大跨度雙幅連續(xù)鋼箱梁橋渦激振動特性風洞試驗研究

秦 浩，廖海黎，李明水

(西南交通大學 風工程試驗中心 成都 610031)

大跨度鋼箱梁連續(xù)梁橋由于阻尼小，在常遇風速下存在發(fā)生渦激振動可能。自塔科馬大橋(Tacoma Bridge)發(fā)生風毀以來[1]，大跨度橋梁包括懸索橋、斜拉橋等抗風問題為橋梁工程界所關(guān)注。連續(xù)梁橋由于跨度小，剛度大等特點，通常認為其抗風性能較好，對其抗風研究較少。隨橋梁建設(shè)發(fā)展，連續(xù)梁橋跨度越來越大，在常遇風速(5～20 m/s)下發(fā)生渦激振動橋梁屢有報道[2-4]，尤其2010年俄羅斯伏爾加河連續(xù)梁橋在低風速下發(fā)生的“波浪式起伏”渦激振動，振幅高達40～70 cm，足已影響大橋的使用性能。渦激振動已成為大跨度鋼箱梁連續(xù)梁橋抗風設(shè)計的重要問題。

渦激振動理論研究至今仍無成功的解析方法能從基本流動原理出發(fā)描述彈性鈍體在周期脫落的漩渦作用下響應(yīng)全過程，解析復雜外形鈍體的渦激響應(yīng)更難實現(xiàn)。隨計算機技術(shù)進步，數(shù)值方法取得較大進展，但通過數(shù)值計算直接模擬三維流場仍受限制，較難處理高雷諾數(shù)下三維復雜外形鈍體的渦激振動問題。對大跨度連續(xù)梁橋變截面復雜外形的鈍體結(jié)構(gòu)，研究其渦激振動主要手段為通過全橋氣彈模型風洞試驗[5]。對常規(guī)尺度的全橋模型，比例尺為1:100以上，模型尺寸較小風速比大對主梁細節(jié)模擬不夠精細，可能導致試驗結(jié)果(振幅及發(fā)生風速)與實橋出入較大，或測不到渦激振動，導致誤判實橋渦激振動性能[6]。大尺度模型尺寸可將主梁斷面細節(jié)、檢修車軌道等附屬設(shè)施模擬更精確，使風洞試驗結(jié)果接近真實情況。大尺度模型受風洞規(guī)模及試驗段尺寸限制，風洞阻塞度對試驗結(jié)果影響不可忽視[7]。

1 試驗工況與模型

以崇啟大跨度連續(xù)梁橋為工程背景。主橋設(shè)計方案為六跨連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，跨徑102 m+185 m×4+102 m，總跨長944 m。主梁為變截面鋼箱梁、分離式雙幅橋面結(jié)構(gòu)，單幅橋?qū)?6.1 m，跨中梁高4.8 m，墩頂處梁高9 m，邊墩處梁高3.5 m，主梁高度按二次拋物線變化，主梁截面見圖1。大橋所處地段氣象復雜多變，災害性天氣頻繁，橋位處風大浪急且臺風期長，嚴重威脅大橋施工安全。設(shè)計基準風速高達49.4 m/s，橋址處常遇風速超過15 m/s。

圖1 主梁橫截面圖

試驗在XNJD-3風洞中進行，據(jù)該風洞試驗段尺寸H=4.5 m，W=22.5 m，L=36 m，氣彈性模型幾何縮尺比取1:45(風洞阻塞率小于1.5%)，為目前連續(xù)梁橋最大比例尺全橋氣彈風洞試驗模型。

由于連續(xù)梁橋受力特點，大跨度連續(xù)主梁結(jié)構(gòu)采用變截面帶懸臂設(shè)計。主梁截面高度沿跨度變化使每個斷面的斯特羅哈爾數(shù)(Strouhal Number)不同，整個主梁渦激振動為綜合效應(yīng)。該綜合斯特羅哈爾數(shù)St，渦脫頻率f，物體特性尺度D(采用跨中梁高)及來流風速U關(guān)系為St=fD/U。

表1 振動模態(tài)

模型設(shè)計制作采用傳統(tǒng)氣動彈性模型技術(shù)，即芯梁提供結(jié)構(gòu)剛度，芯梁外覆節(jié)段以模擬氣動外形，質(zhì)量由外覆結(jié)構(gòu)中配重物提供。主梁共分81節(jié)段，除中間5個墩頂處節(jié)段外，每個節(jié)段長160 mm，中間4跨每跨按梁段高度變化分15節(jié)段，最長節(jié)段311 mm，最短節(jié)段186 mm，邊跨分8節(jié)段，最長節(jié)段302 mm，最短節(jié)段186 mm，氣彈模型照片見圖2。試驗通過在中間四跨跨中安置激光位移傳感器測量豎向振動，采樣頻率256 Hz，單次采樣時間32 s。

圖2 氣彈性模型照片

風洞試驗之前，用強迫振動法對氣彈模型進行模態(tài)測試檢驗，結(jié)果見表2。由表2看出，該模型頻率誤差在2%以內(nèi)。試驗在均勻流中進行，分別為0°攻角及對鋼箱梁渦激振動最不利的+3°攻角(由導流板產(chǎn)生)，并通過在第三、四跨中安裝油質(zhì)阻尼器施加結(jié)構(gòu)阻尼，模擬阻尼對渦激振動的減振作用。

試驗共6種工況，前3工況在0°攻角下進行，工況1阻尼比水平在0.3%量級，與多數(shù)大跨度鋼箱梁連續(xù)梁橋?qū)崪y阻尼比接近。工況2阻尼比為0.5%量級，與多數(shù)中等跨度連續(xù)梁橋?qū)崪y阻尼比值接近。兩種阻尼比分別對應(yīng)歐洲規(guī)范、我國規(guī)范對鋼梁橋阻尼比的風洞試驗設(shè)置要求。工況3目的為研究完全抑制渦激響應(yīng)所需阻尼比水平。后3工況為阻尼比狀態(tài)風攻角由0°改為+3°時的試驗情況。

表2 各工況模態(tài)測試結(jié)果

2 試驗結(jié)果及討論

工況1結(jié)果見圖3，對0°攻角、一階豎彎振動阻尼比0.3%量級模型狀態(tài)，在試驗風速范圍內(nèi)存在兩明顯渦振區(qū)：第一渦振鎖定風速范圍對應(yīng)于實橋風速15～27 m/s，上風側(cè)主梁豎向鎖定風速略小于下風側(cè)主梁，兩主梁渦振最大振幅基本一致，分別為79 mm，93 mm，振型特點為中間兩跨振動幅度最大，方向相反，頻譜圖見圖4，振動頻率6.97 Hz，證實為主梁反對稱一階振動。第二渦振區(qū)鎖定風速，兩側(cè)主梁基本一致，鎖定區(qū)為30～35 m/s，下風側(cè)主梁渦激響應(yīng)遠高于上風側(cè)主梁，是上風側(cè)主梁的3倍，最大振幅達144 mm，其振型特點為中間兩跨振動幅度最大，方向相反，頻譜見圖5，對應(yīng)的振動頻率6.81 Hz，亦為主梁反對稱一階振動；圖6為工況2，風攻角0°，通過加裝油質(zhì)阻尼器將阻尼比提高到0.5%量級。試驗結(jié)果表明，主梁渦激響應(yīng)明顯減小。增大阻尼比對第一渦振區(qū)抑制效果超過60%，最大振幅29 mm，第二渦振區(qū)抑制效果為30%，最大振幅則96 mm。結(jié)構(gòu)阻尼比變化對振型幾乎無影響，阻尼變大鎖定風速范圍變小，相同風速振幅減小，振型應(yīng)同阻尼比水平0.3%時，限于篇幅不再給出渦激振動頻譜圖。工況3的試驗結(jié)果表明，阻尼比為1.1%時，試驗中未觀測到明顯的豎向渦激振動，故結(jié)果不再列出。

圖3 工況1風速與振幅關(guān)系

圖5 工況1第2點模型振幅及頻譜

圖7 工況4風速與振幅關(guān)系

工況4的結(jié)果見圖7，此時風攻角為+3°、阻尼比0.3%量級，主梁渦激響應(yīng)較0°攻角大。在試驗風速范圍內(nèi)，兩渦振區(qū)幾乎合成一個，最大渦激振幅為0°攻角的2倍，振幅299 mm，前一渦振區(qū)對應(yīng)頻譜見圖8，振動頻率6.94 Hz；后一渦振區(qū)對應(yīng)頻譜見圖9，振動頻率為6.88 Hz，振型特點亦中間兩跨振動幅度最大，方向相反，為主梁反對稱一階振動。工況5結(jié)果見圖10，+3°攻角，阻尼比提高到0.5%量級，兩渦振區(qū)已明顯削弱。阻尼比增大到1.2%時(工況6)，試驗未觀察到明顯渦激振動。

0°攻角第一主渦振區(qū)St為0.12，與采用單幅主梁六車道的東京灣通道橋(橋?qū)?9.9 m，跨中橋高6 m)實測值及風洞試驗值0.12一致[4]。第二主渦振區(qū)St為0.07(特征尺度D采用跨中主梁高度)。

雙幅主梁渦激振動機理為第一渦振區(qū)St與東京灣通道橋一致，其渦激振動機理應(yīng)為上風側(cè)主梁在均勻流下的渦激振動響應(yīng)。因分離式雙幅主梁特點為兩幅主梁結(jié)構(gòu)相同，振動模態(tài)完全一致，兩幅主梁距離較近，其中單幅主梁振動在周圍氣流帶動下易激起另一主梁的振動。上風側(cè)主梁渦激振動產(chǎn)生的尾流激起下風側(cè)主梁發(fā)生共振，其振幅大小與上風側(cè)主梁一致；第二渦振區(qū)St較第二渦振區(qū)St約大一倍，可理解為兩幅主梁較單幅主梁特征寬度尺寸增大一倍，其渦激振動機理為下風側(cè)主梁在均勻流下的渦激振動響應(yīng)，下風側(cè)主梁的渦激振動反激起上風側(cè)主梁發(fā)生共振，表現(xiàn)為下風側(cè)主梁渦激振幅大于上風側(cè)主梁。

圖9 工況4第2點振幅及頻譜

文獻[1,11]通過半經(jīng)驗模型討論渦激振動時，無量綱振幅y/D與Sc為Sc=4πζm/ρD2，其中ζ為結(jié)構(gòu)阻尼比，m為單位長度等效質(zhì)量，ρ為空氣密度，D為跨中梁高。試驗所測0°攻角時最大無量綱振幅y/D與Sc間關(guān)系見圖11。

圖11 無量綱振幅y/D與Sc關(guān)系

3 結(jié) 論

通過崇啟大橋全橋氣彈性模型風洞試驗，對連續(xù)鋼箱梁橋抗渦激振設(shè)計，結(jié)論如下：

(1) 連續(xù)鋼箱梁橋主梁渦激響應(yīng)最大St數(shù)約為0.12表明，大跨度連續(xù)梁橋一階豎彎振動頻率小于0.7 Hz時，發(fā)生渦激振動的風速在30 m/s以下，需結(jié)合橋址處風環(huán)境考慮是否進行專門抗風設(shè)計；而對跨海橋常遇風速較高、風場湍流度較小情況，需進行抗渦激振動研究與設(shè)計。

(2) 分離式雙幅主梁間易形成共振，渦激響應(yīng)存在兩個渦振區(qū)，第一渦振區(qū)St數(shù)為0.12，第二渦振區(qū)為0.07，前一渦振區(qū)對應(yīng)于上風側(cè)主梁渦激響應(yīng)，下風側(cè)主梁為上風側(cè)主梁渦激響應(yīng)引起的共振，兩側(cè)主梁渦激振幅相當，后一渦振區(qū)為下風側(cè)主梁渦激響應(yīng)，引起上風側(cè)主梁共振，下風側(cè)主梁渦激振幅強于上風側(cè)主梁。

(3) 附加阻尼對渦激振動有較好抑制作用。結(jié)構(gòu)阻尼比達到1.2%時，風速40 m/s范圍內(nèi)不會發(fā)生明顯渦激振動。

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