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        斜拉橋Π型開(kāi)口斷面主梁氣動(dòng)選型風(fēng)洞試驗(yàn)

        2012-09-04 02:30:32楊詠昕葛耀君
        關(guān)鍵詞:渦振渦激成橋

        董 銳,楊詠昕,葛耀君

        (同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,200092上海)

        型鋼-混凝土結(jié)合梁具有重量輕,構(gòu)造簡(jiǎn)單,受力合理,制作、施工和養(yǎng)護(hù)方便,造價(jià)相對(duì)較低等優(yōu)點(diǎn),被許多斜拉橋工程所采用[1],如加拿大的Annacis橋,我國(guó)的南浦大橋、楊浦大橋等.結(jié)合梁大多采用開(kāi)口Π型鈍體斷面,開(kāi)口斷面的使用降低了主梁的扭轉(zhuǎn)剛度,與流線型鋼箱梁相比,其空氣動(dòng)力學(xué)性能相對(duì)較差,容易出現(xiàn)風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題.在開(kāi)口Π型結(jié)合梁斜拉橋的設(shè)計(jì)階段,有必要對(duì)其抗風(fēng)穩(wěn)定性能進(jìn)行研究和評(píng)估.目前,橋梁抗風(fēng)研究主要采用理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬3種方法[2].由于鈍體斷面擾流問(wèn)題的復(fù)雜性,目前理論分析和CFD數(shù)值模擬很難得到令人信服的結(jié)果,還必須依賴風(fēng)洞模型試驗(yàn)對(duì)其抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行研究.本文以某斜拉橋[3]為工程背景,對(duì)3種不同的Π型開(kāi)口主梁斷面進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了氣動(dòng)選型,得到了一些有益結(jié)論.

        該橋?yàn)橐浑p塔雙索面斜拉橋,跨徑組合為60+125+300+125+60=670 m,整體布置見(jiàn)圖1.主梁采用I型鋼與混凝土橋面板結(jié)合形成的Π型組合斷面,其主結(jié)構(gòu)寬18.900 m,中心梁高2.905 m;橋塔采用鉆石型混凝土橋塔,塔高約91 m;橋塔和主梁通過(guò)(2×13)×4=104根斜拉索相連,塔上索距1.5 m,主梁上索距10.5 m.該斜拉橋設(shè)計(jì)中提出了3種主梁斷面(標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面見(jiàn)圖2),分別是無(wú)導(dǎo)流板斷面,導(dǎo)流板一斷面和導(dǎo)流板二斷面,見(jiàn)圖3.針對(duì)上述3種斷面,進(jìn)行了節(jié)段模型顫振和渦激共振風(fēng)洞試驗(yàn),在綜合評(píng)價(jià)其抗風(fēng)性能的基礎(chǔ)上優(yōu)選出氣動(dòng)性能最好的斷面.考慮到紊流場(chǎng)的復(fù)雜性,本項(xiàng)研究沒(méi)有進(jìn)行抖振試驗(yàn).

        圖1 斜拉橋結(jié)構(gòu)布置(mm)

        圖2 標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面(mm)

        圖3 主梁導(dǎo)流板(mm)

        1 結(jié)構(gòu)建模與動(dòng)力特性分析

        采用ANSYS建立斜拉橋結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型,見(jiàn)圖4.其中,I型鋼主梁、次梁、鋼橫梁、混凝土橋塔、混凝土輔助墩、混凝土過(guò)渡墩和承臺(tái)采用空間梁?jiǎn)卧狟eam 188模擬;混凝土橋面板采用空間殼單元Shell 63模擬;斜拉索采用經(jīng)過(guò)Ernst公式修正的桿單元Link 10模擬;橋塔和橋墩的群樁基礎(chǔ)采用空間彈簧單元Combine 14模擬,對(duì)于每個(gè)群樁基礎(chǔ)采用3個(gè)力彈簧單元和3個(gè)力矩彈簧單元分別模擬群樁基礎(chǔ)沿豎向、沿順橋向、沿橫橋向、繞豎向、繞順橋向和繞橫橋向的作用;主梁的二期恒載采用Mass 21單元模擬.有限元計(jì)算模型的總體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閄軸,橫橋向?yàn)閆軸,豎向?yàn)閅軸.

        最大雙懸臂階段、最大單懸臂階段和成橋階段橋梁結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)分別見(jiàn)圖5~7(圖中S:symmetric,對(duì)稱;A:asymmetric,反對(duì)稱;V:vertical,豎彎;L:lateral,側(cè)彎;T:torsional,扭轉(zhuǎn)).分析發(fā)現(xiàn),由于在最大雙懸臂階段采用臨時(shí)約束加強(qiáng)主梁與橋塔的連接,使得橋梁結(jié)構(gòu)的基頻明顯高于最大單懸臂階段,從工程抗風(fēng)的角度考慮,選擇結(jié)構(gòu)剛度明顯較小的最大單懸臂階段作為最不利施工狀態(tài)(以下簡(jiǎn)稱施工狀態(tài)).

        圖4 斜拉橋結(jié)構(gòu)有限元模型

        圖5 斜拉橋結(jié)構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)一階模態(tài)

        圖6 斜拉橋結(jié)構(gòu)最大單懸臂狀態(tài)一階模態(tài)

        圖7 斜拉橋結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)一階模態(tài)

        2 主梁顫振性能比選

        主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行.該風(fēng)洞為一直流式大氣邊界層風(fēng)洞,試驗(yàn)段寬1.8m,高1.8m,長(zhǎng)12m,風(fēng)速范圍1.0~30.0m/s連續(xù)可調(diào).風(fēng)洞中流場(chǎng)性能良好,試驗(yàn)區(qū)流場(chǎng)的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.5%、平均氣流偏角小于0.5°,滿足節(jié)段模型試驗(yàn)要求.風(fēng)洞試驗(yàn)采用二元?jiǎng)傮w節(jié)段模型,節(jié)段模型通過(guò)8根彈簧懸掛在內(nèi)支架上.風(fēng)洞試驗(yàn)中,彈簧懸掛二元?jiǎng)傮w節(jié)段模型除了滿足幾何外形相似外,原則上還應(yīng)該滿足以下3組無(wú)量綱參數(shù)[1,4]相似.

        阻尼參數(shù):ζb,ζt(阻尼比).

        式中:U為平均風(fēng)速;ωb,ωt分別為彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)固有圓頻率;B為橋?qū)挘琤為半橋?qū)?m,Jm為單位橋長(zhǎng)的質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩;ρ為空氣密度;r為慣性半徑;ζb,ζt分別為豎向彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的阻尼比.考慮到斜拉橋規(guī)模和TJ-1風(fēng)洞尺寸,節(jié)段模型采用1∶35的縮尺比.節(jié)段模型在風(fēng)洞中的布置見(jiàn)圖8.

        該橋地表粗糙度類型為A類,成橋階段的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為37.7m/s,成橋和施工狀態(tài)下的顫振臨界風(fēng)速[4]見(jiàn)表1.主梁節(jié)段模型顫振風(fēng)洞試驗(yàn)共完成了18個(gè)試驗(yàn)工況,包括主梁成橋和施工兩個(gè)階段,導(dǎo)流板一、導(dǎo)流板二和無(wú)導(dǎo)流板3種斷面,-3°、0°和+3°三種風(fēng)攻角.所有試驗(yàn)工況均在10‰結(jié)構(gòu)阻尼比[4]條件下的均勻流場(chǎng)中完成,橋梁結(jié)構(gòu)不同斷面不同風(fēng)攻角的顫振臨界風(fēng)速見(jiàn)表1.對(duì)于不帶導(dǎo)流板的斷面,其顫振穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求;導(dǎo)流板一和導(dǎo)流板二斷面的顫振穩(wěn)定性能滿足規(guī)范要求,且導(dǎo)流板二斷面優(yōu)于導(dǎo)流板一斷面.如果僅考慮顫振穩(wěn)定性能,應(yīng)該優(yōu)先采用帶導(dǎo)流板二的主梁斷面.

        圖8 斜拉橋節(jié)段模型

        表1 橋梁結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速 m·s-1

        3 主梁渦激共振性能比選

        主梁節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)共完成了30個(gè)試驗(yàn)工況,包括成橋和施工兩個(gè)階段,導(dǎo)流板一、導(dǎo)流板二和無(wú)導(dǎo)流板三種斷面,5°、-3°、0°,+3°和+5°五種風(fēng)攻角.所有試驗(yàn)工況均在10‰阻尼比條件下的均勻流場(chǎng)中進(jìn)行.根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,斜拉橋發(fā)生渦振時(shí)的扭轉(zhuǎn)和豎彎振幅應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi),對(duì)于在均勻流場(chǎng)中渦振振幅超限的幾種情況,本研究又進(jìn)行了5%紊流場(chǎng)中的補(bǔ)充試驗(yàn).

        成橋狀態(tài),在26個(gè)工況下觀測(cè)到明顯的豎彎/扭轉(zhuǎn)渦激共振現(xiàn)象,見(jiàn)表2.其中在5°風(fēng)攻角成橋?qū)Я靼逡?、?dǎo)流板二和無(wú)導(dǎo)流板3種工況下的豎彎渦激振動(dòng)的振幅超過(guò)規(guī)范允許值;成橋?qū)Я靼逡?-5°風(fēng)攻角,成橋?qū)Я靼宥?-5°、-3°、0°和+3°風(fēng)攻角,成橋無(wú)導(dǎo)流板-5°風(fēng)攻角下的扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅超過(guò)規(guī)范允許值.對(duì)于成橋狀態(tài)渦激共振振幅超限的9種工況,又進(jìn)行了10‰阻尼比5%紊流場(chǎng)下的渦振試驗(yàn),除成橋狀態(tài)導(dǎo)流板二-5°風(fēng)攻角下發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦振外,其余工況均無(wú)渦振現(xiàn)象,且紊流場(chǎng)中各工況的振幅均不超限.成橋狀態(tài)均勻流場(chǎng)中各工況的渦振幅值-風(fēng)速曲線見(jiàn)圖9.

        表2 成橋狀態(tài)渦激共振特征參數(shù)表

        圖9 斜拉橋成橋狀態(tài)節(jié)段模型渦振位移-風(fēng)速曲線

        施工狀態(tài),在11個(gè)工況下觀測(cè)到明顯的豎彎/扭轉(zhuǎn)渦激共振現(xiàn)象,見(jiàn)表3.其中在5°風(fēng)攻角施工導(dǎo)流板一和導(dǎo)流板二兩種工況下的豎彎渦激振動(dòng)的振幅超過(guò)規(guī)范允許值.對(duì)于施工狀態(tài)渦激共振振幅超限的2種工況,也進(jìn)行了10‰阻尼比5%紊流場(chǎng)下的渦振試驗(yàn),均無(wú)渦振現(xiàn)象,且紊流場(chǎng)中各工況的振幅均不超限.考慮到施工階段屬于臨時(shí)期,渦振性能的比選以成橋階段為主,限于篇幅此處不再給出施工階段的渦振幅值-風(fēng)速曲線.

        對(duì)于斜拉橋的渦振穩(wěn)定性,在均勻流場(chǎng)10‰阻尼比條件下,均存在不同程度的渦振振幅超限情況;施加紊流度為5%的紊流場(chǎng)后,除導(dǎo)流板二-5°攻角工況外均無(wú)渦振現(xiàn)象,且所有工況的振幅均滿足規(guī)范要求;可見(jiàn),紊流的加入有效地抑制了渦激共振的發(fā)生.由于無(wú)導(dǎo)流板斷面的顫振性能不滿足規(guī)范要求,此處不再考慮其與其他兩種斷面渦振性能的比較.通過(guò)表1和表2可以發(fā)現(xiàn),導(dǎo)流板一斷面的渦振性能要優(yōu)于導(dǎo)流板二斷面,如果僅從渦振穩(wěn)定性考慮,應(yīng)該優(yōu)先選用帶導(dǎo)流板一的主梁斷面.

        表3 施工階段渦激共振特征參數(shù)表

        4 結(jié)論

        大跨度斜拉橋?qū)儆谌嵝燥L(fēng)敏感結(jié)構(gòu),風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象明顯,顫振和渦振是其中最重要的兩種風(fēng)致振動(dòng)災(zāi)害.本文以某斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)一系列節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)3種開(kāi)口Π型主梁斷面進(jìn)行了顫振和渦振性能的氣動(dòng)選型,得到以下結(jié)論:

        1)顫振試驗(yàn)結(jié)果表明,無(wú)導(dǎo)流板的斷面不滿足規(guī)范要求,導(dǎo)流板一斷面和導(dǎo)流板二斷面的顫振性能均滿足規(guī)范要求,且導(dǎo)流板二斷面優(yōu)于導(dǎo)流板一斷面;如果僅考慮顫振穩(wěn)定性能,應(yīng)該優(yōu)先選用導(dǎo)流板二斷面;

        2)渦激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明,在均勻流場(chǎng)中,3種斷面均存在不同程度的渦激共振現(xiàn)象.對(duì)于渦振振幅超限的工況,又進(jìn)行了5%紊流場(chǎng)中的補(bǔ)充試驗(yàn),結(jié)果表明紊流的存在抑制了漩渦的規(guī)律性脫落,使得渦激振動(dòng)發(fā)生的幾率和渦振振幅明顯減小,且均滿足規(guī)范要求.比較導(dǎo)流板一斷面和導(dǎo)流板二斷面的位移-風(fēng)速曲線可以發(fā)現(xiàn),導(dǎo)流板一斷面的渦振性能要優(yōu)于導(dǎo)流板二斷面,如果僅考慮渦振穩(wěn)定性能,應(yīng)該優(yōu)先選用導(dǎo)流板一斷面;

        3)顫振是發(fā)散性的自激振動(dòng),在橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)應(yīng)該嚴(yán)格避免;渦激振動(dòng)是限幅振動(dòng),在橋梁的設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)其幅值應(yīng)限制在規(guī)范允許的范圍內(nèi).由于自然界的風(fēng)屬于紊流風(fēng)場(chǎng),紊流成分明顯抑制了漩渦的規(guī)律性脫落,故渦激振動(dòng)在自然界風(fēng)場(chǎng)中發(fā)生的幾率要小于風(fēng)洞試驗(yàn)中的均勻流場(chǎng);

        4)外形對(duì)主梁顫振和渦振性能的影響有時(shí)存在不同,在結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)選型時(shí),應(yīng)該對(duì)兩者進(jìn)行綜合考慮.當(dāng)顫振和渦振試驗(yàn)均滿足規(guī)范要求的情況下,如果顫振性能安全儲(chǔ)備的富余量不大,應(yīng)該優(yōu)先選用顫振性能較好的斷面,如果顫振性能安全儲(chǔ)備的富余量較大,可優(yōu)先選用渦振性能較好的斷面.對(duì)于本文中的案例,因顫振性能安全儲(chǔ)備的富余量不是很大,故應(yīng)優(yōu)先選用顫振性能較好的導(dǎo)流板二斷面.

        [1]宋錦忠,哈鴻,毛鴻銀.開(kāi)口主梁斷面的氣動(dòng)選型[C]//第五屆全國(guó)風(fēng)工程及工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.張家界:中國(guó)空氣動(dòng)力學(xué)會(huì)風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì),1998:240-245.

        [2]項(xiàng)海帆,葛耀君,朱樂(lè)東,等.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社,2005.

        [3] YANG Yongxin,DONG Rui.Wind tunnel study on wind-resistant performance of Co Chien cable-stayed bridge in Vietnam(Research Report)[R].Shanghai:State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering,Tongji University,2011.

        [4]中華人民共和國(guó)交通部.JTG/T D60—01—2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004.

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