曾要爭

(重慶市交通規(guī)劃勘察設計院, 重慶 401121)

渦激振動是一種具有自激和限幅雙重性質的風致振動，大跨度橋梁在低風速下很容易出現渦激振動響應[1]。中國香港昂船洲大橋[2]、丹麥Great Belt East橋[3]、俄羅斯伏爾加河大橋等均出現過渦振現象。由于渦激振動發(fā)生在常見風速范圍內且會影響橋上行人的舒適度和行車安全，長時間的振動也會引起結構的疲勞破壞[4]，因此，進行橋梁結構渦振試驗及抑振措施研究是使其能正常使用的保障。

流線型鋼箱梁截面接近流線型、氣動特性相對較好，常被應用于大跨度懸索橋或斜拉橋。實際中，由于各種因素的限制，存在風嘴短而鈍的流線型鋼箱梁斷面，且考慮人行道欄桿、檢修車軌道等作用后，會進一步弱化主梁的渦振性能。表1列出了部分已建成的采用流線型鋼箱梁的大跨度橋梁。王騎[9]研究了欄桿透風率、導流板、斜腹板傾角及風嘴寬度和角度等對南京四橋主梁渦振性能的影響。Ma[18]等分析了均勻流和紊流中阻尼比對蘇通大橋主梁渦振性能的影響。楊陽[19-20]等對分析了大攻角及橋面不平度等對寸灘大橋主梁渦振性能的影響，但對渦振的機理解釋相對較少。

本文以某市政大跨度流線型鋼箱梁懸索橋為背景，通過1∶50節(jié)段模型風洞試驗研究其渦振性能，結合CFD數值計算結果，分析了渦振產生的主要原因；提出欄桿隔三封一、設置導流板、改變風嘴角度等氣動措施，探討了相關抑制機理，給出最優(yōu)方案，對以后同類橋梁渦振性能優(yōu)化有一定的指導和借鑒意義。

表1 現狀用地統計

1 節(jié)段模型風洞試驗及渦振性能

1.1 工程概況

某主跨410 m的單主纜懸索橋，橋塔采用混凝土結構，主梁采用流線型鋼箱梁。橋寬36.4 m，高3.5 m，主梁寬高比為10.4，風嘴截面夾角為79.6°，風嘴寬0.6 m，風嘴短而鈍(圖1)。橋梁結構的主要振型以及對應的頻率見表2。

圖1 主梁斷面 (單位：cm)

根據JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風設計規(guī)范》的有關規(guī)定，按一階對稱豎彎和一階對稱扭轉頻率計算的渦振振幅允許值分別為：0.1386 m和0.1896 °。

1.2 試驗模型及相關參數

為研究該橋的渦振性能，制作主梁的節(jié)段模型進行風洞試驗。節(jié)段模型的幾何縮尺比為1∶50，模型長2.095 m，寬0.728 m，高0.070 m，且風洞試驗阻塞比小于5 %。模型采用優(yōu)質木材和塑料板制作，人行道欄桿等附屬構件均采用高級塑料板由數控雕刻機制作而成。試驗在均勻流場中進行，節(jié)段模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，且模型兩端設置端板(圖2)，相關試驗參數見表3。

表2 橋梁動力特性 Hz

圖2 節(jié)段模型

參數實橋模型第一階對稱豎彎頻率/Hz0.28873.59第一階對稱扭轉頻率/Hz0.66099.53質量/(kg·m-1)2506010.47質量慣性矩/(kg·m2·m-1)23762211.023

1.3 渦振性能

本文主要分析阻尼比為0.3 %，攻角為±5°、±3°和0°時主梁的渦振性能。

成橋狀態(tài)下，主梁在-3°、-5°攻角時，未出現明顯的渦激振動(未列出數據)。攻角為0°、+3°、+5°時，主梁出現了明顯的豎向和扭轉渦振(圖3)。0°攻角時，主梁出現了1個豎向渦振區(qū)和1個扭轉渦振區(qū)，其中扭轉渦振的最大振幅略大于規(guī)范允許值。+3°攻角時，主梁出現了2個豎向渦振區(qū)和2個扭轉渦振區(qū)，其中第2個豎向渦振區(qū)的主梁豎向最大振幅為438 mm，遠大于規(guī)范允許值；2個主梁扭轉渦振區(qū)的鎖定區(qū)間分別為15～20 m/s和30～40 m/s，其最大振幅分別為0.50°和0.41°，均遠超出了規(guī)范的要求值。+5°攻角時，出現了1個豎向渦振區(qū)和1個扭轉渦振區(qū)，其中，最大渦振振幅對應的風速均在30 m/s左右，與該橋主梁設計基準風速30.1 m/s較接近。因此，本文重點關注風速小于主梁高度處設計基準風速時主梁的渦振性能，即風攻角3°和0°時的主梁渦振性能。

中國特色社會主義制度自信是中國自信的首要標志。國家自信是一個國際情境下的概念，換句話說，一個國家是否自信存在于與其他國家的共存、比較和相互交往之中。一個國家因何、憑何而自信，其指向物并不唯一，可能是自然稟賦、后天能力，可能是硬實力、軟實力。在這些自信的依據中，制度是其中最特殊的一個，因為制度是國家的本體，不是國家的所屬物，制度的質變或者消亡，意味著國家的改變或滅亡。所以，國家之間的比較和較量，制度起著關鍵的不可替代的作用。就中國而言，中國特色社會主義制度自信是中國自信的核心內容和首要標志。

(a)豎向

(b)扭轉圖3 原截面的主梁斷面渦振響應

1.4 渦振影響因素

氣流流經結構斷面時產生復雜的漩渦脫落，從而使結構發(fā)生渦激振動。已有的研究[17]表明，欄桿、檢修車軌道等附屬設施會造成漩渦脫落從而引起主梁發(fā)生渦激振動。為有效地探究鈍角風嘴箱梁渦振產生的原因，試驗時去掉欄桿及檢修車軌道，結果表明主梁渦振消失，明確了引起主梁渦振的影響因素，且單純的鈍角風嘴不會使流線型鋼箱梁產生渦振；但實際中欄桿及檢修車軌道不可能去除，因此后續(xù)主要基于欄桿及檢修車軌道探究主梁渦振的氣動控制措施(圖4)。

1.5 CFD流跡顯示

為了對該主梁斷面的渦振性能有進一步認識，基于CFD數值模擬軟件不僅可以再現主梁斷面周圍的繞流情況，也可以定性認識渦振產生的原因，更有利于尋找氣動控制措施。

圖5所示為+3°攻角時，主梁周圍的流線圖。氣流流經主梁斷面，在迎風側欄桿、檢修車軌道后形成較大的漩渦，形成較大的負壓區(qū)，同時在迎風側人行道欄桿后形成較小的漩渦；背風側欄桿前緣、檢車車軌道后及主梁背風側風嘴處產生較小的漩渦，對主梁產生渦激力，從而引發(fā)渦激振動。

2 氣動控制措施

基于1.3節(jié)及1.4節(jié)中渦振誘因分析，提出針對欄桿透風率、風嘴角度以及設置導流板等氣動控制措施優(yōu)化主梁的渦振性能，具體工況見表4。

2.1 欄桿及導流板

(a)豎向

(b)扭轉圖4 去掉欄桿及檢修車軌道的主梁斷面渦振響應

欄桿及檢修車軌道作為橋梁附屬結構的一部分，是不能拆除的。管青海等[15]研究了封閉欄桿上部空隙對帶長懸臂倒梯形單箱斷面渦振性能的影響，本文借鑒該研究成果，

圖5 主梁流線

嘗試將欄桿隔三封一(2 m封閉+6 m鏤空+2 m封閉)，降低其透風率，分析對主梁渦振性能的影響；文獻[14-16]分析了導流板對主梁渦振性能的影響，借鑒該研究成果，試驗在檢修車軌道后方布置0.4 m寬導流板，試驗結果如圖6所示。

從圖6可以看出，對欄桿進行隔三封一后，主梁豎向及扭轉渦激振動消失。這可能是因為，人行道欄桿可以比擬為H型斷面的翼緣板，與主梁一起形成“半H型”斷面，氣流遇到欄桿時會發(fā)生分離，并在橋面上方產生大量的漩渦，漩渦脫落頻率與結構頻率一致時發(fā)生渦振，對欄桿進行隔三封一更有利于破壞較大的漩渦，形成許多小的漩渦，有效的抑制主梁渦激振動。但是，對欄桿隔三封一可能會影響市政橋梁的美觀。

布置導流板后，主梁豎向渦振的最大振幅有大幅度減小，渦振鎖定區(qū)間有微小變化；主梁第1個扭轉渦振區(qū)消失，但是第2個扭轉渦振區(qū)最大振幅為0.75 °，大于原主梁斷面扭轉渦振的最大振幅，風速區(qū)間由30～40 m/s變?yōu)?5～40 m/s。設置導流板后主梁豎向渦振的最大振幅仍不同程度的高于中國規(guī)范的允許值。

(a)豎向

(b)扭轉圖6 設導流板的主梁渦激振動響應

2.2 風嘴的結構形式

文獻[10]詳細分析了風嘴角度對封閉和半封閉主梁渦振性能的影響，結構表明：風嘴角度的改變使得橋梁斷面附近的繞流形態(tài)發(fā)生了變化。文獻[9]也認為短而鈍的風嘴會弱化主梁的渦振性能。鑒于此，為了分析風嘴對主梁渦激振動性能的影響，選取主梁加設小風嘴和大風嘴兩種工況進行對比，結果如圖7所示。

(a)豎向

(b)扭轉圖7 加風嘴工況主梁渦激振動響應

從圖7中可以看出，加設小風嘴后，主梁豎向渦振消失；第1個扭轉渦振鎖定區(qū)的渦振消失，第2個渦振區(qū)的最大渦振振幅減小，鎖定區(qū)間變?yōu)?5～40 m/s。加設大風嘴后，主梁豎向最大渦振振幅有一定程度的減小，略大于中國規(guī)范允許值，鎖定區(qū)間有微小變化；扭轉渦振最大振幅變化不大，渦振鎖定區(qū)間由15～20 m/s變?yōu)?3～20 m/s，由30～40 m/s變?yōu)?2～30 m/s。

總之，加設小風嘴對主梁渦振的抑制效果明顯優(yōu)于大風嘴，但對扭轉渦振的抑制效果不理想。

2.3 組合氣動措施

單獨設置導流板或者風嘴后，主梁豎向和扭轉渦振的最大振幅仍高于中國規(guī)范的允許值，考慮導流板加人行道板改為斜邊、導流板加小風嘴和導流板加大風嘴三種組合氣動措施工況(每種措施相關參數及位置不變)，對主梁渦振性能進行對比研究，結果如圖8所示。

(a)豎向

(b)扭轉圖8 導流板加風嘴工況主梁渦激振動響應

從圖8中可知，考慮導流板加人行道板改為斜邊后，主梁豎向渦振第1渦振區(qū)最大振幅略有減小，第2個渦振區(qū)最大振幅減小為原斷面主梁最大振幅的59 %，但仍高于規(guī)范允許值；主梁第1個扭轉渦振消失，第2個渦振區(qū)最大振幅減小為原主梁最大振幅的約71 %，鎖定區(qū)間變化不大。導流板加人行道板改為斜邊與單獨考慮導流板對主梁豎向渦振的抑制效果基本相同，但對扭轉渦振抑制效果相對更優(yōu)。

考慮導流板加設大風嘴的工況，主梁豎向渦振的最大振幅減小且小于中國規(guī)范的允許值，抑振效果明顯優(yōu)于單獨考慮加設導流板或單獨加設大風嘴工況；主梁第1渦振區(qū)扭轉渦振消失，第2渦振區(qū)最大渦振振幅較單獨考慮導流板或單獨加設大風嘴有所減小，但仍高于中國規(guī)范的允許值。

考慮加設導流板加小風嘴后，主梁豎向渦振消失，扭轉渦振的最大振幅較單獨加小風嘴或單獨加導流板時明顯減小，且略低于中國規(guī)范的允許值。該工況對主梁渦振抑制效果最為明顯。

2.4 繞流形態(tài)與作用機制

采用1.5節(jié)中的CFD數值模擬技術，對加設導流板及加設小風嘴兩種氣動控制措施進行了繞流模擬，并給出了主梁斷面周圍的流線圖(圖9)。

(a) 加設導流板后流線

(b) 加小風嘴后流線圖9 抑制機制

從圖9(a)可以看出，加設導流板后，相比于原斷面，檢修車軌道后漩渦相對較小導流板起到了引流的作用；在主梁上表面迎風側形成許多小漩渦，原斷面上表面迎風側的較大漩渦向背風側移動，主梁背風側漩渦后移到風嘴處。由此可知，加設導流板可以減弱檢修車軌道后氣流的分離，但對主梁上表面漩渦影響較小。

從圖9(b)可以看出，加設小風嘴后，主梁上表面及檢修車軌道后形成較小的漩渦，迎風側檢修車軌道后形成較小的漩渦，背風側風嘴處漩渦向下游移動，原斷面周圍較大的漩渦變?yōu)樾〉匿鰷u，這也是加設小風嘴抑振效果相對較好的原因，由此可知風嘴角度可以改善主梁的繞流形態(tài)，改善主梁的渦振性能。

2.5 抑制效果評價

為了評價上述氣動措施對短而鈍風嘴的流線型鋼箱梁渦振的抑制效果，本文定義了評定渦振氣動控制措施的抑振效果的指標，主梁渦振最大振幅抑制指標ξ，定義如下：

式中：A、Ai分別為原主梁斷面、加氣動措施后的主梁斷面的最大渦振振幅。

圖10給出了氣動控制措施的抑振效果，其中欄桿隔三封一、加設小風嘴、加設導流板及小風嘴對主梁的豎向渦振抑制效果明顯；欄桿隔三封一、加設導流板及小風嘴對主梁的扭轉渦振抑制效果明顯，加設導流板、大風嘴時雖然對主梁的豎向渦振有一定的抑制效果，但會對主梁的扭轉渦振最大振幅產生放大作用。因此，綜合評價后認為單獨加設導流板、大風嘴不可取，欄桿隔三封一、導流板加設小風嘴的抑振措施最為明顯，綜合考慮市政橋梁的美觀，推薦加設導流板加小風嘴優(yōu)化主梁的渦振性能。

(a)豎向

(b)扭轉圖10 渦振氣動措施抑制效果

3 結論

對某市政懸索橋帶有短而鈍風嘴的流線型鋼箱梁進行節(jié)段模型風洞試驗，基于CFD數值模擬系統分析了該主梁的渦振性能，對比分析了欄桿、導流板、風嘴等氣動措施的影響，得出如下結論：

(1)成橋態(tài)主梁在0°、+3°及+5°攻角下出現了明顯的豎向和扭轉渦激振動，且最大振幅大于中國規(guī)范允許值，同時+3°攻角比0°攻角更不利。單純的鈍角風嘴不會引起主梁渦激振動，欄桿及檢修車軌道等作用引發(fā)主梁產生渦激振動。

(2)對欄桿進行隔三封一(隔6 m封閉2 m)可以有效抑制主梁的渦激振動，該氣動措施簡單，施工方便，但可能會影響市政橋梁的美觀。對風速小于主梁高度處設計基準風速的渦振區(qū)而言，設置導流板后主梁的豎向和扭轉渦振的最大振幅有一定的減小，但仍高于中國規(guī)范允許值。

(3)加設小風嘴和大風嘴后的主梁渦振性能有了很大改善，加設小風嘴對主梁渦振的抑振效果更優(yōu)?？紤]導流板與風嘴組合后對主梁渦振的抑制效果整體上比單一措施更優(yōu)，但導流板加斜邊人行道板的抑振效果除外。