窄幅邊主梁斜拉橋渦振性能及氣動(dòng)控制措施研究

李春光，毛禹，韓艷，顏虎斌

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410114)

氣流流經(jīng)結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生的規(guī)律性旋渦脫落與主梁自振頻率接近時(shí)，容易誘發(fā)主梁渦激共振。渦激共振是大跨度橋梁在低風(fēng)速下出現(xiàn)的一種等幅的風(fēng)致振動(dòng)。雖然渦振不像顫振、馳振具有發(fā)散性，不會(huì)造成直接毀滅性的破壞，但渦振發(fā)生頻率高、振幅大，故對(duì)橋上行車的安全性、舒適性和橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性容易造成威脅[1-2]。美國Old Tacoma橋在扭轉(zhuǎn)發(fā)散前出現(xiàn)過低風(fēng)速下的渦激共振現(xiàn)象[3]，日本Trans-Tokyo Bay橋、丹麥大海帶橋、中國西堠門大橋等都曾發(fā)生過明顯的豎彎渦激共振[4-6]，巴西Rio-Niteroi橋[7]在運(yùn)營過程中頻繁發(fā)生大振幅豎彎渦振，強(qiáng)烈的振動(dòng)迫使橋上人員棄車而逃，這對(duì)橋梁的正常使用造成了嚴(yán)重影響。2020年中國的虎門大橋及鸚鵡洲長江大橋也出現(xiàn)過大幅豎向渦振現(xiàn)象。渦振的危害引起了人們的高度關(guān)注，主梁的渦振穩(wěn)定性也成為抗風(fēng)研究的重點(diǎn)。隨著技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，橋梁跨度日益增長，大跨度橋梁結(jié)構(gòu)外形細(xì)長、結(jié)構(gòu)輕柔，風(fēng)對(duì)橋梁的作用成為大跨度橋梁設(shè)計(jì)和建造的關(guān)鍵問題。邊主梁因其力學(xué)性能優(yōu)越，自重輕，吊裝施工方便，被廣泛應(yīng)用于斜拉橋的設(shè)計(jì)中。但邊主梁作為開口斷面的鈍體梁，氣流在表面的繞流狀態(tài)及旋渦脫落十分復(fù)雜，同時(shí)邊主梁渦激共振現(xiàn)象顯著，因此需要采取一系列的控制措施來提高主梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性，常見的控制措施分為機(jī)械措施和氣動(dòng)控制措施[1]。前者力學(xué)機(jī)理明確，但代價(jià)較大，因此在實(shí)際工程中采用較少。而氣動(dòng)控制措施通過對(duì)主梁附屬構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化或增設(shè)合理的構(gòu)件來優(yōu)化主梁截面的氣動(dòng)外形，從而提高其氣動(dòng)穩(wěn)定性。氣動(dòng)控制措施效果明顯，成本較低，同時(shí)能從本質(zhì)上降低甚至抑制渦激共振，故其廣泛應(yīng)用于實(shí)際橋梁中。針對(duì)邊主梁斷面類型主梁的渦振起振機(jī)理和氣動(dòng)優(yōu)化措施，國內(nèi)外眾多學(xué)者結(jié)合工程實(shí)例做了許多有益的探索。李永樂等[8]研究了分離式雙箱梁的渦振性能和抑振措施，發(fā)現(xiàn)分流板和分流板底增設(shè)弧形底板的組合能大幅降低主梁渦振響應(yīng)，風(fēng)嘴能提高主梁的氣動(dòng)性能，且風(fēng)嘴角度越小，渦振優(yōu)化效果越好；顏宇光等[9]發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定板能抑制主梁豎彎渦振，擾流板能降低扭轉(zhuǎn)渦振，兩者組合能滿足主梁渦振穩(wěn)定性要求；錢國偉等[10]通過風(fēng)洞節(jié)段模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)采用圓形截面的防撞欄桿及檢修道護(hù)欄有利于提高π型疊合梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性，研究了風(fēng)嘴角度及水平隔流板寬度對(duì)主梁的渦振影響；張志田等[11]在主梁上表面設(shè)置2道穩(wěn)定板和下表面設(shè)置3道穩(wěn)定板來抑制渦激共振；趙林等[12]對(duì)邊主梁的氣動(dòng)優(yōu)化措施進(jìn)行了總結(jié)，調(diào)整風(fēng)嘴形狀對(duì)寬高比低的主梁控制效果明顯；SAKAI等[13]分析了主梁寬高比對(duì)氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響；張?zhí)煲淼萚14]研究了宜賓鹽坪壩長江大橋主梁的氣動(dòng)性能，試驗(yàn)表明設(shè)置三角形風(fēng)嘴和封閉防護(hù)欄桿能滿足主梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求；KUBO等[15]研究了π型截面梁主縱梁間距對(duì)其氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響；LI等[16]研究了水平隔流板對(duì)邊主梁渦振穩(wěn)定性的影響，并通過CFD數(shù)值模擬分析了其抑振機(jī)理；KUBO等[17]對(duì)π型梁渦激共振流場進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明π型梁鈍體效應(yīng)強(qiáng)，氣流流動(dòng)分離明顯。綜上所述，已有邊主梁渦振性能的相關(guān)研究多基于具體實(shí)際寬幅橋梁工程開展，在某座橋上有效的措施在其他橋上可能難以發(fā)揮理想的作用。當(dāng)橋面較窄，主梁截面寬高比達(dá)8.1，且采用鈍體邊主梁斷面時(shí)，相關(guān)的渦振性能研究較少。本文以某窄幅邊主梁斜拉橋?yàn)檠芯勘尘埃ㄟ^節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究風(fēng)嘴形式及角度變化、穩(wěn)定板、水平分流板對(duì)邊主梁渦振穩(wěn)定性的優(yōu)化效果，試驗(yàn)結(jié)果可為同類型橋梁氣動(dòng)優(yōu)化措施的選擇提供參考。

1 工程概況及風(fēng)洞試驗(yàn)布置

1.1 工程概況

圖1(a)所示為依托工程過河廊道斜拉橋的立面圖，橋跨布置為44+64+270+64+44=486 m，為提高邊跨剛度，在邊跨設(shè)置一個(gè)輔助墩，主塔采用H型空心薄壁橋塔，橋塔高70 m。主梁采用邊主梁截面梁，如圖1(b)所示，邊主梁寬度12.12 m，梁高1.5 m，橫隔梁高1 m，主梁寬度及高度均較小，寬高比8.1，對(duì)風(fēng)十分敏感。

1.2 風(fēng)洞試驗(yàn)布置

采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)測試主梁的渦振性能，其風(fēng)洞布置如圖2所示。渦激共振對(duì)主梁的幾何尺寸及細(xì)部構(gòu)造十分敏感，為盡可能地模擬主梁上各細(xì)部構(gòu)造，同時(shí)考慮斷面雷諾數(shù)的影響，應(yīng)盡可能選擇大比例節(jié)段模型，則試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)橋的渦振性能?？紤]到風(fēng)洞尺寸及主梁斷面尺寸的影響，最終選擇1∶20縮尺比進(jìn)行節(jié)段模型試驗(yàn)。模型長度為1.52 m，寬度為0.606 m，高度為0.075 m，節(jié)段模型選取高強(qiáng)度低質(zhì)量的不銹鋼作為框架，其提供模型的整體剛度，外衣采用優(yōu)質(zhì)PVC制作，用以模擬主梁的氣動(dòng)外形，為保證流場二元特性，模型兩端設(shè)置了木質(zhì)端板。

節(jié)段模型通過8根彈簧懸掛，模擬主梁豎向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，豎彎扭轉(zhuǎn)頻率通過調(diào)節(jié)彈簧剛度、模型配重及兩者間距滿足理論要求。模型底部布置2個(gè)激光位移計(jì)，用以采集模型的振動(dòng)信號(hào)，間距為0.504 m，實(shí)橋的動(dòng)力特性采用國際通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析，模型與實(shí)橋的主要參數(shù)如表1所示。

表1 模型與實(shí)橋參數(shù)Table 1 Parameters of model and prototype

節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在長沙理工大學(xué)風(fēng)洞高速試驗(yàn)段進(jìn)行，高速段尺寸為4 m(寬)×3 m(高)×21 m(長)，風(fēng)速區(qū)間為1～48 m/s，均勻流紊流度低于0.5%，風(fēng)速測量儀器采用TFI Cobra眼鏡蛇探針，采樣頻率為500 Hz，位移信號(hào)采集儀器采用激光位移計(jì)，采樣頻率為500 Hz，采樣的時(shí)間為45 s。

2 主梁渦振性能及氣動(dòng)措施優(yōu)化

2.1 設(shè)計(jì)斷面渦振性能分析

渦激共振對(duì)阻尼較為敏感，為放大主梁的渦振響應(yīng)，節(jié)段模型試驗(yàn)設(shè)置了偏安全的阻尼比。圖3為原設(shè)計(jì)斷面渦振響應(yīng)振幅隨風(fēng)速的變化曲線，響應(yīng)及風(fēng)速均已換算到實(shí)橋，主梁出現(xiàn)了劇烈的豎向渦激共振，而未發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。由圖3(a)可知，主梁在?3°，0°，+3°攻角下均發(fā)生了劇烈的豎彎渦振，渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間約為7.9～14.4 m/s，最大響應(yīng)振幅出現(xiàn)在+3°攻角，峰值位移132.2 mm，超出規(guī)范允許值152%，在?3°，0°風(fēng)攻角下，渦振響應(yīng)振幅也遠(yuǎn)超規(guī)范允許振幅。渦激共振發(fā)生在常遇的低風(fēng)速，發(fā)生頻率高、響應(yīng)振幅大，故需要對(duì)原設(shè)計(jì)斷面進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化，考慮到未發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)渦振，故主要針對(duì)豎向渦激共振展開研究。

圖3 原設(shè)計(jì)斷面渦振性能Fig.3 Vortex-induced vibration performance of original design section

2.2 氣動(dòng)優(yōu)化措施研究

針對(duì)主梁在常遇風(fēng)速發(fā)生劇烈的渦激共振，需要采用合理的氣動(dòng)措施來提高主梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性。根據(jù)已有研究成果，試驗(yàn)對(duì)風(fēng)嘴形式及角度、穩(wěn)定板道數(shù)進(jìn)行了研究，并嘗試在邊主梁風(fēng)嘴上布置水平分流板來優(yōu)化主梁的氣動(dòng)外形。

2.2.1 風(fēng)嘴

邊主梁作為典型鈍體梁，氣動(dòng)穩(wěn)定性差，而風(fēng)嘴作為最普遍的氣動(dòng)優(yōu)化措施之一，廣泛應(yīng)用于邊主梁的設(shè)計(jì)中。在主梁兩側(cè)安裝風(fēng)嘴能有效改善主梁的氣動(dòng)性能，提高主梁流線性，降低表面旋渦脫落強(qiáng)度，從而達(dá)到降低或抑制主梁渦振的效果。本文通過在主梁兩側(cè)布置2種形式的風(fēng)嘴、并調(diào)整不同角度，研究其對(duì)邊主梁渦振響應(yīng)的抑制效果，工況布置如表2所示，風(fēng)嘴布置見圖4。

圖4 風(fēng)嘴布置Fig.4 Layout of wind fairing

表2 風(fēng)嘴優(yōu)化工況Table 2 Fairing optimization conditions

由圖5渦振響應(yīng)曲線可知，2種不同形式的風(fēng)嘴基本未改變主梁的渦振區(qū)間，采用上下對(duì)稱形式的風(fēng)嘴各角度中，78°風(fēng)嘴能最大程度降低主梁渦振振幅，峰值位移響應(yīng)為94.7 mm，為原設(shè)計(jì)斷面峰值位移的83%，但仍然遠(yuǎn)超規(guī)范允許振幅；相比對(duì)稱風(fēng)嘴，采用非對(duì)稱形式風(fēng)嘴的主梁的渦振響應(yīng)更低，因主梁兩側(cè)懸挑長度影響及節(jié)段模型限制，非對(duì)稱風(fēng)嘴最大試驗(yàn)角度為60°，由圖5(b)可知，主梁渦振響應(yīng)在風(fēng)嘴38°上作用下極大程度降低，峰值位移響應(yīng)為58 mm，接近規(guī)范限值，但較小的38°非對(duì)稱風(fēng)嘴角度大幅度增加了主梁兩側(cè)懸挑長度，不利于主梁寬度的控制。風(fēng)嘴形式及角度研究表明，設(shè)置非對(duì)稱形式的風(fēng)嘴對(duì)改善主梁的渦振響應(yīng)更有利，總體趨勢為風(fēng)嘴角度越小，主梁渦振改善越明顯，但在一定范圍內(nèi)，風(fēng)嘴有可能存在一個(gè)角度能最大程度降低主梁風(fēng)致響應(yīng)。

圖5 風(fēng)嘴對(duì)渦振的控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 Test results of vortex-induced vibration control by wind fairing

2.2.2 穩(wěn)定板

邊主梁通常為開口截面梁，氣流在主梁底部存在復(fù)雜的流動(dòng)分離，在梁底安裝穩(wěn)定板能破壞梁底流場分布，干擾鈍體繞流產(chǎn)生的規(guī)律性的旋渦脫落，從而抑制主梁渦激共振。根據(jù)已有研究，選擇在梁底安裝中央穩(wěn)定板及2道1/4處穩(wěn)定板，研究穩(wěn)定板對(duì)主梁抑振效果的影響，穩(wěn)定板布置如圖6所示。

圖6 穩(wěn)定板布置圖Fig.6 Position of lower stabilizers

由圖7(a)可知，在梁底布置一道中央穩(wěn)定板，能明顯改善主梁的渦振性能，同時(shí)將主梁渦振起振風(fēng)速提高至10.6 m/s，但中央穩(wěn)定板對(duì)主梁各風(fēng)攻角抑制效果存在明顯差異，0°風(fēng)攻角主梁渦振響應(yīng)消失，?3°和+3°風(fēng)攻角峰值位移響應(yīng)分別為59 mm和73 mm，較原設(shè)計(jì)斷面峰值響應(yīng)抑制程度分別為52%和55%。在梁底兩側(cè)1/4處布置穩(wěn)定板，能進(jìn)一步抑制主梁的渦振響應(yīng)，?3°風(fēng)攻角下渦激共振被完全抑制，+3°風(fēng)攻角主梁渦振峰值響應(yīng)位移進(jìn)一步降低，但響應(yīng)位移仍然超過規(guī)范限值，同時(shí)渦振風(fēng)速區(qū)間依然維持在10.6～15 m/s。穩(wěn)定板氣動(dòng)措施研究表明，對(duì)開口斷面邊主梁，梁底穩(wěn)定板能提高其氣動(dòng)穩(wěn)定性，同時(shí)隨著穩(wěn)定板的數(shù)目增加，主梁渦振穩(wěn)定性提高越明顯，但是對(duì)不同風(fēng)攻角下主梁渦振穩(wěn)定性提高存在差異，穩(wěn)定板對(duì)0°風(fēng)攻角的主梁抑振效果最佳。

圖7 穩(wěn)定板渦振控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of vortex-induced vibration control by stabilizers

2.2.3 水平分流板

水平分流板是在主梁兩側(cè)布置的通長的薄板，一般布置于風(fēng)嘴處，能起到提前分離氣流的作用，還能增加主梁的氣動(dòng)阻尼，故能提高主梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性。本文在主梁兩側(cè)風(fēng)嘴處布置30 cm水平分流板，配合梁底布置2道穩(wěn)定板進(jìn)行渦激共振試驗(yàn)。由圖8可知，水平分流板改善了+3°風(fēng)攻角下主梁的渦振性能，同時(shí)，0°及?3°風(fēng)攻角下主梁渦振性能沒有發(fā)生改變，邊主梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性得到極大提高，提高了行車安全性和主梁耐久性。

圖8 分流板渦振控制試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of vortex-induced vibration control by horizontal splitter plate

3 結(jié)論

1)邊主梁斷面作為典型鈍體斷面，對(duì)風(fēng)作用十分敏感，依托工程主梁在0°和±3°風(fēng)攻角下均出現(xiàn)劇烈渦激共振現(xiàn)象，渦振響應(yīng)遠(yuǎn)超規(guī)范允許值，應(yīng)對(duì)邊主梁斷面進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化。

2)風(fēng)嘴形式對(duì)主梁渦振性能優(yōu)化存在差異，非對(duì)稱形式‘上’風(fēng)嘴對(duì)抑制主梁渦振響應(yīng)優(yōu)于常規(guī)對(duì)稱形式‘中’風(fēng)嘴；對(duì)開口截面邊主梁，越尖的風(fēng)嘴對(duì)改善主梁的渦振性能效果越明顯，同時(shí)，在一定角度范圍內(nèi)，風(fēng)嘴對(duì)改善主梁的氣動(dòng)性能可能存在一個(gè)相對(duì)較優(yōu)角度。

3)邊主梁梁底布置穩(wěn)定板是改善主梁渦振性能常用的氣動(dòng)優(yōu)化措施，試驗(yàn)表明穩(wěn)定板能降低各風(fēng)攻角下主梁的渦振響應(yīng)，2道梁底1/4處穩(wěn)定板能抑制0°和?3°風(fēng)攻角主梁渦振，再增設(shè)水平分流板能進(jìn)一步優(yōu)化主梁氣動(dòng)外形，抑制渦振響應(yīng)。