鳊魚洲長江大橋矩形鋼箱梁渦振性能及控制措施研究

李志國，黃林，高貴，李世文，寧伯偉

(1.西南交通大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，四川 成都610031；2.風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610031；3.武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，湖北 武漢430201；4.中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢430050)

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，在世界范圍內(nèi)，人們對大跨度鐵路橋梁的需求也日漸增長。由于剛度上的更高要求，跨越大江大河的鐵路橋多以斜拉橋?yàn)橹?，其主梁形式也多采用鋼桁架梁。相對于公路斜拉橋中普遍采用的鋼箱梁，鋼桁梁的重量更大，建造和維護(hù)成本也更高，開發(fā)適合鐵路斜拉橋使用的鋼箱梁具備很大的市場前景。由于公路斜拉橋采用的扁平鋼箱梁的剛度無法滿足大跨度鐵路斜拉橋的設(shè)計(jì)要求，因此為了保障主梁剛度，箱形斷面需要設(shè)計(jì)為寬高比較小(寬高比在5-7)的矩形斷面。已有研究表明[1?4]，對于大部分外形具有典型鈍體特征的結(jié)構(gòu)，例如矩形鋼箱梁，當(dāng)氣流流經(jīng)這些鈍體結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)分離形成周期性脫落的漩渦，并產(chǎn)生周期性的非定常氣動(dòng)力，當(dāng)其頻率與結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率接近時(shí)，就會(huì)引起渦激共振現(xiàn)象。因此，當(dāng)寬高比大于5的矩形斷面應(yīng)用在大跨度斜拉橋時(shí)，會(huì)發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象。渦激振動(dòng)現(xiàn)象是大跨度橋梁在低風(fēng)速下出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，丹麥大貝爾特東橋與中國西堠門大橋等均出現(xiàn)過渦振現(xiàn)象。盡管渦激振動(dòng)不會(huì)像顫振一樣帶來災(zāi)難性的發(fā)散振動(dòng)，但其發(fā)生在常遇低風(fēng)速范圍，出現(xiàn)頻率較高，振幅較大，除了影響正常交通外，還可能導(dǎo)致構(gòu)件的疲勞損傷。對于鐵路橋，渦激振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響列車的行駛安全，尤其是高速鐵路的行車安全，在設(shè)計(jì)中需要堅(jiān)決避免。渦振可以采用改善氣動(dòng)外形和增設(shè)氣動(dòng)措施的方式進(jìn)行抑制。LARSEN等[5]提出了抑制昂船洲橋主橋渦振的導(dǎo)流板措施。李永樂等[6?7]提出了一種風(fēng)嘴措施可較好的抑制分離式雙箱梁的渦振。WANG等[8]發(fā)現(xiàn)15°斜腹板傾角可以顯著提高流線型箱梁的顫振和渦振性能。李明等[9]研究了風(fēng)嘴、導(dǎo)流板和抑振板等對寬幅流線型箱梁渦振性能的影響。HAQUE等[10]通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)較尖的風(fēng)嘴角度可以有效提高鈍體鋼箱梁的渦振性能。LI等[11]也得出相似的結(jié)論。日本抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范里，也列舉了多種抑制不同形式鋼箱梁渦振的措施。朱思宇等[7]發(fā)現(xiàn)檢修車軌道內(nèi)側(cè)導(dǎo)流板可以有效減小豎向渦振。HE等[12]通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)主梁寬高比、風(fēng)嘴角度為渦振敏感參數(shù)。目前，已有的制振措施均是基于扁平箱梁或帶挑臂的梯形箱梁渦激振動(dòng)所提出的，幾乎沒有關(guān)于矩形鋼箱梁鐵路橋渦振制振研究的報(bào)道。同時(shí)，由于鐵路行車還需要有軌道板、線槽等措施，這些構(gòu)件突出在橋面上，會(huì)加劇漩渦脫落，從而降低主梁的渦振性能，因此相較于純粹的矩形斷面，鋪設(shè)軌道板等附屬構(gòu)件的矩形鋼箱梁的渦振性能會(huì)更差。為了保障大跨度鐵路斜拉橋的行車安全，需要有效抑制矩形鋼箱梁主梁渦振的措施。本文以某主跨為672 m的矩形鋼箱梁鐵路斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃诮梃b已有研究成果的基礎(chǔ)上，分別采用1:50及1:25節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究主梁的渦激共振及制振措施。在對比多種氣動(dòng)措施制振效果的基礎(chǔ)上，提出一種帶平臺(tái)的三角形下行風(fēng)嘴的制振措施，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)對其效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 主梁渦振性能及氣動(dòng)措施

1.1 試驗(yàn)參數(shù)

斜拉橋主梁采用矩形閉口鋼箱梁，主梁高4.8 m，全寬32.2 m，寬高比6.71，其上布置有四線鐵路(兩線高鐵和兩線普鐵)，以及檢修道、軌道板，管線槽等附屬設(shè)施。由于高鐵行車安全的需要，在普速線路和高速線路之間增設(shè)了隔離措施，位置在主梁上表面的中間位置，高度為3 m，透風(fēng)率為65%，具體如圖1所示。

圖1 原始主梁斷面示意圖Fig.1 Cross section of original deck

根據(jù)主梁斷面尺寸、風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸以及試驗(yàn)相關(guān)要求，風(fēng)洞試驗(yàn)節(jié)段模型縮尺比為1:50，模型長度L=2.095 m，寬度B=0.644 m，高度H=0.096 m。節(jié)段模型外衣內(nèi)部采用木質(zhì)框架，外表采用木板蒙皮制成，軌道板、欄桿、中央防拋網(wǎng)以及梁底的檢修車軌道采用ABS塑料板制作并確保外形及透風(fēng)率相似。采用彈簧懸掛的方式安裝模型，如圖2所示。渦振試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XN‐JD-1風(fēng)洞第二試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段截面尺寸為2.4 m×2.0 m，風(fēng)速范圍為1.0～45.0 m/s。

圖2 彈簧懸掛節(jié)段模型Fig.2 Spring-suspended section model

由于目前尚沒有針對大跨度鋼箱梁鐵路橋風(fēng)洞試驗(yàn)阻尼比取值的相關(guān)規(guī)定，參考陳平等[13]針對鐵路橋開展的風(fēng)洞試驗(yàn)的阻尼比取值，本次試驗(yàn)阻尼比取值在0.5%左右。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到該橋豎彎渦振振幅限值為142.8 mm，扭轉(zhuǎn)渦振振幅限值為0.242°。

此節(jié)段模型渦振試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)中，模態(tài)頻率選擇了豎向和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的基頻，具體如表1所示。

表1 1:50節(jié)段模型試驗(yàn)動(dòng)力參數(shù)Table 1 Dynamic parameters of 1:50 section model tests

1.2 原設(shè)計(jì)矩形斷面的渦振性能

渦激振動(dòng)試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行，風(fēng)洞中的風(fēng)速范圍0.5 m/s到6 m/s(實(shí)橋風(fēng)速范圍3.5 m/s到42 m/s)，風(fēng)洞中風(fēng)速間隔0.15 m/s(實(shí)橋風(fēng)速間隔約1 m/s)。分別在0°，±3°和±5°攻角下測試了主梁豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振，如圖3所示(圖中風(fēng)速和振幅數(shù)據(jù)均已換算成實(shí)橋)，具體現(xiàn)象描述如下：

圖3 原設(shè)計(jì)矩形斷面主梁渦振振幅(縮尺比1:50)Fig.3 VIV displacement of the main girder with original deck(scale ratio:1:50)

1)在0°風(fēng)攻角下，原設(shè)計(jì)矩形斷面存在2個(gè)豎彎渦振區(qū)間與2個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)間，其中2個(gè)豎彎渦振區(qū)間的振幅均沒有超過限值，但高風(fēng)速下扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)間IB(25～35 m/s風(fēng)速下)內(nèi)的扭轉(zhuǎn)渦振振幅顯著超過渦振限值。

2)在±3°，±5°風(fēng)攻角下，存在一個(gè)高風(fēng)速下豎彎渦振區(qū)間IA(20～30 m/s風(fēng)速下)與一個(gè)高風(fēng)速下扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)間IB，且振幅均顯著超過限值，其中豎彎渦振振幅最大超過渦振限值32.29%，扭轉(zhuǎn)渦振振幅顯著超過渦振限值。

因此，為保障橋梁運(yùn)營期間鐵路行車的安全性，需要對主梁的渦振性能進(jìn)行優(yōu)化，提出合理有效、簡便易行的制振措施。

2 主梁渦振制振措施研究

主梁斷面的氣動(dòng)外形對其渦振性能有著重要影響，參考已有的研究成果[10]，本文采用設(shè)置裙板、導(dǎo)流板、風(fēng)嘴以及改變外側(cè)檢修道欄桿透風(fēng)率這幾種氣動(dòng)措施(具體如表2所示)，測試了不同工況下主梁渦振的振幅。試驗(yàn)重點(diǎn)考察了風(fēng)嘴(實(shí)際長度均為4 m)的渦振控制效果，其中，風(fēng)嘴尖角位于對稱線以上的稱為上行風(fēng)嘴，風(fēng)嘴尖角位于對稱線以下的稱為下行風(fēng)嘴，風(fēng)嘴尖角位于對稱線的稱為對稱風(fēng)嘴(如圖4所示)，試驗(yàn)中分別選取了三角形上行風(fēng)嘴(風(fēng)嘴Ⅰ)，三角形對稱風(fēng)嘴(風(fēng)嘴Ⅱ)以及三角形下行風(fēng)嘴(風(fēng)嘴Ⅲ)。

圖4 風(fēng)嘴分類示意圖Fig.4 Diagram of wind fairing classification

表2 節(jié)段模型渦振制振氣動(dòng)措施示意圖Table 2 Aerodynamic measures and structural details cm

從對原設(shè)計(jì)矩形斷面的渦振性能風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，該主梁在各風(fēng)攻角下均發(fā)生了渦激振動(dòng)?？紤]到代表性和特殊性，在考察制振措施的風(fēng)洞試驗(yàn)中，選取0°風(fēng)攻角和振幅最大時(shí)對應(yīng)的+5°風(fēng)攻角開展相關(guān)測試。各種氣動(dòng)措施對應(yīng)的最大渦振振幅如表3與表4所示(圖中數(shù)據(jù)均已換算成實(shí)橋)。

由表3與表4可知，在6種氣動(dòng)措施中，除了將外側(cè)檢修道欄桿進(jìn)行間隔封閉的措施無效外(該氣動(dòng)措施甚至還會(huì)增大主梁渦振振幅)，在裙板、導(dǎo)流板和風(fēng)嘴這3種措施的測試結(jié)果中，主梁的豎彎最大渦振振幅均低于規(guī)范限值，說明這幾種氣動(dòng)措施起到了一定的制振作用。其中，在0°風(fēng)攻角下三角形風(fēng)嘴均能將主梁豎彎最大渦振振幅降低87%以上，+5°風(fēng)攻角下三角形風(fēng)嘴均能將主梁豎彎最大渦振振幅降低56%以上，三角形風(fēng)嘴對于主梁豎彎渦振的制振能力明顯優(yōu)于裙板與導(dǎo)流板。如表4所示，風(fēng)嘴Ⅰ、風(fēng)嘴Ⅱ與風(fēng)嘴Ⅲ3種風(fēng)嘴對于主梁扭轉(zhuǎn)最大渦振振幅的降低率依次分別為20.83%，27.08%與41.67%，3種風(fēng)嘴對主梁渦振制振能力排序?yàn)轱L(fēng)嘴Ⅲ>風(fēng)嘴Ⅱ>風(fēng)嘴Ⅰ，即下行風(fēng)嘴效果最佳，而其他措施對扭轉(zhuǎn)渦振的抑制效果均較差。

表3 各工況最大豎彎渦振幅值Table 3 Vertical maximum VIV displacement of each working condition mm

表4 各工況最大扭轉(zhuǎn)渦振幅值Table 4 Torsional maximum VIV displacement of each working condition °

3 帶平臺(tái)的三角形風(fēng)嘴制振措施

從上述風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知，三角形風(fēng)嘴作為一種氣動(dòng)措施可以有效地抑制主梁的豎彎渦振，但對于抑制主梁扭轉(zhuǎn)渦振的效果不佳。綜合之前所得到的下行風(fēng)嘴制振能力較好的結(jié)論，在三角形下行風(fēng)嘴上部設(shè)置一個(gè)實(shí)際長度為75 cm的平臺(tái)(改變氣流在梁體上部的分離點(diǎn)，使分離點(diǎn)遠(yuǎn)離檢修道欄桿，減弱漩渦不利作用)，提出了一種帶平臺(tái)的三角形下行風(fēng)嘴(風(fēng)嘴Ⅳ)，措施具體細(xì)節(jié)如圖5所示。

圖5 風(fēng)嘴Ⅳ示意圖Fig.5 Diagram of wind fairing IV

對加裝了風(fēng)嘴Ⅳ的主梁進(jìn)行1:50節(jié)段模型渦振試驗(yàn)，在0°，±3°，±5°攻角和0.5%阻尼比下，主梁豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振振幅如圖6所示(圖中數(shù)據(jù)均已換算成實(shí)橋)。

圖6 工況風(fēng)嘴Ⅳ斷面主梁渦振振幅(縮尺比1:50)Fig.6 VIV displacement of the main girder with case wind fairing IV(scale ratio:1:50)

由圖6(a)可知，加裝風(fēng)嘴Ⅳ后，主梁的豎彎渦激振動(dòng)得到了顯著抑制，僅在+5°風(fēng)攻角下發(fā)生明顯豎彎渦激振動(dòng)，風(fēng)速區(qū)間為10～15 m/s，且最大振幅值為40 mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于渦振振幅限值，在+3°風(fēng)攻角下發(fā)生輕微豎彎渦激振動(dòng)，最大振幅值僅為12 mm。在其余風(fēng)攻角下，主梁的豎彎渦激振動(dòng)均被完全消除。

由圖6(b)可知，加裝風(fēng)嘴Ⅳ后，主梁的扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)得到了極大的抑制，主梁僅在+5°與+3°風(fēng)攻角下發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)，風(fēng)速區(qū)間為20～28 m/s，最大振動(dòng)幅值分別為0.046°與0.033°，均遠(yuǎn)小于渦振振幅限值。在其余風(fēng)攻角下，扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)幾乎消失。

通過1:50節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)嘴Ⅳ作為一種帶平臺(tái)的三角形下行風(fēng)嘴對主梁渦振的抑制效果十分顯著，滿足相應(yīng)的渦振振幅規(guī)范要求。需要說明的是，采用此風(fēng)嘴后，在沒有中間防拋網(wǎng)的條件下，主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)渦振在不同攻角下都可以完全消除。

4 大比例尺節(jié)段模型渦振試驗(yàn)

大尺度主梁節(jié)段模型(通常為1:15～1:30)風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌蚩朔Ｒ?guī)尺度(1:50)節(jié)段模型對橋梁結(jié)構(gòu)模擬不夠精細(xì)、風(fēng)速比大等弊端[15]，進(jìn)而可以獲得更加接近實(shí)際情況的主梁渦振性能。為此，有必要開展大比例尺節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證風(fēng)嘴Ⅳ對主梁渦激振動(dòng)的制振效果。

加裝了風(fēng)嘴Ⅳ的主梁大尺度節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)縮尺比為1:25，模型長度3.9 m，長寬比接近3。試驗(yàn)在XNJD-3大氣邊界層風(fēng)洞中(試驗(yàn)斷面寬22.5 m，高4.5 m)的專用裝置上進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)照片如圖7所示。表5為節(jié)段模型的主要試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)風(fēng)速比為1/4.45，在來流風(fēng)攻角分別為0°，±3°和±5°的均勻流下進(jìn)行，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.47%。

圖7 1:25節(jié)段模型風(fēng)洞布置圖Fig.7 Layout of the 1:25 section model wind tunnel test

表5 1:25節(jié)段模型試驗(yàn)動(dòng)力參數(shù)Table 5 Dynamic parameters of 1:25 section model tests

圖8 為加裝了風(fēng)嘴Ⅳ后主梁渦激振動(dòng)響應(yīng)隨風(fēng)速的變化曲線，風(fēng)致響應(yīng)及風(fēng)速均已換算至實(shí)橋值。

圖8 工況風(fēng)嘴Ⅳ斷面主梁渦振振幅(縮尺比1:25)Fig.8 VIV displacement of the main girder with case wind fairing IV(scale ratio:1:25)

由圖8(a)可知，加裝風(fēng)嘴Ⅳ后，通過1:25節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到的主梁豎彎渦激振動(dòng)結(jié)果與通過1:50節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到的主梁豎彎渦激振動(dòng)結(jié)果相比，+5°風(fēng)攻角下，最大豎彎渦振振幅由40 mm降低至21 mm，風(fēng)速區(qū)間由10～15 m/s前移并縮小至9～11 m/s。同時(shí)，在1:50節(jié)段模型試驗(yàn)中觀測到的+3°風(fēng)攻角下豎彎渦激振動(dòng)現(xiàn)象消失。

圖8 (b)可知，加裝風(fēng)嘴Ⅳ后，通過1:25節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到的主梁扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)結(jié)果與通過1:50節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到的主梁扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)結(jié)果相比，在+5°風(fēng)攻角下，扭轉(zhuǎn)渦振振幅由0.046°降低至0.028°，但風(fēng)速區(qū)間沒有發(fā)生變化；在+3°風(fēng)攻角下，主梁的扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)現(xiàn)象消失。因此，1:25節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了風(fēng)嘴Ⅳ對主梁渦振的抑制效果。

5 結(jié)論

1)原設(shè)計(jì)矩形鋼箱梁斷面在阻尼比0.5%條件下存在較明顯的豎彎及扭轉(zhuǎn)渦振，且振幅較大。

2)減小檢修道欄桿透風(fēng)率、安裝裙板或安裝導(dǎo)流板對于提高矩形鋼箱梁斷面渦振性能作用有限，不如設(shè)置風(fēng)嘴的效果好。

3)三角形風(fēng)嘴可降低矩形鋼箱梁斷面的豎彎渦振振幅，但對降低主梁的扭轉(zhuǎn)渦振振幅作用有限。

4)帶平臺(tái)的三角形下行風(fēng)嘴(風(fēng)嘴Ⅳ)可顯著降低、甚至消除矩形鋼箱梁斷面的渦激振動(dòng)。