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        間距比對(duì)疊合梁雙幅橋渦振性能的影響

        2020-10-11 09:59:00操金鑫檀小輝葛耀君
        關(guān)鍵詞:渦振風(fēng)洞試驗(yàn)振幅

        譚 彪,操金鑫,2,3,檀小輝,葛耀君,2,3

        (1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092;2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092;3. 同濟(jì)大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200092)

        雙幅橋指的是相互獨(dú)立且彼此臨近的兩座橋或具有相互獨(dú)立雙幅橋面的單座橋。前者如Tacoma Narrows Bridge,在1940年因風(fēng)災(zāi)毀壞之后,于1950年重新建成,到了1990 年由于人口與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通需求已經(jīng)超過(guò)了原來(lái)的設(shè)計(jì)能力,于是在原橋附近平行地修建了新橋,新橋與舊橋各自只承擔(dān)單向交通,構(gòu)成了平行雙幅橋;后者如寧波甬江公路特大橋,橋面分離平行并同時(shí)建造。隨著日益增長(zhǎng)的交通流量需求,或?yàn)榱颂岣呓ㄔO(shè)效率,亦或是受通航孔道的限制,雙幅橋的應(yīng)用日漸增多。相較于單幅橋,雙幅橋上下游橋面之間存在不可忽略的氣動(dòng)干擾效應(yīng),其對(duì)雙幅橋的靜風(fēng)力系數(shù)、渦振性能和顫振性能都有明顯影響[1]。由于渦振往往在較低風(fēng)速時(shí)發(fā)生,因此平行雙幅橋的渦振問(wèn)題尤為突出。

        早在20 世紀(jì)90 年代,Honda 等[2]通過(guò)三幅并列連續(xù)雙箱梁橋的風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),平行多幅橋之間的氣動(dòng)干擾對(duì)橋梁的渦振振幅以及風(fēng)速鎖定區(qū)間都有顯著影響。陳政清等[3]以佛山平勝大橋和青島海灣紅島航道橋?yàn)楸尘埃l(fā)現(xiàn)氣動(dòng)干擾效應(yīng)會(huì)對(duì)并列雙箱梁雙幅橋的渦振性能產(chǎn)生不利影響,而當(dāng)橋面間距與橋面寬度之比(L/B)到達(dá)0.8以上時(shí),雙幅橋之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)明顯減弱。同時(shí)指出,渦振對(duì)橋梁斷面的具體形式很敏感,不同橋梁斷面形式之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)值得研究。劉志文等[4-5]進(jìn)一步開(kāi)展了串列雙矩形斷面和串列雙流線型斷面的渦振特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究,結(jié)果表明間距比對(duì)兩種斷面類(lèi)型雙幅橋的氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響略有不同。Kimura等[6]指出即使L/B達(dá)到8 以上,平行雙箱梁橋面之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)仍不可忽略。另一方面,朱樂(lè)東等[7-9]發(fā)現(xiàn)改變風(fēng)嘴角度和增加風(fēng)障等氣動(dòng)措施可以有效抑制雙幅橋的渦振,這從側(cè)面說(shuō)明結(jié)構(gòu)的渦振響應(yīng)對(duì)氣動(dòng)外形非常敏感。此外,Kim等[10-13]觀測(cè)到跨越鳴梁海峽的新舊珍島大橋(Jindo Bridge)在風(fēng)速9.0~11.5 m·s-1時(shí)發(fā)生了渦振,這是第一次關(guān)于雙幅橋渦振的實(shí)測(cè)記錄。隨后通過(guò)彈簧懸掛節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)重現(xiàn)了珍島大橋的渦振現(xiàn)象,并進(jìn)一步分析了間距比以及上下游橋面頻率比等參數(shù)對(duì)雙幅橋渦振性能的影響。

        綜上所述,橋梁結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)外形和雙幅橋之間的間距比是影響雙幅橋渦振特性的關(guān)鍵參數(shù)。然而,已有研究均是針對(duì)并列雙箱梁展開(kāi)的,這些結(jié)論是否仍適用于并列疊合梁橋仍有待商榷。因此,以鋼混疊合梁斷面雙幅橋?yàn)閷?duì)象,通過(guò)開(kāi)展系列彈簧懸掛節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn),并基于與單幅橋斷面試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,討論了疊合梁斷面平行雙幅橋渦振氣動(dòng)干擾效應(yīng),著重研究了間距比對(duì)疊合梁斷面平行雙幅橋渦振特性的影響。

        1 風(fēng)洞試驗(yàn)

        1.1 模型參數(shù)

        選擇工程中常見(jiàn)的雙邊工字鋼式疊合梁斷面進(jìn)行研究,試驗(yàn)?zāi)P蛿嗝嫒鐖D1 所示。模型幾何縮尺比λL=1∶60,單幅橋模型寬度B=530 mm,模型高度D=49 mm,模型總長(zhǎng)1 740 mm。為了保證模型剛度,主縱梁和橋面板采用合金鋼制作,橫梁和加勁肋則采用工程塑料制作。試驗(yàn)?zāi)P腿鐖D2所示。在滿(mǎn)足幾何外形相似的基礎(chǔ)上,保持彈性參數(shù)(頻率比)、質(zhì)量參數(shù)(質(zhì)量和質(zhì)量慣矩)、阻尼參數(shù)(阻尼比)相似。各參數(shù)取值如表1所示。

        1.2 試驗(yàn)設(shè)置與工況

        1.2.1 試驗(yàn)流場(chǎng)

        試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ?2大氣邊界層風(fēng)洞中開(kāi)展,試驗(yàn)段尺寸為3.0 m(寬)×2.5 m(高)×15.0 m(長(zhǎng)),速度不均勻性低于1.0%。試驗(yàn)流場(chǎng)均為均勻流場(chǎng),紊流度小于0.46%,試驗(yàn)風(fēng)速范圍為0~8 m·s-1,風(fēng)速間隔為0.2 m·s-1,并在渦振區(qū)間內(nèi)適當(dāng)加密。

        表1 模型主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of sectional model

        1.2.2 試驗(yàn)工況

        為了考察間距比對(duì)疊合梁雙幅橋渦振的影響,定義如圖1 所示的主梁間距L和主梁高度D的比值L/D為間距比,并開(kāi)展了9 種不同間距比L/D=1/3,2/3,1,2,3,4,5,8,10 的風(fēng)洞試驗(yàn)。此外,作為對(duì)照,還開(kāi)展了該疊合梁斷面單幅橋的渦振性能風(fēng)洞試驗(yàn)。事實(shí)上,單幅橋工況可以視為間距比為無(wú)窮大的雙幅橋,即間距比L/D=∞。試驗(yàn)前,采用自由振動(dòng)法測(cè)試了零風(fēng)速下各工況的振動(dòng)頻率和阻尼比。按雙幅橋布置時(shí),上、下游主梁的實(shí)測(cè)阻尼比分別為0.44%和0.53%;按單幅橋布置時(shí),主梁的實(shí)測(cè)阻尼比為0.47%。由于各工況下均觀測(cè)到明顯的豎向渦振,而未發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦振,因此僅討論豎向渦振。

        1.2.3 測(cè)試設(shè)置

        在進(jìn)行雙幅主梁風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí),節(jié)段模型均分別由8 根彈簧彈性懸掛在風(fēng)洞內(nèi)進(jìn)行。試驗(yàn)中,結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)采用HL?C235CE?W 系列激光位移計(jì)測(cè)量,其測(cè)量范圍為(350±200)mm,采集頻率為300 Hz,采樣時(shí)間為60 s;尾流渦脫落頻率則采用眼鏡蛇探頭測(cè)量,采集頻率為625 Hz,采樣時(shí)間為60 s。激光位移計(jì)布置于模型吊臂兩側(cè)下方,可采集節(jié)段模型的豎向位移與扭轉(zhuǎn)位移;眼鏡蛇探頭則分別布置在上下游主梁的尾流區(qū),可采集上下游主梁的尾流時(shí)程,如圖3所示。

        2 疊合梁斷面雙幅橋的渦振特性

        在開(kāi)展的10 種不同間距比條件下的風(fēng)洞試驗(yàn)中,均觀測(cè)到了明顯的豎彎渦振。圖4 給出了各間距比下雙幅橋上下游橋面的渦振振幅隨折減風(fēng)速的變化曲線。圖4 中,橫坐標(biāo)表示折減風(fēng)速U/Dfv(其中,U為試驗(yàn)風(fēng)速,D為主梁高度,fv為模型豎彎頻率),縱坐標(biāo)表示量綱一振幅均方根。由圖4a~4c可見(jiàn),當(dāng)間距比較小時(shí),上游橋面的振動(dòng)逐漸變得劇烈,而下游橋面則受到上游橋面的抑制,振幅較小;此時(shí),雙幅橋之間的間距還較小,氣流流經(jīng)上游橋面后的尾流由于下游橋面的存在尚未充分發(fā)展,下游橋面起到了隔渦板的作用。如圖4d~4g 所示,在間距比L/D=2~5時(shí),隨著間距比的增加,上游橋面的尾流得以發(fā)展,下游橋面受上游橋面尾流的驅(qū)使而振動(dòng),振幅顯著增加;同時(shí),上游橋面又受到下游橋面的干擾,振幅遠(yuǎn)大于單幅橋面的振幅。另一方面,氣動(dòng)干擾效應(yīng)隨著間距比的增大而減弱,上游橋面的振幅在L/D>3之后有所降低,下游橋面受上游橋面的抑制作用開(kāi)始減弱;當(dāng)L/D=5 時(shí),上下游橋面的最大振幅基本接近。隨著間距比的進(jìn)一步增大(L/D≥8),氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)雙幅橋渦振的影響已經(jīng)相對(duì)較弱,上下游橋面的渦振振幅?折減風(fēng)速曲線比較接近;雙幅橋最大振幅依然大于單幅橋,說(shuō)明此時(shí)氣動(dòng)干擾效應(yīng)仍有不利影響。值得注意的是,當(dāng)間距比L/D=1/3~3時(shí),下游橋面的渦振振幅?折減風(fēng)速曲線均呈“M”形,在上游橋面的振動(dòng)發(fā)展到一定程度時(shí)下游橋面的振幅反而開(kāi)始降低。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因或許是下游橋面的振動(dòng)打散了上游橋面的尾流漩渦,導(dǎo)致下游橋面的渦激力減弱,進(jìn)而導(dǎo)致振幅減小。

        3 間距比對(duì)渦振參數(shù)的影響

        3.1 最大渦振振幅及風(fēng)速鎖定區(qū)間

        最大渦振振幅和風(fēng)速鎖定區(qū)間是考察橋梁結(jié)構(gòu)渦振特性時(shí)最為關(guān)心的兩個(gè)指標(biāo)。因此,綜合考察間距比對(duì)疊合梁斷面雙幅橋最大渦振振幅和風(fēng)速鎖定區(qū)間的影響,并將結(jié)果與Park 等[13]針對(duì)箱梁斷面雙幅橋的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖5 所示。從圖5a 可以看出,隨著間距比增大,上下游橋面的最大渦振振幅都先增大后減小,并最終趨于單幅橋的最大渦振振幅。對(duì)于小間距比(L/D<1)工況,上下游橋面的最大渦振振幅都小于單幅橋面的最大渦振振幅,說(shuō)明此時(shí)氣動(dòng)干擾效應(yīng)有利于抑制雙幅橋的渦振。當(dāng)間距比L/D=3時(shí),最大渦振振幅達(dá)到單幅橋面最大渦振振幅的2.4 倍,氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)雙幅橋渦振的影響最不利。當(dāng)間距比足夠大(L/D≥8)時(shí),氣動(dòng)干擾效應(yīng)的影響顯著降低,雙幅橋的最大渦振振幅逐漸接近單幅橋。另一方面,對(duì)比疊合梁斷面和箱梁斷面雙幅橋的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),兩種斷面形式的雙幅橋渦振性能受間距比的影響規(guī)律是相似的。顯然,雙幅橋的渦振性能受間距比的影響比受斷面氣動(dòng)外形的影響更加顯著。間距比的改變主要是改變了雙幅橋之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng),也就是說(shuō),氣動(dòng)干擾效應(yīng)是影響雙幅橋渦振性能的主要因素。值得注意的是,圖5a中兩種斷面類(lèi)型的最大渦振振幅是在不同阻尼比條件下測(cè)得的,因此最大渦振振幅的大小不具有可比性。從圖5b可以看出,間距比對(duì)雙幅橋渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間也有一定影響,起振風(fēng)速受間距比影響不大,而結(jié)束風(fēng)速則略有起伏,在L/D=3 時(shí)風(fēng)速鎖定區(qū)間最長(zhǎng)。

        3.2 上下游橋面振動(dòng)狀態(tài)

        對(duì)于平行雙幅橋而言,上下游橋面是兩幅獨(dú)立的橋面,發(fā)生渦振時(shí)振動(dòng)狀態(tài)并非完全相同。Park等[12]發(fā)現(xiàn),若上下游主梁的固有頻率一致時(shí),則雙幅橋面的渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間和振動(dòng)頻率都相同;若雙幅主梁的固有頻率不一致時(shí),則雙幅橋面的渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間有所變化,并且上下游主梁在發(fā)生渦振時(shí)都按照自身的固有頻率振動(dòng)。也就是說(shuō),上下游主梁的振動(dòng)頻率與自身的固有頻率相同,同時(shí)也指出上下游主梁的振動(dòng)之間存在一個(gè)相位差。Argentini等[1]更進(jìn)一步地研究了上下游橋面振動(dòng)相位差(Δ?),發(fā)現(xiàn)Δ?與折減風(fēng)速負(fù)相關(guān)。為了說(shuō)明疊合梁雙幅橋渦振時(shí)的振動(dòng)狀態(tài),以L/D=3工況為例,對(duì)上下游橋面分別達(dá)到振幅極值時(shí)的振動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析,對(duì)應(yīng)的折減風(fēng)速U/Dfv=15.34、18.52、19.58。圖6為3種折減風(fēng)速下上下游橋面振動(dòng)穩(wěn)定后的位移時(shí)程及對(duì)應(yīng)的幅值譜,圖中fu和fd分別表示上游和下游主梁振動(dòng)頻率。從圖6可以看出,上下游橋面的振動(dòng)的確存在一個(gè)相位差,并且不同折減風(fēng)速下相位差有所不同;振動(dòng)信號(hào)的幅值譜表明上下游都以一個(gè)相同的頻率振動(dòng),但由于氣動(dòng)剛度的影響,振動(dòng)頻率稍大于結(jié)構(gòu)固有頻率,并且隨折減風(fēng)速的增加振動(dòng)頻率略有提升。

        更進(jìn)一步地,雙幅橋面間的振動(dòng)相位差與折減風(fēng)速之間的關(guān)系,以及間距比的影響也值得關(guān)注。圖7 給出了不同間距比工況下Δ?隨折減風(fēng)速的變化曲線。圖7 中,正相位差表示上游橋面振動(dòng)時(shí)程的相位較下游橋面超前,負(fù)相位差則反之。整體來(lái)看,與Argentini 等[1]的結(jié)論不同,各間距比下 Δ?都呈現(xiàn)出隨折減風(fēng)速先增大后減小的趨勢(shì),而非單純的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從圖4a~4d和圖7a 可知,當(dāng)L/D=1/3~1 時(shí),Δ?分別在折減風(fēng)速為17.1、16.9 和18.0處接近反相,此時(shí)上游橋面達(dá)到最大振幅;當(dāng)L/D=2 時(shí),Δ?則在折減風(fēng)速為17.7 處接近反相,此時(shí)下游橋面的振幅達(dá)到極小值。與此同時(shí),當(dāng)Δ?達(dá)到極值后,符號(hào)將發(fā)生改變,意味著驅(qū)動(dòng)上下游橋面振動(dòng)的渦激力發(fā)生改變。結(jié)合圖4e~4g和圖7b可知,當(dāng)L/D=3~5 時(shí),Δ?在折減風(fēng)速為15.9 處達(dá)到最大值,此時(shí)上下游橋面之間的振幅非常接近。從圖7c可以看出,當(dāng)L/D=8,10時(shí),最大相位差分別出現(xiàn)在折減風(fēng)速為15.3 和16.4 處。顯然,間距比越小,相位差受上下游橋面振幅影響越明顯,也就是受氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響更顯著。

        3.3 斯托勞哈爾數(shù)

        在第2 節(jié)中已經(jīng)提到,在進(jìn)行節(jié)段模型渦振試驗(yàn)的同時(shí),通過(guò)布置在上下游橋面尾流區(qū)的眼鏡蛇探頭測(cè)量了尾流渦脫落頻率。當(dāng)L/D<3 時(shí),由于間距比較窄難以通過(guò)眼鏡蛇探頭測(cè)量到上游橋面的渦脫落頻率;L/D≥3 后上下游橋面的渦脫落頻率隨風(fēng)速的變化規(guī)律大致相同,因此以L/D=3 為例分析上下游橋面的渦脫落頻率隨風(fēng)速的變化情況,如圖8 所示。從圖8 可知,尾流渦脫落頻率與風(fēng)速之間基本成線性關(guān)系,當(dāng)渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)自身頻率接近時(shí)出現(xiàn)了明顯的穩(wěn)定段,也就是渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間。此外,上下游橋面的尾流渦脫落頻率也基本相同,但下游橋面在更低的風(fēng)速下就達(dá)到了穩(wěn)定段,說(shuō)明下游橋面先開(kāi)始渦振進(jìn)而帶動(dòng)上游橋面振動(dòng)。

        測(cè)得下游橋面的渦脫落頻率后,斯托勞哈爾數(shù)Sr可按下式計(jì)算:

        式中:Nv為下游橋面的尾流渦脫落頻率;D為節(jié)段模型高度;U為來(lái)流風(fēng)速。圖9給出不同間距比工況下的Sr。從圖9可以看出,對(duì)于平行雙幅橋而言,無(wú)論是閉口箱梁斷面還是開(kāi)口疊合梁斷面,Sr隨間距比的變化規(guī)律都呈先減小后增大的趨勢(shì),并且都在L/D=2~4 時(shí)達(dá)到最小值,這意味著此間距比下渦振起振風(fēng)速較大,與圖5b的結(jié)論吻合。值得注意的是,雖然這個(gè)間距范圍內(nèi)發(fā)生渦振的概率相對(duì)較小,但是這個(gè)間距范圍也正是雙幅橋最大渦振振幅出現(xiàn)的區(qū)間,在設(shè)計(jì)時(shí)仍應(yīng)盡量避免。此外,兩種斷面相似的規(guī)律也說(shuō)明間距比對(duì)平行雙幅橋的影響較結(jié)構(gòu)氣動(dòng)外形而言更加顯著。

        4 結(jié)論

        (1)間距比是影響平行雙幅橋渦振性能的關(guān)鍵參數(shù),疊合梁斷面的平行雙幅橋最不利間距比L/D=2~4;此時(shí),橋面最大渦振振幅最大且風(fēng)速鎖定區(qū)間更長(zhǎng);當(dāng)L/D≥5時(shí)雙幅橋面之間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)開(kāi)始減弱,但即使L/D≥10 氣動(dòng)干擾效應(yīng)也不可忽略。

        (2)平行雙幅橋發(fā)生渦振時(shí),受氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響,上下游橋面的振動(dòng)存在一個(gè)相位差;相位差受到折減風(fēng)速、上游橋面振幅和間距比的共同影響,間距比越小相位差受上游橋面振幅影響越大。

        (3)當(dāng)L/D=2~4 時(shí),疊合梁雙幅橋的Sr 均較小,此時(shí)渦振起振風(fēng)速相對(duì)較大。

        作者貢獻(xiàn)聲明

        譚 彪:完成風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)并實(shí)施風(fēng)洞試驗(yàn),處理試驗(yàn)數(shù)據(jù),撰寫(xiě)論文。

        操金鑫:指導(dǎo)風(fēng)洞試驗(yàn)全過(guò)程,包括試驗(yàn)設(shè)計(jì)和具體的風(fēng)洞試驗(yàn),指導(dǎo)論文寫(xiě)作。

        檀小輝:協(xié)助風(fēng)洞試驗(yàn)和核查試驗(yàn)數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理程序。

        葛耀君:研究?jī)?nèi)容總體

        指導(dǎo)和學(xué)術(shù)把關(guān)。

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