李永樂(lè)， 蘇　洋， 武　兵， 張龍奇， 鄭史雄， 李龍安

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都　610031)

風(fēng)屏障對(duì)大跨度桁架橋風(fēng)致振動(dòng)及車(chē)輛風(fēng)載荷的綜合影響研究

李永樂(lè)， 蘇洋， 武兵， 張龍奇， 鄭史雄， 李龍安

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都610031)

為探究風(fēng)屏障對(duì)大跨度桁架橋風(fēng)致振動(dòng)及車(chē)輛風(fēng)載荷的綜合影響，以某公鐵兩用桁架橋?yàn)楸尘埃赬NJD-1號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行了1∶47.48的縮尺比節(jié)段模型試驗(yàn)，測(cè)試了無(wú)風(fēng)屏障和設(shè)置不同風(fēng)屏障方案時(shí)，車(chē)橋系統(tǒng)中車(chē)輛及橋梁各自的氣動(dòng)力系數(shù)、主梁的顫振臨界風(fēng)速以及主梁的渦振響應(yīng)。結(jié)果表明：大跨度橋梁風(fēng)屏障增加了車(chē)橋系統(tǒng)中主梁的阻力系數(shù)，降低了主梁的升力系數(shù)、車(chē)輛的阻力系數(shù)及升力系數(shù)。設(shè)置風(fēng)屏障使主梁的顫振臨界風(fēng)速降低明顯。風(fēng)屏障在一定程度上可用作抑制主梁渦振的氣動(dòng)措施。

車(chē)橋系統(tǒng)；風(fēng)屏障；顫振；渦振；氣動(dòng)性能

作為連接海島與陸地的跨海工程重要組成部分，跨海大橋所處的特殊自然風(fēng)環(huán)境往往會(huì)對(duì)大跨度橋梁的行車(chē)安全性造成極為不利的影響。在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，列車(chē)氣動(dòng)性能急劇惡化，不僅氣動(dòng)阻力迅速增加，列車(chē)的橫向穩(wěn)定性也會(huì)受到嚴(yán)重影響，甚至將導(dǎo)致列車(chē)脫軌傾覆[1-2]。尤其在跨海大橋上行駛的列車(chē)，由于橋面高程、結(jié)構(gòu)繞流加速等因素，使得風(fēng)對(duì)列車(chē)安全性的影響變得尤為突出。為提高行車(chē)安全性，通常在橋面設(shè)置風(fēng)屏障，因此風(fēng)屏障對(duì)車(chē)輛及橋梁安全性能的影響(簡(jiǎn)稱(chēng)風(fēng)屏障防風(fēng)效果)越發(fā)成為研究熱點(diǎn)。

風(fēng)洞試驗(yàn)是研究風(fēng)屏障防風(fēng)效果的一種重要手段，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)可以進(jìn)行常規(guī)的靜力和動(dòng)力試驗(yàn)，也可以通過(guò)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)試，研究防風(fēng)機(jī)理。Charuvisit等[3]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了車(chē)輛和風(fēng)屏障的氣動(dòng)力，評(píng)價(jià)了橋塔處風(fēng)屏障的防風(fēng)效率。Yeh等[4]將風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬進(jìn)行了對(duì)比，研究了開(kāi)孔形式和風(fēng)向角對(duì)風(fēng)屏障防風(fēng)效果的影響。何旭輝等[5]以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車(chē)為背景，針對(duì)風(fēng)屏障對(duì)典型車(chē)橋組合狀態(tài)下列車(chē)氣動(dòng)特性的影響機(jī)理進(jìn)行了細(xì)致分析。向活躍等[6-7]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)分析了風(fēng)屏障的孔徑對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)特性的影響，并討論了平地路基、高路堤、簡(jiǎn)支橋梁3種典型線(xiàn)路情況下風(fēng)屏障設(shè)置方式、風(fēng)屏障高度等對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響，分析了風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理。張?zhí)锏萚8]將數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，考慮了風(fēng)屏障對(duì)車(chē)輛、橋梁氣動(dòng)性能的影響，分析了風(fēng)屏障不同開(kāi)孔率時(shí)車(chē)輛、橋梁氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律。Kozmar等[9]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，采用PIV技術(shù)，研究了風(fēng)屏障后方的流場(chǎng)特性。郭震山等[10]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD分析，研究了不同安裝位置的風(fēng)屏障減風(fēng)效果及其對(duì)橋梁氣動(dòng)穩(wěn)定性的影響。李永樂(lè)等[11]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了設(shè)置不同風(fēng)屏障情況下車(chē)輛的氣動(dòng)力系數(shù)，采用風(fēng)-車(chē)-橋(線(xiàn))耦合振動(dòng)的分析方法研究車(chē)輛的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，考察了風(fēng)屏障的防風(fēng)效果。

風(fēng)屏障防風(fēng)效果的研究已經(jīng)日漸成熟，但已有研究大多集中在平地、路堤以及中小跨度橋梁上設(shè)置風(fēng)屏障的情況，針對(duì)大跨度橋梁(特別是跨海大橋)風(fēng)屏障的研究還尚有欠缺。由于大跨度橋梁風(fēng)屏障除了考慮風(fēng)屏障對(duì)車(chē)輛的防風(fēng)效果，還需考慮風(fēng)屏障對(duì)橋梁顫振、渦振等風(fēng)致振動(dòng)的影響，因此，大跨度橋梁風(fēng)屏障的防風(fēng)效果研究更加復(fù)雜與多樣化。

對(duì)于大跨度橋梁，主梁結(jié)構(gòu)形式大多為箱梁橋及桁架橋。針對(duì)這兩類(lèi)橋型的風(fēng)洞試驗(yàn)研究較多，文獻(xiàn)[12-13]針對(duì)桁架橋進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)。文獻(xiàn)[14-16]針對(duì)箱梁橋進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗(yàn)。遺憾的是上述研究未涉及到風(fēng)屏障的影響。

關(guān)于大跨度橋梁風(fēng)屏障的研究，目前更偏向于箱梁橋。黃斌等[17]以福州至平潭高速公路跨海路段的海壇海峽大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究了該跨海大橋典型橋段設(shè)置不同規(guī)格風(fēng)屏障和未設(shè)置風(fēng)屏障的風(fēng)環(huán)境。張文明等[18]以主跨1 650 m中央開(kāi)槽鋼箱梁懸索橋?yàn)閷?duì)象，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)比研究了風(fēng)障對(duì)顫振臨界風(fēng)速、氣動(dòng)三分力系數(shù)以及靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響。周奇等[19]通過(guò)數(shù)值模擬，研究了曲線(xiàn)風(fēng)屏障對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境的影響。

相比于箱梁橋，有關(guān)桁架橋風(fēng)屏障的研究更為少見(jiàn)，高亮等[20]針對(duì)桁架橋主梁三分力系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)屏障對(duì)桁架橋主梁靜力三分力系數(shù)的影響規(guī)律，針對(duì)風(fēng)屏障對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)以及車(chē)輛風(fēng)載荷的綜合影響并未進(jìn)行細(xì)致研究。

綜上所述，大跨度橋梁風(fēng)屏障會(huì)明顯改善車(chē)輛的行車(chē)安全性，但是風(fēng)屏障給大跨度橋梁風(fēng)致振動(dòng)帶來(lái)的影響也不容忽視，因此將兩者綜合考慮顯得尤為重要。目前，鮮有文獻(xiàn)涉及到風(fēng)屏障對(duì)大跨度桁架橋風(fēng)致振動(dòng)及車(chē)輛風(fēng)載荷的綜合影響。本文針對(duì)以上不足，以某公鐵兩用跨海大橋?yàn)楸尘?，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，系統(tǒng)測(cè)試了不同風(fēng)屏障方案下，車(chē)橋系統(tǒng)中車(chē)輛及橋梁各自的氣動(dòng)力系數(shù)，主梁的顫振臨界風(fēng)速以及渦振響應(yīng)，探究了風(fēng)屏障對(duì)大跨度桁架橋風(fēng)致振動(dòng)及車(chē)輛風(fēng)載荷的影響。該研究具有工程實(shí)際意義，可為日后大跨度桁架橋風(fēng)屏障設(shè)計(jì)提供一定參考。

1工程概況

1.1節(jié)段模型設(shè)計(jì)

某公鐵兩用跨海大橋全長(zhǎng)1 188 m(132 m+196 m +532 m+196 m+132 m)，上層為6車(chē)道公路，寬34.879 m；下層為雙線(xiàn)鐵路，寬15 m。主梁采用鋼桁梁，主桁高13.527m。橋梁總體布置見(jiàn)圖1。

圖1　某跨海大橋總體布置(mm)Fig.1 General layout of one sea-crossing bridge (mm)

節(jié)段模型試驗(yàn)在西南交通大學(xué)單回流串聯(lián)雙試驗(yàn)段工業(yè)風(fēng)洞(XNJD-1)第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，該試驗(yàn)段斷面為2.4 m(寬)×2.0 m(高)的矩形，最大來(lái)流風(fēng)速為45 m/s，最小來(lái)流風(fēng)速為1 m/s。綜合考慮主梁的寬度和高度以及風(fēng)洞試驗(yàn)段的大小，橋梁和車(chē)輛節(jié)段模型均采用1∶47.48的幾何縮尺比。根據(jù)主梁的斷面形式制作了節(jié)段模型，2.095 m×0.734 6 m×0.284 9 m，模型采用優(yōu)質(zhì)松木和層板制作并按幾何縮尺比嚴(yán)格模擬主梁的幾何外形。模型的鐵路人行道扶手按實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬(保證透風(fēng)率等效)，主梁節(jié)段模型圖見(jiàn)圖2。列車(chē)節(jié)段模型為CRH2，2.095 m×71.2 mm(實(shí)車(chē)寬度3.38 m)，高73.7 mm(實(shí)車(chē)高度3.5 m，未包括車(chē)輪)，其斷面見(jiàn)圖3。

圖2　主梁節(jié)段模型Fig.2 Section model of the main beam

圖3　CRH2列車(chē)斷面圖(mm)Fig.3 Cross section diagram of CRH2 train (mm)

1.2風(fēng)屏障設(shè)計(jì)參數(shù)

由于該橋?yàn)楣F兩用大橋，所以公路及鐵路均要設(shè)置風(fēng)屏障，見(jiàn)圖4。本文風(fēng)屏障參數(shù)見(jiàn)表1。

圖4　風(fēng)屏障模型Fig.4 Model of wind screen

風(fēng)屏障類(lèi)型編號(hào)高度/m透風(fēng)率/%開(kāi)孔形式公路13.046.4條形13.523.043.5鐵路32.5圓孔43.553.036.562.5

注：公路風(fēng)屏障僅1種；鐵路風(fēng)屏障共6種。

2模型風(fēng)洞試驗(yàn)及測(cè)試方法

為了明確風(fēng)屏障對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)以及車(chē)輛風(fēng)載荷的影響，測(cè)試了無(wú)風(fēng)屏障和設(shè)置不同風(fēng)屏障方案(公路風(fēng)屏障不變，僅鐵路風(fēng)屏障改變)時(shí)，車(chē)輛及橋梁各自的氣動(dòng)力系數(shù)、主梁的顫振臨界風(fēng)速以及主梁的渦振響應(yīng)。

2.1風(fēng)屏障對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)性能的影響

2.1.1氣動(dòng)力系數(shù)定義

橋梁和車(chē)輛的氣動(dòng)力系數(shù)定義[21]:

(1)

式中：α為來(lái)流攻角，ρ為空氣密度，H、B、L分別為橋梁或車(chē)輛節(jié)段模型的高度、寬度和長(zhǎng)度，F(xiàn)H(α)、FV(α)、FM(α)分別為不同攻角α情況下采用體軸坐標(biāo)系時(shí)，橋梁或車(chē)輛的側(cè)向阻力、升力、側(cè)向傾覆力矩。

2.1.2測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)

為考慮車(chē)輛和橋梁的相互氣動(dòng)影響，將車(chē)橋作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，先采用交叉滑槽系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩者氣動(dòng)力的分離，然后再利用天平分別進(jìn)行車(chē)輛和橋梁氣動(dòng)力的測(cè)試[21]。試驗(yàn)測(cè)試了單車(chē)位于橋梁迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)軌道，雙車(chē)同時(shí)存在于軌道上時(shí)，風(fēng)攻角為0°情況下，無(wú)風(fēng)屏障和加設(shè)不同風(fēng)屏障方案(公路風(fēng)屏障不變，僅鐵路風(fēng)屏障改變)時(shí)，車(chē)輛及橋梁各自的氣動(dòng)力系數(shù)。

橋梁氣動(dòng)力系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，加設(shè)風(fēng)屏障后，橋梁的阻力系數(shù)增加，但升力系數(shù)卻降低明顯，橋梁力矩系數(shù)變化較小。這是因?yàn)?，在橋梁上安裝風(fēng)屏障以后，氣流流經(jīng)風(fēng)屏障時(shí)將在風(fēng)屏障構(gòu)件上作用氣動(dòng)力，特別是順流向的阻力，從而增大了整個(gè)主梁斷面的阻力系數(shù)，對(duì)于升力，風(fēng)屏障影響了主梁表面比較平穩(wěn)的氣流，使橋面上由于氣流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的上升的黏滯力變小，進(jìn)而升力系數(shù)變小。

車(chē)輛氣動(dòng)力系數(shù)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可知，單車(chē)存在于橋上時(shí)，無(wú)論迎風(fēng)側(cè)還是背風(fēng)側(cè)軌道，設(shè)置風(fēng)屏障后車(chē)輛的阻力系數(shù)及升力系數(shù)均降低，并且相同透風(fēng)率情況下，隨著風(fēng)屏障高度的增加，車(chē)輛的阻力系數(shù)及升力系數(shù)逐漸降低，這是因?yàn)轱L(fēng)屏障有效阻擋了一部分來(lái)流，使直接作用在車(chē)輛上的風(fēng)載荷降低，隨著風(fēng)屏障高度的增加，穿過(guò)風(fēng)屏障孔隙直接作用在車(chē)輛上的氣流減小，而繞過(guò)風(fēng)屏障作用于車(chē)輛后方的氣流增加。

無(wú)論設(shè)置風(fēng)屏障與否，雙車(chē)同時(shí)存在于橋上時(shí)，背風(fēng)側(cè)車(chē)輛明顯受到了迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛的“遮擋效應(yīng)”，因此其阻力系數(shù)減小明顯。設(shè)置風(fēng)屏障后，背風(fēng)側(cè)車(chē)輛阻力系數(shù)較無(wú)風(fēng)屏障情況反而增加，并且相同透風(fēng)率情況下，隨著風(fēng)屏障高度的增加，阻力系數(shù)逐漸降低。這是因?yàn)?，設(shè)置風(fēng)屏障后，氣流流經(jīng)風(fēng)屏障會(huì)形成繞流，一部分氣流會(huì)繞過(guò)迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛而直接作用在背風(fēng)側(cè)車(chē)輛上，導(dǎo)致迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛對(duì)背風(fēng)側(cè)車(chē)輛的“遮擋效應(yīng)”減弱。隨著風(fēng)屏障高度的增加，風(fēng)屏障后方的“防風(fēng)區(qū)域”變寬，一部分氣流會(huì)進(jìn)一步繞過(guò)背風(fēng)側(cè)車(chē)輛而作用于背風(fēng)側(cè)車(chē)輛后方的區(qū)域，因此背風(fēng)側(cè)車(chē)輛的阻力系數(shù)隨著風(fēng)屏障高度的增加而減小。各工況下車(chē)輛的力矩系數(shù)均較小。

對(duì)比各個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn)，透風(fēng)率對(duì)車(chē)輛及橋梁氣動(dòng)力的影響均較為顯著。

表2　橋梁氣動(dòng)力系數(shù)

表3　車(chē)輛氣動(dòng)力系數(shù)

注：高度為0 m時(shí)，即指無(wú)風(fēng)屏障情況(公路及鐵路均未設(shè)置風(fēng)屏障)；有風(fēng)屏障時(shí)，公路風(fēng)屏障方案固定不變，僅鐵路風(fēng)屏障變化。

2.2風(fēng)屏障對(duì)主梁顫振臨界風(fēng)速的影響

2.2.1節(jié)段模型設(shè)計(jì)

由顫振節(jié)段模型設(shè)計(jì)相似性要求,可確定出實(shí)橋主要參數(shù)與節(jié)段模型主要參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)表4)。

表4　顫振試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)參數(shù)

2.2.2顫振風(fēng)洞試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-1工業(yè)風(fēng)洞第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，該試驗(yàn)段設(shè)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行橋梁節(jié)段模型動(dòng)力試驗(yàn)的裝置。顫振試驗(yàn)所用的節(jié)段模型與靜力試驗(yàn)的模型相同，由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運(yùn)動(dòng)和繞模型軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。試驗(yàn)支架置于洞壁外，以免干擾流場(chǎng)。共完成了21個(gè)試驗(yàn)工況，包括無(wú)風(fēng)屏障和加設(shè)6種不同風(fēng)屏障方案(公路風(fēng)屏障不變，僅鐵路風(fēng)屏障改變)，0°、+3°和-3° 3種風(fēng)攻角情況，所有試驗(yàn)工況都是在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行。試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為顫振臨界風(fēng)速。

將節(jié)段模型的顫振試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)橋，不同風(fēng)屏障以及各攻角情況下主梁顫振臨界風(fēng)速見(jiàn)表5。從表5可知，有無(wú)風(fēng)障時(shí)顫振臨界風(fēng)速最小值為87 m/s，仍大于檢驗(yàn)值，說(shuō)明該跨海大橋顫振穩(wěn)定性很好。加設(shè)風(fēng)屏障以后，主梁顫振臨界風(fēng)速較無(wú)風(fēng)屏障情況降低明顯，這說(shuō)明加設(shè)風(fēng)屏障對(duì)橋梁的顫振穩(wěn)定性是不利的。該結(jié)論與部分文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[18]有差異，這可能是因?yàn)橐陨衔墨I(xiàn)的研究對(duì)象均為箱梁橋，而本文研究對(duì)象是公鐵兩用桁架橋。相同透風(fēng)率及風(fēng)攻角情況下，隨著鐵路風(fēng)屏障高度的降低，顫振臨界風(fēng)速增加(僅個(gè)別情況除外)；相同高度及風(fēng)攻角情況下，設(shè)置透風(fēng)率為43.5%鐵路風(fēng)屏障的主梁顫振臨界風(fēng)速總體上高于設(shè)置透風(fēng)率為36.5%的情況。

表5　　主梁顫振臨界風(fēng)速

2.3風(fēng)屏障對(duì)主梁渦振響應(yīng)的影響

2.3.1渦振風(fēng)洞試驗(yàn)

由渦振節(jié)段模型設(shè)計(jì)相似性要求,可確定出實(shí)橋主要參數(shù)與節(jié)段模型主要參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見(jiàn)表6)，主梁高和寬、單位長(zhǎng)度質(zhì)量和質(zhì)量慣矩以及回轉(zhuǎn)半徑同表4。節(jié)段模型渦振試驗(yàn)是在均勻流條件下進(jìn)行，試驗(yàn)風(fēng)速與實(shí)橋風(fēng)速的比值為1∶3.6，試驗(yàn)起步風(fēng)速為1 m/s，風(fēng)速步長(zhǎng)約為0.2 m/s。本次試驗(yàn)包括無(wú)風(fēng)屏障和加設(shè)6種不同風(fēng)屏障方案(公路風(fēng)屏障不變，僅鐵路風(fēng)屏障改變)，0°、+3°和-3° 3種風(fēng)攻角情況，試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容為主梁豎向及扭轉(zhuǎn)渦振響應(yīng)。

2.3.2結(jié)果分析

根據(jù)豎彎及扭轉(zhuǎn)基頻可得：

豎向位移允許振幅：

[ha]=0.04/fb=0.04/0.31=129 mm

扭轉(zhuǎn)位移允許振幅：

[θa]=4.56/(Bfb)=4.56/34.879 5/0.71=0.184°

本文將節(jié)段模型的渦振試驗(yàn)結(jié)果換算到實(shí)橋，無(wú)風(fēng)屏障時(shí)，主梁豎向及扭轉(zhuǎn)渦振見(jiàn)圖5。由圖5可知，無(wú)風(fēng)屏障時(shí)，主梁未發(fā)生豎向渦振，實(shí)橋最大豎向位移出現(xiàn)在+3°攻角情況，僅為25.9 mm，滿(mǎn)足容許值要求；主梁存在明顯的扭轉(zhuǎn)渦振，特別是+3°攻角下，實(shí)橋最大扭轉(zhuǎn)角達(dá)0.419°，超出容許值很多，對(duì)應(yīng)最大扭轉(zhuǎn)響應(yīng)和對(duì)應(yīng)風(fēng)速、斯托勞哈數(shù)(St=fd/U，St為斯托勞哈數(shù)，f為渦脫頻率)為0.35。加設(shè)風(fēng)屏障以后，實(shí)橋豎向渦振結(jié)果見(jiàn)圖6和圖7，由此可以看出，不同鐵路風(fēng)屏障高度情況下，透風(fēng)率為43.5%時(shí)，實(shí)橋最大豎向位移為13.2 mm；透風(fēng)率為36.5%時(shí)，實(shí)橋最大豎向位移為22.6 mm，較無(wú)風(fēng)屏障情況均有所降低；實(shí)橋扭轉(zhuǎn)渦振結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9，由此可知，透風(fēng)率為43.5%時(shí)，實(shí)橋最大扭轉(zhuǎn)角度0.040°；透風(fēng)率為36.5%時(shí)，實(shí)橋最大扭轉(zhuǎn)角度為0.065°，較無(wú)風(fēng)屏障情況降低明顯，均降低到了容許范圍之內(nèi)。這說(shuō)明，設(shè)置風(fēng)屏障對(duì)橋梁的渦振性能是有利的，這是因?yàn)轱L(fēng)屏障為多孔介質(zhì)模型，其打亂了氣流在主梁斷面上形成的旋渦形態(tài)，使旋渦的周期性交替脫落現(xiàn)象減弱，一定程度上抑制了渦振的發(fā)生。

圖5 主梁渦振響應(yīng)(無(wú)風(fēng)屏障)Fig.5Vortex-inducedvibrationresponseofmainbeam(withoutwindscreen)圖6 不同風(fēng)屏障高度下主梁豎向渦振響應(yīng)(透風(fēng)率43.5%)Fig.6Verticalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:43.5%)

圖7 不同風(fēng)屏障高度下主梁豎向渦振響應(yīng)(透風(fēng)率36.5%)Fig.7Verticalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:36.5%)圖8 不同風(fēng)屏障高度下主梁扭轉(zhuǎn)渦振響應(yīng)(透風(fēng)率43.5%)Fig.8Torsionalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:43.5%)圖9 不同風(fēng)屏障高度下主梁扭轉(zhuǎn)渦振響應(yīng)(透風(fēng)率36.5%)Fig.9Torsionalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:36.5%)

3結(jié)論

在研究大跨度橋梁風(fēng)屏障的防風(fēng)效果時(shí)，應(yīng)該將其對(duì)車(chē)輛以及橋梁的影響綜合考慮，本文通過(guò)探究風(fēng)屏障對(duì)大跨度桁架橋風(fēng)致振動(dòng)以及車(chē)輛風(fēng)載荷的影響，可以得出如下結(jié)論：

(1) 風(fēng)屏障會(huì)導(dǎo)致車(chē)橋組合狀態(tài)下，主梁阻力系數(shù)增加，升力系數(shù)降低；單車(chē)位于橋梁迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)軌道時(shí)，車(chē)輛阻力系數(shù)及升力系數(shù)均降低；雙車(chē)共存于軌道時(shí)，背風(fēng)側(cè)車(chē)輛阻力系數(shù)反而增加。風(fēng)屏障透風(fēng)率對(duì)車(chē)輛以及橋梁氣動(dòng)力系數(shù)的影響較為顯著；

(2) 有無(wú)風(fēng)屏障，該橋顫振臨界風(fēng)速均滿(mǎn)足檢驗(yàn)風(fēng)速的要求，該橋顫振穩(wěn)定性很好；設(shè)置風(fēng)屏障后，主梁顫振臨界風(fēng)速降低明顯，這說(shuō)明風(fēng)屏障會(huì)導(dǎo)致該桁架橋的顫振穩(wěn)定性降低，在今后大跨度桁架橋風(fēng)屏障設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)考慮風(fēng)屏障對(duì)該類(lèi)橋梁顫振穩(wěn)定性造成的不利影響。

(3) 大跨度橋梁風(fēng)屏障會(huì)明顯抑制主梁渦振響應(yīng)，特別是主梁扭轉(zhuǎn)渦振響應(yīng)降低到了允許范圍之內(nèi)，這說(shuō)明風(fēng)屏障在一定程度上可以作為抑制該類(lèi)主梁渦振的氣動(dòng)措施。

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Comprehensive effect of wind screens on wind-induced vibration of long-span truss bridge and wind loads of vehicles

LI Yong-le, SU Yang, WU Bing, ZHANG Long-qi, ZHENG Shi-xiong, LI Long-an

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the comprehensive effect of wind screens on the wind-induced vibration of long-span truss bridge and the wind loads of vehicles, based on a road-cum-rail truss bridge, a 1:47.48 scale sectional model was tested in the XNJD-1 wind tunnel. The aerodynamic coefficients of the vehicle and the bridge in a vehicle-bridge system, the critical flutter velocity and the vortex-induced vibration response of the main beam were tested without and with different wind screens. The results show that when the wind screen is installed on the long-span bridge, the drag coefficient of the bridge in the vehicle-bridge system increases while the lift coefficient of the bridge decreases. As for the vehicle, the drag coefficient and the lift coefficient both decrease. It is also suggested that the wind screens decrease the critical flutter velocity significantly, and the wind screen could be used as the aerodynamic measure for mitigating a vortex-induced vibration of main beam.

vehicle-bridge system; wind screen; flutter vibration; vortex-induced vibration; aerodynamic characteristics

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.022

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(U1334201;51278434)；國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題(2012BAG05B02)

2015-04-02修改稿收到日期：2015-06-27

李永樂(lè) 男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，1972年生

U24

A