劉志文 呂建國(guó) 劉小兵 陳政清

摘要： 針對(duì)大跨雙幅橋面橋梁氣動(dòng)干擾效應(yīng)問(wèn)題，采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，在均勻流場(chǎng)、零度風(fēng)攻角條件下研究了不同間距比時(shí)串列雙幅典型斷面（矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面）的顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)。研究表明：串列雙幅典型斷面發(fā)生顫振失穩(wěn)時(shí)，下游斷面先失穩(wěn)，上游斷面后失穩(wěn)；串列雙幅鈍體斷面（矩形斷面、Π型斷面），當(dāng)間距比D/B為0.2，0.5（D為串列雙幅斷面凈間距，B為單幅斷面寬度）時(shí)，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速低于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速；當(dāng)D/B為1，2，4，6時(shí)，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速高于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速；串列雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速隨間距比D/B增加而增加，在試驗(yàn)間距比范圍內(nèi)（D/B的值為0.3，0.6，1，2，4，5）均小于單幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速，氣動(dòng)干擾效應(yīng)降低了雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速。關(guān)鍵詞： 橋梁工程； 顫振穩(wěn)定性； 氣動(dòng)干擾效應(yīng)； 風(fēng)洞試驗(yàn)； 串列雙幅斷面

中圖分類號(hào)： U441+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1004-4523（2016）03-0403-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.005

引言

在工程實(shí)踐中為了提高橋梁通行能力，可采用兩座平行且鄰近的橋梁，即雙幅橋面橋梁。大跨度雙幅橋面橋梁上下游主梁之間存在氣動(dòng)干擾效應(yīng)，隨著橋梁跨度增大，其抗風(fēng)性能干擾效應(yīng)不容忽視。串列圓柱、方柱及建筑結(jié)構(gòu)氣動(dòng)干擾效應(yīng)很早就受到關(guān)注，并已進(jìn)行了大量研究[1]。Takeuchi等針對(duì)串列矩形斷面氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，研究表明串列雙幅矩形斷面氣動(dòng)干擾效應(yīng)與單幅斷面寬高比及間距等因素有關(guān)[2]。Honda對(duì)日本大板關(guān)西國(guó)際機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)大橋（兩公路梁橋之間夾有一與其平行的鐵路橋梁）氣動(dòng)穩(wěn)定性干擾效應(yīng)進(jìn)行了主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究[3]。Rowan等針對(duì)新塔科馬橋進(jìn)行了雙幅橋面橋梁氣動(dòng)干擾效應(yīng)研究，通過(guò)主梁節(jié)段模型和全橋模型試驗(yàn)研究了兩座橋之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)[4]。Kimura等研究了凈間距對(duì)雙橋面橋梁氣動(dòng)干擾效應(yīng)的影響，研究顯示雙幅橋面橋梁氣動(dòng)干擾問(wèn)題十分復(fù)雜，當(dāng)凈間距與主梁寬之比達(dá)到8以上仍存在一定的干擾效應(yīng)[5]。朱樂(lè)東、郭震山等對(duì)既有橋梁與新建橋梁主梁之間三分力系數(shù)、渦振性能和顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[67]。研究表明：氣動(dòng)干擾效應(yīng)使得箱形斷面雙幅橋與單幅橋相比，顫振臨界風(fēng)速明顯降低；雙幅橋梁豎彎和扭轉(zhuǎn)渦激共振最大幅值和風(fēng)速鎖定區(qū)間都有顯著增加。劉志文等針對(duì)串列雙幅典型斷面渦激振動(dòng)氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究[89]，研究表明：串列雙幅斷面渦振振幅與雙幅斷面凈間距密切相關(guān)。Seo等針對(duì)雙幅斜拉橋氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，研究表明：上游主梁斷面渦振振幅由于氣動(dòng)干擾效應(yīng)而增大，采取相應(yīng)氣動(dòng)措施控制效果并不理想，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)增加結(jié)構(gòu)阻尼可以有效降低渦振振幅[10]。英國(guó)橋梁氣動(dòng)效應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范（BD 49/01）規(guī)定雙幅橋面橋梁抗風(fēng)性能必須予以特別關(guān)注，并給出不同間距比條件下雙幅橋面橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)需關(guān)注的重點(diǎn)[11]。

綜上所述，大跨度雙幅橋面橋梁氣動(dòng)干擾效應(yīng)不容忽視，并受到許多學(xué)者關(guān)注。考慮到實(shí)際橋梁斷面形狀較多，從系統(tǒng)研究的角度考慮，對(duì)實(shí)際橋梁主梁斷面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，從而對(duì)串列雙幅典型斷面氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行研究對(duì)于大跨度雙幅橋面橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要意義。本文對(duì)串列雙幅典型斷面（矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面）顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，以得到不同斷面顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾規(guī)律。

1試驗(yàn)簡(jiǎn)介

對(duì)實(shí)際橋梁主梁斷面進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，設(shè)計(jì)了三類典型斷面，即矩形斷面、Π型斷面和流線型斷面。為了使串列雙幅斷面氣動(dòng)干擾試驗(yàn)研究工況中D/B（D為雙幅斷面凈間距，B為單幅斷面寬度）變化范圍盡量涵蓋實(shí)際橋梁雙幅主梁之間的間距范圍，擬定矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面幾何參數(shù)如下：?jiǎn)畏鶖嗝婺Ｐ蛯挒锽=300 mm（流線型斷面不計(jì)入風(fēng)嘴寬度），高為H=60 mm，具體典型雙幅斷面如圖1所示。

鑒于影響串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性的因素較多，如來(lái)流紊流度、風(fēng)攻角、間距比以及斷面形狀等，本文僅針對(duì)影響串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性的主要因素——斷面形狀及間距比進(jìn)行研究。串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)試驗(yàn)是在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心HD2邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗(yàn)段截面尺寸為3.0 m（寬）×2.5 m（高）×17 m（長(zhǎng)），試驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0.5～58 m/s，該試驗(yàn)段的風(fēng)速方向不均勻性均小于0.5°，空風(fēng)洞湍流度小于0.5%，速度不均勻性小于1%，試驗(yàn)斷面流場(chǎng)品質(zhì)滿足試驗(yàn)要求。采用專門開(kāi)發(fā)的串列雙幅斷面彈性懸掛節(jié)段模型試驗(yàn)裝置，該試驗(yàn)裝置通過(guò)置于風(fēng)洞頂、底板上的槽鋼可方便實(shí)現(xiàn)上下游斷面間距的改變，如圖2所示。采用固定在彈簧端部的力傳感器進(jìn)行模型振動(dòng)響應(yīng)測(cè)試。表1給出了串列雙幅典型斷面顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)， 表 2 給出了串列雙幅典型斷面顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)試驗(yàn)研究工況。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)試驗(yàn)研究時(shí)，所有試驗(yàn)工況顫振臨界風(fēng)速均是由來(lái)流風(fēng)直接激勵(lì)而產(chǎn)生，未進(jìn)行人工激勵(lì)。

2試驗(yàn)結(jié)果

圖3所示分別為單幅矩形斷面、П型斷面和流線型斷面扭轉(zhuǎn)位移根方差隨折算風(fēng)速變化曲線。從圖3中可以看出，П型斷面顫振臨界風(fēng)速最低，矩形斷面顫振臨界風(fēng)速略大于П型斷面顫振臨界風(fēng)速，流線型斷面顫振臨界風(fēng)速最高。

3結(jié)論

在均勻流場(chǎng)、零度風(fēng)攻角下，針對(duì)三類典型斷面分別進(jìn)行了串列雙幅斷面顫振穩(wěn)定性氣動(dòng)干擾效應(yīng)風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到如下主要研究結(jié)論：

（1）串列雙幅典型斷面（矩形斷面、П型斷面及流線型斷面）發(fā)生顫振失穩(wěn)時(shí)，下游斷面先發(fā)生顫振失穩(wěn)，隨后上游斷面發(fā)生顫振失穩(wěn)。

（2）當(dāng)間距比D/B=0.2，0.5時(shí)，串列雙幅鈍體斷面（矩形斷面、П型斷面）顫振臨界風(fēng)速低于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速；當(dāng)D/B=1，2，4，6時(shí)，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速高于單幅鈍體斷面顫振臨界風(fēng)速。

（3）當(dāng)間距比D/B=0.3，0.6，1，2，4，6時(shí)，串列雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速低于單幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速，即氣動(dòng)干擾效應(yīng)降低了雙幅流線型斷面顫振臨界風(fēng)速，在工程實(shí)踐中值得注意。

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