制仍需要在風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中不斷摸索，反復(fù)嘗試。

該文以四川省達(dá)州市金南大道西延線二期工程上跨鐵路橋梁為研究背景，開(kāi)展主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究。首先，探討現(xiàn)有主梁斷面的渦振性能，然后研究設(shè)置抑流板、調(diào)整檢修車軌道位置、改變鋼板墻外形或透風(fēng)率等氣動(dòng)措施對(duì)主梁渦振性能的影響。最后，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果予以分析和總結(jié)。

2 工程背景

達(dá)州市金南大道西延線二期工程上跨鐵路主橋，擬建線路地處達(dá)州市西外鎮(zhèn)城區(qū)及城郊，橋梁東側(cè)位于城區(qū)，緊鄰火車站；橋梁西側(cè)位于城郊，交通較方便，但周邊無(wú)較高建筑，大多都是農(nóng)用自留地、未經(jīng)開(kāi)采的荒地和山地，使橋址的風(fēng)環(huán)境比較復(fù)雜。橋梁區(qū)位如圖1所示。

圖1 橋梁區(qū)位圖

主橋采用(105+310+155) m雙塔單索面不對(duì)稱斜拉橋，主塔設(shè)計(jì)為縱向“人”字形，高86 m，由下、中、上塔柱和塔冠4部分組成。大橋主跨310 m，西側(cè)接橋臺(tái)，東側(cè)引橋采用(5×25 m)預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆連續(xù)箱梁，橋梁總長(zhǎng)700 m，如圖2所示。主橋加勁梁采用鋼混結(jié)合梁，橫斷面全寬35 m，鋼箱梁中心高2.743 m，底板寬16 m，底板兩邊6 m 寬度范圍設(shè)置變高，兩側(cè)高度 1.1 m。箱梁兩側(cè)設(shè)置 3.5 m 寬翼緣板，端部梁高 0.28 m，主跨的標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖3所示。由于該橋梁是上跨鐵路橋梁，為保證橋下行車安全，主梁斷面兩端設(shè)置了不透風(fēng)的鋼板墻，不利于結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)。因此，針對(duì)主梁斷面形式，有必要開(kāi)展風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

圖2 橋梁總體立面圖(單位：m)

圖3 橋梁主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：cm)

3 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

該橋的風(fēng)洞試驗(yàn)采用1∶50的縮尺比?；谟邢拊浖M(jìn)行建模，根據(jù)動(dòng)力特性分析，橋梁主要模態(tài)如表1所示。

表1 橋梁主要模態(tài)

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，結(jié)合橋址區(qū)的地形地貌特點(diǎn)，推算得出橋面高度處主梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd為33.08 m/s。

基于節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，將對(duì)上跨鐵路橋梁主梁(鋼混結(jié)合梁，阻尼比不能超過(guò)1%)斷面的渦振性能進(jìn)行研究，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果考慮是否需要采取抑振措施。成橋狀態(tài)渦振試驗(yàn)主要參數(shù)如表2所示。

表2 成橋狀態(tài)渦振試驗(yàn)主要參數(shù)

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》第8.2.9條規(guī)定，豎向和扭轉(zhuǎn)渦振的振幅應(yīng)滿足如下要求：

(1)

式中:hv和θt分別為豎向渦振振幅(m)和扭轉(zhuǎn)渦振振幅(°)；γv和γt為渦振分項(xiàng)系數(shù)，采用風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)均取1.0；fv和ft分別為豎向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率(Hz)；B為主梁特征寬度。

根據(jù)式(1)，橋梁豎向和扭轉(zhuǎn)渦振振幅允許值分別為0.089 9 m和0.185°?？紤]到風(fēng)洞試驗(yàn)中的渦振并非是完全等幅的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，后續(xù)采用振動(dòng)的均方差對(duì)渦振限值進(jìn)行分析。根據(jù)簡(jiǎn)諧振動(dòng)下振幅和均方差的關(guān)系，橋梁豎向和扭轉(zhuǎn)位移均方差允許值分別為0.063 6 m和0.131°。

根據(jù)該風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，-3°、0°和+3°風(fēng)攻角作用下，主梁斷面的豎向位移和扭轉(zhuǎn)位移均方根值隨風(fēng)速變化的曲線如圖4所示。

圖4 不同攻角下主梁振動(dòng)位移均方根值隨風(fēng)速變化曲線

由圖4可以看到：雖然主梁斷面在-3°攻角和0°攻角時(shí)的渦振響應(yīng)幅值均較小，但是在+3°攻角試驗(yàn)工況中豎向渦振響應(yīng)幅值已明顯超過(guò)規(guī)范允許值(0.063 6 m)，因此需要采取抑制措施控制該主梁渦振。

4 主梁渦振抑制措施研究

由圖4可知：隨著風(fēng)攻角由負(fù)向正變化，渦振現(xiàn)象逐漸加劇，+3°攻角工況渦振現(xiàn)象最為顯著?？紤]到+3°風(fēng)攻角為最不利情況，后續(xù)將基于該風(fēng)攻角開(kāi)展渦振抑制措施分析。

如前所述，氣動(dòng)措施能從根本上抑制或減弱渦振現(xiàn)象。因此，考慮到橋梁斷面的構(gòu)造特點(diǎn)并借鑒已有研究成果，后續(xù)將考慮3種不同的氣動(dòng)抑振措施(設(shè)置抑流板、優(yōu)化檢修車軌道位置和優(yōu)化鋼板墻形式)來(lái)抑制渦振，具體工況匯總見(jiàn)表3。

表3 工況匯總

續(xù)表3

圖5 各工況示意圖

按表3工況進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)得到不同工況下的最大豎向振動(dòng)位移和扭轉(zhuǎn)均方根值，其結(jié)果如圖6、7所示。

圖6 各工況最大豎向振動(dòng)位移均方根圖

圖7 各工況最大扭轉(zhuǎn)均方根圖

針對(duì)表3中的3種抑振措施分析如下：

(1) 設(shè)置抑流板

設(shè)置抑流板改變了斷面上表面區(qū)域流場(chǎng)分布，使氣流在抑流板后分離而產(chǎn)生連續(xù)的旋渦脫落，改變了下方氣流移動(dòng)路徑而抑制了主導(dǎo)斷面渦振的上表面主導(dǎo)渦，最終降低區(qū)域氣動(dòng)力和渦激力的相關(guān)性，進(jìn)而無(wú)法激起整體結(jié)構(gòu)渦振效應(yīng)。

為考察設(shè)置抑流板對(duì)主梁渦振的影響，依次設(shè)置了7個(gè)工況(表3中工況1～7)。

從圖6、7可看出：抑流板寬度為50 cm時(shí)豎向渦振位移均方根超過(guò)了規(guī)范容許值，而寬度為75 cm和1 m時(shí)豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振位移均方根均較小，兩種情況的結(jié)果差別不大。因此，適當(dāng)增加抑流板寬度有利于渦振的抑制，而增加到一定寬度后，再增加抑流板寬度對(duì)渦振的影響不大。綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性，75 cm為抑流板的合理寬度，后續(xù)的角度影響也以該寬度為參考值?？梢钥吹剑S著抑流板與水平面傾斜角度逐漸增加，豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振位移均方根值沒(méi)有明顯變化。

綜上所述，在一定范圍內(nèi)，抑流板寬度對(duì)渦振控制具有明顯影響，相比而言，抑流板的角度影響有限。因此，為了有效抑制渦振，可以適當(dāng)增加抑流板寬度，并根據(jù)需要合理設(shè)置抑流板的角度。

(2) 優(yōu)化檢修車軌道位置

為考察檢修車軌道位置對(duì)主梁渦振的影響，一般情況，在添加50 cm水平45°抑流板的情況下，進(jìn)行4種檢修車軌道位置情況(工況1、8～10)的對(duì)比。

由圖6、7可知：僅添加50 cm水平45°抑流板時(shí)(檢修車軌道位置不做調(diào)整)豎向渦振位移均方根超過(guò)了規(guī)范容許值。在此基礎(chǔ)上，檢修車軌道內(nèi)移1.25 m和外移1.5 m時(shí)豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振位移均方根能降低到規(guī)范允許值以下。若檢修車軌道內(nèi)移至腹板與底板交界處時(shí)，豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振振幅有一定程度降低，不過(guò)豎向渦振振幅仍超過(guò)了規(guī)范允許值。

綜上所述，移動(dòng)檢修車能夠適當(dāng)減少渦振位移，然而沒(méi)有明顯規(guī)律。考慮到上跨鐵路橋梁對(duì)于橋下凈空的要求，該方法不便于應(yīng)用。

(3) 優(yōu)化鋼板墻形式

橋面附屬設(shè)施會(huì)使主梁上表面來(lái)流加劇分離，從而改變橋梁上表面的壓力脈動(dòng)情況；同時(shí)也會(huì)增大下表面壓力脈動(dòng)的幅值，進(jìn)而加大橋梁斷面的渦激力(渦激力是尾流動(dòng)力學(xué)性能的某種特殊體現(xiàn))，使結(jié)構(gòu)渦振加劇。由于該橋?yàn)樯峡玷F路橋梁，主梁兩端設(shè)置了鋼板墻，鋼板墻之上設(shè)置了防拋網(wǎng)，接下來(lái)附屬設(shè)施調(diào)整主要針對(duì)鋼板墻。

為了探討鋼板墻形式變化對(duì)橋梁渦振的影響，依次設(shè)置了6個(gè)工況(工況11～16)。

由圖6、7可知：提高鋼板墻透風(fēng)率(鋼板墻換成防拋網(wǎng))時(shí)的豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振位移均方根值大幅下降，渦振現(xiàn)象得到有效抑制。

在鋼板墻表面設(shè)置凸起，可以擾亂氣流，從而可以達(dá)到抑制渦振的作用。通過(guò)幾種不同形式的凸起設(shè)置，可以看到相比原有的主梁斷面，豎向渦振幅度有所下降，但仍然接近甚至超過(guò)了規(guī)范允許值，而扭轉(zhuǎn)渦振幅度變化不大。因此，在鋼板墻外設(shè)置凸起的方式作用有限，無(wú)法有效地抑制渦振現(xiàn)象的發(fā)生。

綜上所述，將鋼板墻替換成防拋網(wǎng)，提高其透風(fēng)率，能夠有效地降低渦振幅度?？紤]到該橋?yàn)樯峡玷F路橋梁，該措施可能危及橋下行車安全，需謹(jǐn)慎采用。

5 結(jié)論

以達(dá)州市金南大道西延線二期工程上跨鐵路主橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于?jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，開(kāi)展了主梁渦振性能及抑振措施研究。主要結(jié)論如下：

(1) 主梁渦振幅度隨來(lái)流風(fēng)攻角增大而逐漸加劇。

(2) 適當(dāng)增加抑流板寬度有利于抑制渦振，抑流板與水平夾角的變化對(duì)渦振幅度影響并不明顯。

(3) 改變檢修車軌道位置能適當(dāng)?shù)販p少主梁的渦振幅度，但是沒(méi)有明顯規(guī)律。

(4) 在鋼板墻外設(shè)置凸起能夠減少渦振幅度，但作用有限；將鋼板墻替換成防拋網(wǎng)，提高鋼板墻透風(fēng)率，渦振現(xiàn)象能夠得到有效抑制。

總體而言，考慮到該橋?yàn)樯峡玷F路橋梁，移動(dòng)檢修車軌道可能影響橋下凈空，鋼板墻替換成防拋網(wǎng)可能影響橋下行車安全，而設(shè)置抑流板為較為合理的有效渦振抑制措施。