許宏兵,張亮亮

(重慶大學(xué),重慶 400045)

某跨海大橋節(jié)段模型風(fēng)洞試驗

許宏兵,張亮亮

(重慶大學(xué),重慶 400045)

通過某跨海大橋節(jié)段模型靜力試驗和動力試驗獲得了主梁的靜力三分力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律,主梁的顫振特性以及識別了主梁的 8個顫振導(dǎo)數(shù),并對試驗獲得的結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。其分析評價的結(jié)果直接用于指導(dǎo)該橋的設(shè)計與施工,也可為同類橋梁提供理論參考。

跨海大橋; 風(fēng)洞試驗; 節(jié)段模型; 靜力三分力; 顫振; 渦激振

某跨海大橋采用跨徑布置為(67+72+76+720+76+ 72+67)m,全長 1 150m,共 7跨。主跨為 720m的鋼-混組合雙塔斜拉橋,主跨主梁采用扁平流線形鋼箱梁,主梁全寬30m(包括風(fēng)嘴)。該橋所在地每年平均受 4～5次臺風(fēng)的影響,且多集中在 7～9月份。所以,必須對該橋進(jìn)行風(fēng)洞試驗研究以確保其施工和運營階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性、安全性和適用性。

1 靜力試驗

風(fēng)洞靜力試驗的目的是測試主梁在不同攻角下的三分力系數(shù),為靜風(fēng)響應(yīng)、抖振響應(yīng)、靜風(fēng)穩(wěn)定性及施工監(jiān)控分析等提供依據(jù),并初步評價主梁發(fā)生馳振的可能性。按風(fēng)軸坐標(biāo)系的阻力系數(shù) CD、升力系數(shù) CL、扭矩系數(shù) CM表達(dá)式分別見式(1)～式(3)。

式中:FD、FL、MT為風(fēng)軸系下的空氣阻力、升力和扭矩;α為來流攻角;U為風(fēng)速;ρ為空氣密度;B、L分別為節(jié)段模型的寬度和長度(圖1)。

圖1 體軸坐標(biāo)系和風(fēng)軸坐標(biāo)系

1.1 靜力試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計

該橋的主梁模型縮尺比為1∶60,長為 1.25m,寬 0.5 m,長寬比 2.5。其主梁斷面如圖 2所示。模型用紅松木和層板等制作,人行道欄桿按實橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬,為避免微小桿件引起的氣動粘性效應(yīng),對欄桿中較細(xì)的豎向桿按透風(fēng)率等效的原則進(jìn)行模擬。包括有、無欄桿兩種情況,其幾何參數(shù)見表 1所列。

圖 2 該橋方案模型斷面形狀

節(jié)段模型試驗在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所1.4m×1.4m風(fēng)洞進(jìn)行,該風(fēng)洞為閉口試驗段直流式風(fēng)洞,試驗段截面尺寸為1.4 m(寬)×1.4m(高)的矩形,穩(wěn)定風(fēng)速為5～40m/s。

模型豎直安裝于天平及風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤上,通過由計算機控制調(diào)整機構(gòu)實現(xiàn)模型姿態(tài)角 α的變化。試驗中 α的范圍為±12°,變化間隔最小為3°,在均勻流場中試驗風(fēng)速為 15m/s。

1.2 靜力試驗結(jié)果

該橋風(fēng)軸系下主梁節(jié)段模型(有欄桿和無欄桿)的三分力系數(shù)如圖 3、圖 4。

圖3 主梁(有欄桿)靜力三分力系數(shù)曲線

圖4 主梁(無欄桿)靜力三分力系數(shù)曲線

1.3 靜力試驗結(jié)果分析

(1)圖3(有欄桿)和圖4(無欄桿)對比,有欄桿時,阻力系數(shù)變大,升力系數(shù)變小,扭矩系數(shù)在負(fù)攻角時基本不變,在正攻角變小。因此,要得出可靠的橋梁設(shè)計風(fēng)荷載,模型模擬欄桿是必要的。

2 動力試驗

2.1 動力試驗?zāi)Ｐ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ涂s尺比均為 1∶60,各模型分為有欄桿、無欄桿兩種配置。模型采用五層板及輕木制作,欄桿采用竹篾和有機玻璃制成,為避免微小桿件引起的氣動粘性效應(yīng),對欄桿中較細(xì)的豎向桿按透風(fēng)率等效的原則進(jìn)行模擬。各模型外形與靜態(tài)試驗的模型相同,模型的兩端還設(shè)置有端板,以保證主梁斷面氣動繞流的二維特性。

模型安裝在橋梁節(jié)段模型動態(tài)試驗專用裝置上。該裝置通過鋁制連接件,使風(fēng)洞外的兩根水平端桿分別與模型兩端固接,端桿的上下兩端共懸掛有 8根彈簧,可實現(xiàn)模型作豎向和扭轉(zhuǎn)二自由度運動。鋁制連接件可調(diào)節(jié)模型的迎角,調(diào)節(jié)范圍為 -12°～12°(試驗中模型的迎角為-3°、0°、3°)。整個模型的懸掛支架置于洞壁外,以避免對流場干擾。

模型除了滿足外形幾何相似外,同時還滿足了動力相似律,即模型與原型(實橋)之間保持下列三組無量綱參數(shù)一致[3]:

2.2 顫振臨界風(fēng)速的測定及分析

本研究試驗風(fēng)速為U=2～15 m/s,ΔU=0.5m/s,流場為均勻流,模型迎角α=-3°、0°和 3°三種。通過主梁動力節(jié)段模型風(fēng)洞試驗,直接測量主梁在不同攻角下發(fā)生顫振的臨界風(fēng)速,根據(jù)結(jié)果以及模型、原型(實橋)之間的風(fēng)速比,可以推算出實橋的顫振臨界風(fēng)速。其結(jié)果見表 2。

2.3 顫振導(dǎo)數(shù)的識別

根據(jù)Scanlan的橋梁顫振導(dǎo)數(shù)理論豎向和扭轉(zhuǎn)運動的微分方程為:

由此可對實橋作三維顫振分析。此外,顫振導(dǎo)數(shù)也是抖振分析中必不可少的氣動力參數(shù)。

基于最小二乘理論[2],將橋梁節(jié)段模型的自由衰減振動信號分解為豎向和扭轉(zhuǎn)振動的信號,再分別對豎向和扭轉(zhuǎn)振動信號進(jìn)行非線性最小二乘擬合,一次識別主梁斷面不同攻角下的 8個顫振導(dǎo)數(shù),并可得到各顫振導(dǎo)數(shù)隨 V/Bn的變化曲線.限于篇幅這里僅給出A＊2隨V/Bn的變化曲線(見圖5)。圖中的空心圖例表示均勻流試驗結(jié)果,實心圖例為紊流試驗結(jié)果,○、○表示無欄桿,◆、□表示有欄桿。

由圖 5可以得出:對于同一工況下,紊流場和均勻流場中識別的顫振導(dǎo)數(shù)差別小,但有、無欄桿的顫振導(dǎo)數(shù)差別較大。

2.4 渦激振動試驗

當(dāng)氣流繞過物體時在物體兩側(cè)及尾流中會產(chǎn)生周期性脫落的漩渦,這種周期性的激勵會使物體發(fā)生限幅振動,這種振動稱為渦激振,它通常發(fā)生在較低的風(fēng)速下,其振動形式通常為豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振。本試驗?zāi)康氖峭ㄟ^節(jié)段模型試驗,測定渦激振動的發(fā)振風(fēng)速、振幅以及主梁截面的斯脫羅哈數(shù),對主梁的渦激振動特性作出評價。

本次渦激振動試驗?zāi)Ｐ屯?6中所列,風(fēng)速 U為 2～5 m/s,ΔU=0.25m/s,流場分為均勻流和紊流,模型迎角α為 -3°、0°和 3°三種。

表 3給出了本次渦激振動試驗結(jié)果。根據(jù)試驗結(jié)果推算到實橋狀態(tài)下發(fā)生豎向渦激振動風(fēng)速分別見表 3。

圖 5 α為-3°、+3°、0°時顫振導(dǎo)數(shù)曲線A＊2

由表3可以得出:在試驗中,除均勻流場(α=0°)和紊流場中,有、無欄桿時,均出現(xiàn)了比較明顯的渦激振動。根據(jù)試驗結(jié)果推算,實橋狀態(tài)下發(fā)生豎向渦激振動的風(fēng)速在 18.1～40.86m/s。

3 結(jié) 論

(1)橋梁試驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)該配置模擬欄桿,這樣才能給出可靠的設(shè)計風(fēng)速。

(2)根據(jù)試驗結(jié)果表明,該橋的顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)高于顫振檢驗風(fēng)速,在設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)渦激共振現(xiàn)象,且在試驗攻角范圍內(nèi)不會發(fā)生弛振失穩(wěn)。綜上所述,該跨海大橋主梁具有良好的氣動穩(wěn)定性。

[1] 埃米爾·?？?羅伯特·斯坎倫.風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用—風(fēng)工程導(dǎo)論[M].劉尚培,項海帆,謝霽明,譯.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1992

[2] 李永樂,廖海黎,強士中.橋梁斷面顫振導(dǎo)數(shù)識別的加權(quán)整體最小二乘法[J].土木工程學(xué)報,2004(3)

[3] 項海帆.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南[M].北京:人民交通出版社,1996

U446.1

B

2010-03-02

重慶大學(xué)“211工程”三期建設(shè)項目(S-09105)

許宏兵(1984～),男,碩士研究生,主要從事橋梁工程設(shè)計及橋梁抗風(fēng)研究;張亮亮(1956～),男,教授,主要從事橋梁及高層建筑結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究。