雙幅并列T型剛構(gòu)公路橋渦振性能的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

王礪文， 王澤文， 何向東

(1.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300000； 2.西南交通大學(xué)橋梁工程系， 四川成都 610031)

由于鋼箱梁具有質(zhì)量較輕、阻尼較小的特點(diǎn)，與鋼筋混凝土梁相比，一直存在較易發(fā)生渦激振動(dòng)的特點(diǎn)。即使并非柔度較大的懸索橋，跨度較大的連續(xù)鋼梁及剛構(gòu)等，也常見在成橋狀態(tài)發(fā)生顯著渦激振動(dòng)的報(bào)道，如日本京東灣通道橋的一階豎彎渦振振幅達(dá)50 cm[1]；俄羅斯伏爾加河的連續(xù)鋼梁橋，其渦激振振幅高達(dá)70 cm[2]。隨著公路、鐵路交通的發(fā)展，很多待建的公路橋梁，往往既需跨越既有公、鐵路線，又需滿足較多行車道的要求，為此，雙幅并列、可轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)成為較多采用的設(shè)計(jì)方案。由于雙幅布置的緊湊，兩幅間相鄰邊緣水平間距常僅約1.0 m 左右，有必要考察兩幅間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，及對(duì)原本截面較為鈍化的、T構(gòu)主梁的渦振振動(dòng)性能的影響，由于此種結(jié)構(gòu)的空間不對(duì)稱性，有必要通過(guò)全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究，具體考察雙幅并列T構(gòu)的渦激振動(dòng)性能。

目前，關(guān)于渦激振動(dòng)的研究一直是學(xué)術(shù)界的熱點(diǎn)問題[3-4]。朱樂東等[5]通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了箱形分離平行雙幅橋之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)其顫振穩(wěn)定性能和渦振特性的影響；秦浩等則[6]通過(guò)全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)攻角、阻尼等對(duì)崇啟橋并列雙幅變截面鋼箱梁渦振性能的影響，但未計(jì)及紊流及風(fēng)偏角的影響，且其前后兩幅結(jié)構(gòu)完全對(duì)稱。

為便于兩個(gè)前后兩幅上的兩個(gè)T構(gòu)轉(zhuǎn)體施工的順利實(shí)現(xiàn)，本文研究對(duì)象有別于文獻(xiàn)[6]，其雙幅并列的兩個(gè)T構(gòu)，在沿橋軸向有較長(zhǎng)的錯(cuò)位，故其干擾效應(yīng)也有別于文獻(xiàn)[6]的結(jié)構(gòu)。為考察此類雙幅并列T構(gòu)主梁的渦振性能，特設(shè)計(jì)、制作了包含剛體補(bǔ)償模型的1∶40大比例尺的全橋氣彈模型，分別在均勻流與紊流場(chǎng)中詳細(xì)考察了風(fēng)偏角及紊流度對(duì)其渦振性能的影響。

1 工程背景

該橋左右錯(cuò)幅布置，主橋跨度均采用120 m+120 m的T型剛構(gòu)(以下簡(jiǎn)稱“T構(gòu)”)，T構(gòu)主梁采用單箱三室鋼箱梁，平面布置如圖1(a)所示。圖中，左右幅墩的編號(hào)自左至右，分別對(duì)應(yīng)Z1～Z6與Y1～Y6號(hào)。位于上方的為左幅T構(gòu)，其位于Z4、Z5(主墩)與Z6號(hào)墩之間，而位于下方者為右幅T構(gòu)，其位于Y1、Y2(主墩)與Y3號(hào)墩之間。此外，在左幅Z1～Z4號(hào)墩之間及右幅Y3～Y6號(hào)墩之間的引橋，均由三跨連續(xù)梁組成，其主梁均為三室單箱的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。

由于該橋在左幅Z4、Z5號(hào)主墩及右幅Y2、Y3號(hào)墩之間同時(shí)跨越既有鐵路，故將此段定義為T構(gòu)的主跨。對(duì)于作為風(fēng)洞試驗(yàn)研究對(duì)象的右幅T構(gòu)，其邊跨位于Y1、Y2 號(hào)墩之間，主跨則位于Y2、Y3號(hào)墩之間，如圖1(b)所示。

(a)雙幅并列公路橋俯視圖

(b)左、右幅立面圖圖1 總體橋型布置示意

由于該橋結(jié)構(gòu)及空間布置的不對(duì)稱性，如依靠主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究其渦振性能，難以考慮實(shí)際結(jié)構(gòu)復(fù)雜氣動(dòng)干擾，故有必要采用大比尺全橋氣彈模型，方能全面考察主梁渦振的諸多影響因素。鑒于左、右幅T構(gòu)的主梁截面基本相同，跨度也一致，而右幅T構(gòu)的主墩較高，故在進(jìn)行該橋T構(gòu)主梁渦激振動(dòng)特性時(shí)，特選取右幅T構(gòu)氣彈模型為風(fēng)洞試驗(yàn)研究對(duì)象，而其他部分則為剛體補(bǔ)償模型，以模擬雙幅之間的氣動(dòng)干擾。T構(gòu)主梁典型鋼箱梁斷面如圖2所示。

圖2 T構(gòu)主梁典型鋼箱梁斷面示意(單位：mm)

由橋址環(huán)境可根據(jù)文獻(xiàn)[7]，將橋址確定為B類地表，其基本風(fēng)速U10=36.6 m/s，而橋面平均高度約27. 3 m，據(jù)此可得該橋右幅T構(gòu)主梁在成橋狀態(tài)的橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為45.1 m/s。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

由有限元法進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析，是進(jìn)行全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)的前提。根據(jù)右幅T構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用空間梁?jiǎn)卧獙?duì)其主梁、主墩進(jìn)行模擬，對(duì)變截面梁、柱段，相應(yīng)各單元以該段中點(diǎn)位置處的截面特性作為計(jì)算依據(jù)；由T構(gòu)主梁二期恒載所提供的質(zhì)量及質(zhì)量慣性矩，采用質(zhì)量單元模擬；墩、梁結(jié)合部按固結(jié)處理，在邊墩頂部，與兩個(gè)墩頂支座相對(duì)應(yīng)的、主梁兩剛臂端節(jié)點(diǎn)的豎向及橫橋向自由度，與位于其下的墩頂支座處節(jié)點(diǎn)相主從；對(duì)于主墩與邊墩的墩底節(jié)點(diǎn)，其所有6個(gè)自由度均被約束，而未考慮墩底承臺(tái)的影響。圖3為右幅T構(gòu)成橋狀態(tài)的有限元分析模型。

圖3 成橋狀態(tài)有限元分析模型

由 Ansys分析所得的右幅T構(gòu)成橋狀態(tài)前8階模態(tài)頻率及振型見表1。由表1可見，右幅T構(gòu)主梁的橫向及扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)較大，其前兩階基頻分別為主梁第一反對(duì)稱豎彎及第一對(duì)稱豎彎，故主梁豎彎渦激振動(dòng)為主要考察對(duì)象，而無(wú)需關(guān)注主梁的扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)性能。

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

3.1 模型設(shè)計(jì)及試驗(yàn)工況

為便于試驗(yàn)時(shí)對(duì)主梁渦激振動(dòng)的搜索、捕獲，在滿足風(fēng)洞試驗(yàn)段阻塞率要求的前提下，采用了1∶40 的幾何縮尺比，

表1 成橋狀態(tài)的頻率及振型特征

設(shè)計(jì)制作了右幅T構(gòu)的成橋狀態(tài)氣彈模型，根據(jù)保持原型與模型之間運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力相似及質(zhì)量、阻尼參數(shù)一致的原則，相應(yīng)的風(fēng)速比為1∶400.5，頻率比為400.5∶1。同時(shí)，為了考察并列雙幅間的氣動(dòng)干擾，同時(shí)等比例設(shè)計(jì)、制作了左幅Z1～Z6號(hào)墩間的全橋及右幅Y3～Y6號(hào)墩間的引橋的剛體模型，作為右幅T構(gòu)的邊界補(bǔ)償模型，以盡量減輕端部效應(yīng)對(duì)右幅T構(gòu)繞流的影響。含右幅T構(gòu)氣彈模型的、雙幅并列公路橋的全橋模型及試驗(yàn)風(fēng)偏角如圖4所示。

圖4 含氣彈模型的全橋模型構(gòu)成及風(fēng)偏角定義

表2列出了右幅T構(gòu)氣彈模型的模態(tài)測(cè)試結(jié)果，表明與主梁第一反對(duì)稱及對(duì)稱豎彎振型相對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率，與模型要求值的相對(duì)誤差分別為3.7 %與1.2 %，其中主梁第一反對(duì)豎彎模態(tài)的阻尼比約0.3 %，滿足文獻(xiàn)[7]的要求。

表2 T構(gòu)全橋氣彈模型模態(tài)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

右幅T構(gòu)全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)在XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞是目前世界最大的直流式、邊界層風(fēng)洞(指適用于土木工程、環(huán)境工程等風(fēng)洞試驗(yàn)的工業(yè)風(fēng)洞)。其試驗(yàn)段尺寸為22.5 m(寬)×4.5 m(高)×36.0 m(長(zhǎng))；試驗(yàn)風(fēng)速范圍為1.0～16.5 m/s。

根據(jù)試驗(yàn)流場(chǎng)及風(fēng)偏角的不同，試驗(yàn)按以下四組工況分別進(jìn)行：在均勻流場(chǎng)中、右幅T構(gòu)在迎風(fēng)側(cè)為工況A，在背風(fēng)側(cè)為工況B，又根據(jù)0 °、15 °及30 °三個(gè)不同風(fēng)偏角，分別對(duì)應(yīng)于工況A1～A3、工況B1～B3；在紊流流場(chǎng)中、右幅T構(gòu)在迎風(fēng)側(cè)為工況C，在背風(fēng)側(cè)為工況D，同樣根據(jù)三個(gè)不同風(fēng)偏角，分別對(duì)應(yīng)于工況C1～C3、工況D1～D3。風(fēng)偏角示意如圖4所示。

為在紊流場(chǎng)中進(jìn)行右幅T構(gòu)全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，采用常用的被動(dòng)方法進(jìn)行大氣邊界層的模擬，其具體模擬裝置分別包括尖塔式靜態(tài)漩渦發(fā)生器、分布式粗糙元、鋸齒形主擋板及附加擋板等。圖5為風(fēng)洞內(nèi)模擬風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)速剖面實(shí)測(cè)結(jié)果與B類地表目標(biāo)值的比較。由布置于橋面高度處的Cobra三維風(fēng)速探頭所測(cè)得的、模擬紊流風(fēng)場(chǎng)的脈動(dòng)風(fēng)時(shí)程可得其順風(fēng)向的紊流度Iu=0.156，與文獻(xiàn)[7]所要求的0.16非常接近。圖6為實(shí)測(cè)的橋面高度處的橫橋向水平風(fēng)譜與規(guī)范譜的比較，表明本研究所關(guān)注的橋面高度處的、橫橋向風(fēng)譜，與文獻(xiàn)[7]的理論譜吻合良好。

圖5 模擬的紊流風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速剖面

圖6 模擬紊流風(fēng)場(chǎng)實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)功率譜與規(guī)范譜的比較

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

總結(jié)右幅T構(gòu)成橋狀態(tài)氣彈模型、在均勻流場(chǎng)中六個(gè)試驗(yàn)工況的試驗(yàn)結(jié)果可知，右幅T構(gòu)主梁僅在工況B1，即均勻流場(chǎng)中的右幅T構(gòu)、處于背風(fēng)側(cè)、且在正交風(fēng)的作用下，發(fā)生了明顯的豎彎渦激振動(dòng)。換算至實(shí)橋及實(shí)際風(fēng)速，主梁發(fā)生渦激振動(dòng)的風(fēng)速范圍及振幅如下：當(dāng)風(fēng)速約29.7 m/s時(shí)，主梁開始發(fā)生一階反對(duì)稱豎彎渦激振動(dòng)，其單邊最大振幅在風(fēng)速約33.6 m/s時(shí)達(dá)最大值約40 mm，低于文獻(xiàn)[7]所要求的限值，而當(dāng)風(fēng)速達(dá)約43.3 m/s時(shí)，一階反對(duì)稱豎彎渦激振動(dòng)消失；當(dāng)風(fēng)速約49.5 m/s時(shí)，主梁開始發(fā)生一階對(duì)稱豎彎渦激振動(dòng)，其單邊最大振幅在風(fēng)速約59.1 m/s時(shí)達(dá)最大值約120 mm，明顯高于文獻(xiàn)[7]所要求的限值，而當(dāng)風(fēng)速約達(dá)69.9 m/s時(shí)，一階對(duì)稱豎彎渦激振動(dòng)消失。工況B1下主梁豎彎渦激振動(dòng)的振幅與風(fēng)速關(guān)系見圖7。

圖7 工況B1下的主梁豎彎渦激振動(dòng)

圖8給出了在紊流場(chǎng)中六個(gè)試驗(yàn)工況(C1～C3、D1～D3)下，主梁邊跨跨中豎向位移隨風(fēng)速的變化與工況B1結(jié)果的比較，表明在紊流場(chǎng)六個(gè)試驗(yàn)工況下，右幅T構(gòu)主梁均未發(fā)生豎彎渦激振動(dòng)。

綜合比較圖8、圖9可知：僅當(dāng)均勻流中的右幅T構(gòu)處于背風(fēng)側(cè)，且在正交風(fēng)作用下。其主梁在較高風(fēng)速下發(fā)生一階反對(duì)稱豎彎渦激振動(dòng)，但其最大單邊振幅小于文獻(xiàn)[7]所要求的限值；在遠(yuǎn)超出橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速的更高風(fēng)速下，發(fā)生一階對(duì)稱豎彎渦激振動(dòng)，其最大單邊振幅雖遠(yuǎn)大于文獻(xiàn)[7]所要求的限值，但因其發(fā)振風(fēng)速已經(jīng)很高，故對(duì)實(shí)橋而言僅具理論意義。

圖8 均勻流工況B1下主梁豎向振幅隨風(fēng)速的變化

圖9 均勻流工況B1與紊流工況主梁豎向振幅隨風(fēng)速變化比較

4 結(jié)論

對(duì)于某雙幅并列、T型剛構(gòu)的大比例尺全橋氣彈模型，其在均勻流與紊流場(chǎng)中的對(duì)比風(fēng)洞試驗(yàn)研究結(jié)果表明：對(duì)于空間布置不對(duì)稱的、雙幅并列T型剛構(gòu)公路橋而言，由于其雙幅布置緊湊，彼此間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)較強(qiáng)，對(duì)于T型剛構(gòu)主梁的渦激振動(dòng)性能有著明顯的影響，此時(shí)，僅靠主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，難以確定T構(gòu)主梁地渦激振動(dòng)性能。T構(gòu)全橋氣彈模型，需包含與其并列的另一幅橋梁的、足夠長(zhǎng)度的剛體補(bǔ)償模型，方能有效考察不同風(fēng)偏角下的T構(gòu)主梁的渦激振動(dòng)性能。