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(1.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;3.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

風(fēng)攻角對分離雙扁平箱梁渦振特性的影響

劉小兵1,3，陳帥2，張海東2，張勝斌2

(1.石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊 050043;2.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;3.河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050043)

在均勻流場中進(jìn)行了分離雙扁平箱梁渦激振動節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了-5° ～ +5° 間8個不同風(fēng)攻角下分離雙箱梁在D/B=0.1(D為雙箱梁的凈間距，B為單箱梁的寬度)時的渦振特性，并將結(jié)果與單箱梁的結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果顯示：+5°風(fēng)攻角下，上下游箱梁的渦激振動受到了抑制，表現(xiàn)為振幅的減小和風(fēng)速鎖定區(qū)間的縮短；隨著風(fēng)攻角的逐漸變小，這種抑制效應(yīng)逐漸變?nèi)?，并轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯笮?yīng)； +2°風(fēng)攻角下，單箱梁未發(fā)生渦激振動現(xiàn)象，但上下游箱梁均發(fā)生了比較明顯的渦激振動。

渦激振動；分離雙箱梁；風(fēng)攻角；風(fēng)洞試驗(yàn)

0 引言

隨著近年來交通流量的不斷增大，現(xiàn)代橋梁常采用上下行分離的雙箱梁結(jié)構(gòu)，如連接上海崇明區(qū)和江蘇省啟東市的崇啟大橋、廣東佛山平勝大橋、青島海灣大橋紅島航道橋等等。這類橋的分離雙箱梁一般具有相同的外形、質(zhì)量及頻率特性。由于主梁的阻尼小，且兩分離箱梁之間存在氣動干擾問題，導(dǎo)致這類橋比較容易發(fā)生渦激振動。

由于氣動干擾效應(yīng)的影響，與單箱梁相比，分離雙箱梁在某些特定間距和風(fēng)攻角下的渦振特性可能會變差。針對分離雙箱梁的渦激振動問題，已有一些研究者開展了相關(guān)研究工作。Kimura 采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的手段研究了不同間距時某分離雙箱梁橋的渦振特性[1]，研究結(jié)果表明：雙箱梁渦激振動的干擾效應(yīng)很顯著，即使當(dāng)雙箱梁的凈間距為8倍的單箱梁寬時，這種干擾效應(yīng)仍不可忽略。陳政清等針對佛山平勝橋進(jìn)行了渦激振動風(fēng)洞試驗(yàn)[2]，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著間距的增大，雙箱梁渦激振動的氣動干擾效應(yīng)逐漸減弱，當(dāng)D/B≥0.8(D為雙箱梁的凈間距，B為單箱梁的寬度)時氣動干擾的影響已經(jīng)很小。劉志文等針對串列雙流線型箱梁斷面開展了節(jié)段模型渦激振動試驗(yàn)研究[3]，研究發(fā)現(xiàn)：氣動干擾對上游箱梁渦激振動的影響在D/B≤3時表現(xiàn)為增大效應(yīng)，在D/B>3 時影響很小; 下游箱梁的渦激振動主要受上游箱梁渦振振幅的影響。朱樂東等通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了氣動干擾對某分離雙箱梁橋渦振特性的影響，試驗(yàn)風(fēng)攻角為0°、-3°和+3°[4]，研究結(jié)果表明：氣動干擾效應(yīng)與來流風(fēng)攻角有關(guān)，+3°風(fēng)攻角時，氣動干擾效應(yīng)最顯著，0°風(fēng)攻角的干擾效應(yīng)次之，-3°風(fēng)攻角的干擾效應(yīng)最小。廖海黎等基于全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了崇啟大橋分離雙鋼箱梁的渦振特性[5]，研究發(fā)現(xiàn)：雙箱梁的渦激振動存在兩個渦振區(qū)；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。

綜合以上文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，間距和風(fēng)攻角是分離雙箱梁渦振特性的兩個主要影響因素。目前的相關(guān)研究側(cè)重分析分離雙箱梁的渦振特性隨間距的變化規(guī)律，風(fēng)攻角對分離雙箱梁渦振特性的影響研究較少。本文以某座分離雙扁平箱梁橋?yàn)楸尘?，開展了一系列的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)研究了-5° ～ +5°間8個不同風(fēng)攻角下分離雙箱梁的渦振特性，并將結(jié)果與單箱梁的結(jié)果進(jìn)行了對比，探討了風(fēng)攻角對分離雙箱梁渦激振動的影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

某分離雙箱梁橋設(shè)計方案由相鄰的兩幅斜拉橋共同組成，單幅主梁采用扁平封閉鋼箱加勁梁，梁寬為18.5m，梁高為3.2m。以該橋?yàn)楣こ瘫尘?，?∶50的幾何縮尺比設(shè)計的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示。單箱梁模型寬B=370mm，高H=64mm，長L=2 000mm，雙箱梁模型之間的凈間距為D。在本試驗(yàn)中，雙箱梁模型的凈間距D與單箱梁模型寬B之比D/B為0.1。

圖1 雙箱梁模型的幾何參數(shù)(單位：mm)

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞低速試驗(yàn)段中進(jìn)行，試驗(yàn)流場為均勻流場。試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)照片如圖2和圖3所示，上下游箱梁模型分別通過8根彈簧懸掛。風(fēng)洞試驗(yàn)過程中模型振動引起的彈簧張力時程通過力傳感器測得。根據(jù)彈簧的張力時程和預(yù)先標(biāo)定好的彈簧剛度，由胡克定律可以得到模型的振動位移時程。表1列出了模型的試驗(yàn)參數(shù)。兩箱梁模型的質(zhì)量、頻率及阻尼比等基本保持一致。

分別針對單箱梁模型和分離雙箱梁模型進(jìn)行了渦激振動測試，來流風(fēng)攻角分別為+5°、+4°、+3°、+2°、+1°、0°、-3°和-5°。定義斜向上吹向模型的來流風(fēng)為正攻角來流風(fēng)，斜向下吹向模型的來流風(fēng)為負(fù)攻角來流風(fēng)。試驗(yàn)的風(fēng)速范圍為2.7～13.8 m/s。

表1 分離雙箱梁模型的試驗(yàn)參數(shù)

圖2 風(fēng)洞試驗(yàn)裝置示意

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)照片

2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：在測試的風(fēng)速范圍內(nèi)，-5°～ +5°之間各風(fēng)攻角下單箱梁模型及分離雙箱梁模型均沒有發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)渦激振動現(xiàn)象。

在+5°、+4°和+3°風(fēng)攻角下，單箱梁模型發(fā)生了豎彎渦激振動現(xiàn)象。圖4為+5°風(fēng)攻角，風(fēng)速為5.5 m/s時單箱梁模型的豎向位移時程及幅值譜。需要特別說明的是，本文中給出的所有位移(或振幅)均為試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈灰?或振幅)，風(fēng)速均為風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速。從圖4(a)可以發(fā)現(xiàn),單箱梁的振動為類諧波振動。從圖4(b)可見兩個卓越頻率，其中較大幅值對應(yīng)的頻率與單箱梁的固有豎向頻率非常接近，約為5.76 Hz。較小幅值對應(yīng)的頻率約為單箱梁固有豎向頻率的2倍。

圖4 單箱梁的豎向位移時程及幅值譜(風(fēng)攻角+5°V=5.5 m/s)

圖5 單幅箱梁的豎向振幅隨風(fēng)速的變化曲線

圖5為單箱梁在8個不同風(fēng)攻角下的豎向振幅隨風(fēng)速的變化曲線。可以看到， +5°風(fēng)攻角時渦激振動的風(fēng)速鎖定區(qū)間為3.6～5.7 m/s，在5.5 m/s左右的風(fēng)速下振幅最大。隨著風(fēng)攻角的逐漸減小，單箱梁渦激振動的振幅逐漸變小，風(fēng)速鎖定區(qū)間逐漸變短。這說明單箱梁的渦激振動性能隨著風(fēng)攻角的減小逐漸變好。

風(fēng)攻角為+5°、+4°、+3°和+2°時，分離雙箱梁模型發(fā)生了比較明顯的豎彎渦激振動現(xiàn)象。圖6顯示了風(fēng)攻角為+5°，風(fēng)速V=3.6 m/s時上下游箱梁的豎向位移時程及幅值譜。限于篇幅，其它風(fēng)攻角下的豎向位移時程及幅值譜沒有給出。從圖6(a)可以看到，上下游箱梁的振動雖然均為類諧波振動。但振動并不同步。從圖6(b)可以發(fā)現(xiàn)，上下游箱梁均可見兩卓越頻率，其中較大幅值對應(yīng)的頻率與單箱梁的固有豎向頻率非常接近，較小幅值對應(yīng)的頻率約為單箱梁固有豎向頻率的2倍。

圖6 分離雙箱梁的豎向位移時程及幅值譜(風(fēng)攻角+5°V=3.6 m/s)

圖7所示為不同攻角上游箱梁與下游箱梁的豎向振幅隨風(fēng)速的變化曲線。

圖7 不同攻角時上下游箱梁的豎向振幅隨風(fēng)速的變化曲線

圖8 上下游箱梁最大振幅隨風(fēng)攻角的變化曲線

圖8所示為上游箱梁和下游箱梁的最大豎向振幅隨風(fēng)攻角的變化曲線，并與單箱梁的最大豎向振幅進(jìn)行了對比。表2列出了不同風(fēng)攻角下雙箱梁的渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間及長度，并與單箱梁的結(jié)果進(jìn)行了對比。

綜合圖7、圖8和表2可以發(fā)現(xiàn)：

(1)+5°風(fēng)攻角下，上下游箱梁的最大振幅值均小于單箱梁的最大振幅值，風(fēng)速鎖定區(qū)間長度均比單箱梁的風(fēng)速鎖定區(qū)間長度短。這表明，在此風(fēng)攻角下，雙箱梁的渦激振動受到了一定的抑制作用。

(2)+4°風(fēng)攻角下，上下游箱梁的最大振幅值均小于單箱梁的最大振幅值，風(fēng)速鎖定區(qū)間長度均比單箱梁的風(fēng)速鎖定區(qū)間長度短，但與+5°風(fēng)攻角的結(jié)果相比，+4°風(fēng)攻角下的這種差異相對較小。這表明，在+4°風(fēng)攻角下，雙箱梁的渦激振動仍受到抑制，只不過這種抑制效應(yīng)變?nèi)趿恕?/p>

(3)+3°風(fēng)攻角下，上游箱梁的最大振幅值大于單箱梁的最大振幅值，下游箱梁的最大振幅值雖然仍小于單箱梁的最大振幅值，但與+5°和+4°風(fēng)攻角相比，這種差異進(jìn)一步變小。這說明，隨著風(fēng)攻角的進(jìn)一步減小，雙箱梁渦激振動的抑制效應(yīng)進(jìn)一步減小，并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯笮?yīng)。

(4)+2°風(fēng)攻角下，單箱梁未發(fā)生渦激振動現(xiàn)象，但上下游箱梁均發(fā)生了比較明顯的渦激振動現(xiàn)象。這表明，與+3°風(fēng)攻角相比，雙箱梁渦激振動的放大效應(yīng)得到了加強(qiáng)。

表2 不同攻角下單箱梁與雙箱梁渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間及長度

在D/B=0.1左右的較小間距時，上游箱梁背風(fēng)面和下游箱梁迎風(fēng)面之間的風(fēng)效應(yīng)可能類似于與雙圓(方)柱的臨界間距效應(yīng)[6-7]。當(dāng)兩箱梁的間距小于臨界間距時，下游箱梁的存在會對上游箱梁尾部的旋渦脫落產(chǎn)生一定的抑制作用；當(dāng)兩箱梁的間距大于臨界間距時，下游箱梁的存在會對上游箱梁尾部的旋渦脫落產(chǎn)生一定的放大作用。在+5°風(fēng)攻角下，雙箱梁的臨界間距可能大于0.1倍的單箱梁寬，因而，其渦振受到抑制作用。隨著風(fēng)攻角的變小，雙箱梁的臨界間距可能逐漸變小，并小于0.1倍的單箱梁寬，因而，隨著風(fēng)攻角的變小，這種抑制效應(yīng)逐漸變?nèi)?，并最終轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯笮?yīng)。

3 結(jié)論

基于節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了-5° ～ +5°間不同風(fēng)攻角下單幅扁平箱梁的渦振特性及分離雙扁平箱梁在D/B=0.1(D為雙箱梁的凈間距，B為單箱梁的寬度)時的渦振特性，主要得到了兩點(diǎn)結(jié)論：

(1)單箱梁在+5°風(fēng)攻角時的渦振振幅最大，風(fēng)速鎖定區(qū)間最長。隨著風(fēng)攻角的減小，單箱梁的渦激振動性能逐漸變好。

(2)雙箱梁的渦振特性與來流風(fēng)攻角密切相關(guān)，在+5°風(fēng)攻角下，上下游箱梁的渦激振動受到抑制，表現(xiàn)為振幅的減小和風(fēng)速鎖定區(qū)間的縮短；隨著風(fēng)攻角的逐漸變小，這種抑制效應(yīng)逐漸減弱，并轉(zhuǎn)變?yōu)榉糯笮?yīng)。

本文僅在D/B=0.1這種特定的間距下研究了風(fēng)攻角對分離雙扁平箱梁渦振特性的影響。為了全面深入掌握風(fēng)攻角對分離雙扁平箱梁渦振特性的影響規(guī)律，在后續(xù)的研究中，將在多個不同的間距下開展研究工作。

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EffectofWindAttackingAngleonVortexInducedVibrationCharacteristicsofTwinSeparateFlatBoxGirders

LiuXiaobing1,3,ChenShuai2,ZhangHaidong2,ZhangShengbin2

(1. Structural Health Monitoring and Control Institute, Shijiazhuang TieDao University, Shijiazhuang 050043, China;2. School of Civil Engineering, Shijiazhuang TieDao University, Shijiazhuang 050043, China;3. Key Lab of Structural Health Monitoring and Control of Hebei Province, Shijiazhuang 050043, China)

Sectional model wind tunnel tests are carried out in the uniform flow field for twin separate flat box girders underD/B=0.1 (Dis net distance of twin separate flat box girders andBis width of single flat box girder) and wind attacking angle ranging from -5° to +5°. Vortex induced vibration characteristics of twin separate flat box girders are studied and compared with that of single box girder. The results show that when the wind attacking angle is +5°, the vibration amplitude and wind speed range of both upstream and downstream flat box girders are smaller than those of single flat box girder. With decreasing of wind attacking angle, this suppression effect becomes weak and changes to amplification effect gradually. When the wind attacking angle is +2°, no vortex induced vibration occurs for single box girder, while comparatively large vortex induced vibrations is observed for twin box girders.

vortex induced vibration;twin separate box girders;wind attacking angle;wind tunnel test

TU311.3

： A

： 2095-0373(2017)03-0001-05

2016-09-26責(zé)任編輯:劉憲福

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.03.01

國家自然科學(xué)基金(51308359)；河北省高等學(xué)?？茖W(xué)技術(shù)研究基金(QN20131169，QN2015213)

劉小兵(1982-)，男,副教授,主要從事橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究。E-mail:x_b_liu@126.com 劉小兵，陳帥，張海東，等.風(fēng)攻角對分離雙扁平箱梁渦振特性的影響[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2017,30(3):1-5.