秦 浩，廖海黎，李明水

(西南交通大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)中心 成都 610031)

大跨度鋼箱梁連續(xù)梁橋由于阻尼小，在常遇風(fēng)速下存在發(fā)生渦激振動可能。自塔科馬大橋(Tacoma Bridge)發(fā)生風(fēng)毀以來[1]，大跨度橋梁包括懸索橋、斜拉橋等抗風(fēng)問題為橋梁工程界所關(guān)注。連續(xù)梁橋由于跨度小，剛度大等特點(diǎn)，通常認(rèn)為其抗風(fēng)性能較好，對其抗風(fēng)研究較少。隨橋梁建設(shè)發(fā)展，連續(xù)梁橋跨度越來越大，在常遇風(fēng)速(5～20 m/s)下發(fā)生渦激振動橋梁屢有報道[2-4]，尤其2010年俄羅斯伏爾加河連續(xù)梁橋在低風(fēng)速下發(fā)生的“波浪式起伏”渦激振動，振幅高達(dá)40～70 cm，足已影響大橋的使用性能。渦激振動已成為大跨度鋼箱梁連續(xù)梁橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的重要問題。

渦激振動理論研究至今仍無成功的解析方法能從基本流動原理出發(fā)描述彈性鈍體在周期脫落的漩渦作用下響應(yīng)全過程，解析復(fù)雜外形鈍體的渦激響應(yīng)更難實(shí)現(xiàn)。隨計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，數(shù)值方法取得較大進(jìn)展，但通過數(shù)值計(jì)算直接模擬三維流場仍受限制，較難處理高雷諾數(shù)下三維復(fù)雜外形鈍體的渦激振動問題。對大跨度連續(xù)梁橋變截面復(fù)雜外形的鈍體結(jié)構(gòu)，研究其渦激振動主要手段為通過全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)[5]。對常規(guī)尺度的全橋模型，比例尺為1:100以上，模型尺寸較小風(fēng)速比大對主梁細(xì)節(jié)模擬不夠精細(xì)，可能導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果(振幅及發(fā)生風(fēng)速)與實(shí)橋出入較大，或測不到渦激振動，導(dǎo)致誤判實(shí)橋渦激振動性能[6]。大尺度模型尺寸可將主梁斷面細(xì)節(jié)、檢修車軌道等附屬設(shè)施模擬更精確，使風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果接近真實(shí)情況。大尺度模型受風(fēng)洞規(guī)模及試驗(yàn)段尺寸限制，風(fēng)洞阻塞度對試驗(yàn)結(jié)果影響不可忽視[7]。

1 試驗(yàn)工況與模型

以崇啟大跨度連續(xù)梁橋?yàn)楣こ瘫尘啊Ｖ鳂蛟O(shè)計(jì)方案為六跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑102 m+185 m×4+102 m，總跨長944 m。主梁為變截面鋼箱梁、分離式雙幅橋面結(jié)構(gòu)，單幅橋?qū)?6.1 m，跨中梁高4.8 m，墩頂處梁高9 m，邊墩處梁高3.5 m，主梁高度按二次拋物線變化，主梁截面見圖1。大橋所處地段氣象復(fù)雜多變，災(zāi)害性天氣頻繁，橋位處風(fēng)大浪急且臺風(fēng)期長，嚴(yán)重威脅大橋施工安全。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速高達(dá)49.4 m/s，橋址處常遇風(fēng)速超過15 m/s。

圖1 主梁橫截面圖

試驗(yàn)在XNJD-3風(fēng)洞中進(jìn)行，據(jù)該風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸H=4.5 m，W=22.5 m，L=36 m，氣彈性模型幾何縮尺比取1:45(風(fēng)洞阻塞率小于1.5%)，為目前連續(xù)梁橋最大比例尺全橋氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

由于連續(xù)梁橋受力特點(diǎn)，大跨度連續(xù)主梁結(jié)構(gòu)采用變截面帶懸臂設(shè)計(jì)。主梁截面高度沿跨度變化使每個斷面的斯特羅哈爾數(shù)(Strouhal Number)不同，整個主梁渦激振動為綜合效應(yīng)。該綜合斯特羅哈爾數(shù)St，渦脫頻率f，物體特性尺度D(采用跨中梁高)及來流風(fēng)速U關(guān)系為St=fD/U。

表1 振動模態(tài)

模型設(shè)計(jì)制作采用傳統(tǒng)氣動彈性模型技術(shù)，即芯梁提供結(jié)構(gòu)剛度，芯梁外覆節(jié)段以模擬氣動外形，質(zhì)量由外覆結(jié)構(gòu)中配重物提供。主梁共分81節(jié)段，除中間5個墩頂處節(jié)段外，每個節(jié)段長160 mm，中間4跨每跨按梁段高度變化分15節(jié)段，最長節(jié)段311 mm，最短節(jié)段186 mm，邊跨分8節(jié)段，最長節(jié)段302 mm，最短節(jié)段186 mm，氣彈模型照片見圖2。試驗(yàn)通過在中間四跨跨中安置激光位移傳感器測量豎向振動，采樣頻率256 Hz，單次采樣時間32 s。

圖2 氣彈性模型照片

風(fēng)洞試驗(yàn)之前，用強(qiáng)迫振動法對氣彈模型進(jìn)行模態(tài)測試檢驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2看出，該模型頻率誤差在2%以內(nèi)。試驗(yàn)在均勻流中進(jìn)行，分別為0°攻角及對鋼箱梁渦激振動最不利的+3°攻角(由導(dǎo)流板產(chǎn)生)，并通過在第三、四跨中安裝油質(zhì)阻尼器施加結(jié)構(gòu)阻尼，模擬阻尼對渦激振動的減振作用。

試驗(yàn)共6種工況，前3工況在0°攻角下進(jìn)行，工況1阻尼比水平在0.3%量級，與多數(shù)大跨度鋼箱梁連續(xù)梁橋?qū)崪y阻尼比接近。工況2阻尼比為0.5%量級，與多數(shù)中等跨度連續(xù)梁橋?qū)崪y阻尼比值接近。兩種阻尼比分別對應(yīng)歐洲規(guī)范、我國規(guī)范對鋼梁橋阻尼比的風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置要求。工況3目的為研究完全抑制渦激響應(yīng)所需阻尼比水平。后3工況為阻尼比狀態(tài)風(fēng)攻角由0°改為+3°時的試驗(yàn)情況。

表2 各工況模態(tài)測試結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

工況1結(jié)果見圖3，對0°攻角、一階豎彎振動阻尼比0.3%量級模型狀態(tài)，在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)存在兩明顯渦振區(qū)：第一渦振鎖定風(fēng)速范圍對應(yīng)于實(shí)橋風(fēng)速15～27 m/s，上風(fēng)側(cè)主梁豎向鎖定風(fēng)速略小于下風(fēng)側(cè)主梁，兩主梁渦振最大振幅基本一致，分別為79 mm，93 mm，振型特點(diǎn)為中間兩跨振動幅度最大，方向相反，頻譜圖見圖4，振動頻率6.97 Hz，證實(shí)為主梁反對稱一階振動。第二渦振區(qū)鎖定風(fēng)速，兩側(cè)主梁基本一致，鎖定區(qū)為30～35 m/s，下風(fēng)側(cè)主梁渦激響應(yīng)遠(yuǎn)高于上風(fēng)側(cè)主梁，是上風(fēng)側(cè)主梁的3倍，最大振幅達(dá)144 mm，其振型特點(diǎn)為中間兩跨振動幅度最大，方向相反，頻譜見圖5，對應(yīng)的振動頻率6.81 Hz，亦為主梁反對稱一階振動；圖6為工況2，風(fēng)攻角0°，通過加裝油質(zhì)阻尼器將阻尼比提高到0.5%量級。試驗(yàn)結(jié)果表明，主梁渦激響應(yīng)明顯減小。增大阻尼比對第一渦振區(qū)抑制效果超過60%，最大振幅29 mm，第二渦振區(qū)抑制效果為30%，最大振幅則96 mm。結(jié)構(gòu)阻尼比變化對振型幾乎無影響，阻尼變大鎖定風(fēng)速范圍變小，相同風(fēng)速振幅減小，振型應(yīng)同阻尼比水平0.3%時，限于篇幅不再給出渦激振動頻譜圖。工況3的試驗(yàn)結(jié)果表明，阻尼比為1.1%時，試驗(yàn)中未觀測到明顯的豎向渦激振動，故結(jié)果不再列出。

圖3 工況1風(fēng)速與振幅關(guān)系

圖5 工況1第2點(diǎn)模型振幅及頻譜

圖7 工況4風(fēng)速與振幅關(guān)系

工況4的結(jié)果見圖7，此時風(fēng)攻角為+3°、阻尼比0.3%量級，主梁渦激響應(yīng)較0°攻角大。在試驗(yàn)風(fēng)速范圍內(nèi)，兩渦振區(qū)幾乎合成一個，最大渦激振幅為0°攻角的2倍，振幅299 mm，前一渦振區(qū)對應(yīng)頻譜見圖8，振動頻率6.94 Hz；后一渦振區(qū)對應(yīng)頻譜見圖9，振動頻率為6.88 Hz，振型特點(diǎn)亦中間兩跨振動幅度最大，方向相反，為主梁反對稱一階振動。工況5結(jié)果見圖10，+3°攻角，阻尼比提高到0.5%量級，兩渦振區(qū)已明顯削弱。阻尼比增大到1.2%時(工況6)，試驗(yàn)未觀察到明顯渦激振動。

0°攻角第一主渦振區(qū)St為0.12，與采用單幅主梁六車道的東京灣通道橋(橋?qū)?9.9 m，跨中橋高6 m)實(shí)測值及風(fēng)洞試驗(yàn)值0.12一致[4]。第二主渦振區(qū)St為0.07(特征尺度D采用跨中主梁高度)。

雙幅主梁渦激振動機(jī)理為第一渦振區(qū)St與東京灣通道橋一致，其渦激振動機(jī)理應(yīng)為上風(fēng)側(cè)主梁在均勻流下的渦激振動響應(yīng)。因分離式雙幅主梁特點(diǎn)為兩幅主梁結(jié)構(gòu)相同，振動模態(tài)完全一致，兩幅主梁距離較近，其中單幅主梁振動在周圍氣流帶動下易激起另一主梁的振動。上風(fēng)側(cè)主梁渦激振動產(chǎn)生的尾流激起下風(fēng)側(cè)主梁發(fā)生共振，其振幅大小與上風(fēng)側(cè)主梁一致；第二渦振區(qū)St較第二渦振區(qū)St約大一倍，可理解為兩幅主梁較單幅主梁特征寬度尺寸增大一倍，其渦激振動機(jī)理為下風(fēng)側(cè)主梁在均勻流下的渦激振動響應(yīng)，下風(fēng)側(cè)主梁的渦激振動反激起上風(fēng)側(cè)主梁發(fā)生共振，表現(xiàn)為下風(fēng)側(cè)主梁渦激振幅大于上風(fēng)側(cè)主梁。

圖9 工況4第2點(diǎn)振幅及頻譜

文獻(xiàn)[1,11]通過半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ陀懻摐u激振動時，無量綱振幅y/D與Sc為Sc=4πζm/ρD2，其中ζ為結(jié)構(gòu)阻尼比，m為單位長度等效質(zhì)量，ρ為空氣密度，D為跨中梁高。試驗(yàn)所測0°攻角時最大無量綱振幅y/D與Sc間關(guān)系見圖11。

圖11 無量綱振幅y/D與Sc關(guān)系

3 結(jié) 論

通過崇啟大橋全橋氣彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)，對連續(xù)鋼箱梁橋抗渦激振設(shè)計(jì)，結(jié)論如下：

(1) 連續(xù)鋼箱梁橋主梁渦激響應(yīng)最大St數(shù)約為0.12表明，大跨度連續(xù)梁橋一階豎彎振動頻率小于0.7 Hz時，發(fā)生渦激振動的風(fēng)速在30 m/s以下，需結(jié)合橋址處風(fēng)環(huán)境考慮是否進(jìn)行專門抗風(fēng)設(shè)計(jì)；而對跨海橋常遇風(fēng)速較高、風(fēng)場湍流度較小情況，需進(jìn)行抗渦激振動研究與設(shè)計(jì)。

(2) 分離式雙幅主梁間易形成共振，渦激響應(yīng)存在兩個渦振區(qū)，第一渦振區(qū)St數(shù)為0.12，第二渦振區(qū)為0.07，前一渦振區(qū)對應(yīng)于上風(fēng)側(cè)主梁渦激響應(yīng)，下風(fēng)側(cè)主梁為上風(fēng)側(cè)主梁渦激響應(yīng)引起的共振，兩側(cè)主梁渦激振幅相當(dāng)，后一渦振區(qū)為下風(fēng)側(cè)主梁渦激響應(yīng)，引起上風(fēng)側(cè)主梁共振，下風(fēng)側(cè)主梁渦激振幅強(qiáng)于上風(fēng)側(cè)主梁。

(3) 附加阻尼對渦激振動有較好抑制作用。結(jié)構(gòu)阻尼比達(dá)到1.2%時，風(fēng)速40 m/s范圍內(nèi)不會發(fā)生明顯渦激振動。

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