大跨度懸索橋渦振風(fēng)洞試驗(yàn)與現(xiàn)場實(shí)測比較

王守強(qiáng) 趙 林 葛耀君

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

0 引 言

渦振是指風(fēng)流經(jīng)各種斷面形狀的鈍體結(jié)構(gòu)時,在其斷面背后都有可能發(fā)生旋渦的交替脫落,產(chǎn)生交替變化的渦激力而引起的結(jié)構(gòu)振動[1]。渦振兼有自激振動和強(qiáng)迫振動的性質(zhì),它是一種發(fā)生在較低風(fēng)速區(qū)內(nèi)的有限振幅振動[2-3]。通常情況下,橋梁渦振不會帶來毀滅性的破壞,但在反復(fù)荷載作用下會造成橋梁構(gòu)件疲勞,并會使行人和行車有不舒適感。

縮尺比對試驗(yàn)有較大影響[4]。商東洋[5]研究不同尺寸矩形渦振,發(fā)現(xiàn)不同尺寸的模型渦振得出的結(jié)果不統(tǒng)一;羅東偉[6]研究不同橋面粗糙度下的渦振性能,發(fā)現(xiàn)橋面粗糙度模擬得越低,渦振試驗(yàn)結(jié)果偏差越大;陳海興[7]通過一座鋼箱斜拉橋1∶20節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn),得出不同檢修欄桿對渦振振幅影響明顯;許福友[8]總結(jié)了影響渦振的主要因素,指出氣動外形直接決定了氣流遇到斷面以后流動的分離和形成旋渦的特點(diǎn),對渦振的發(fā)生及振幅至關(guān)重要。分體式鋼箱梁作為大跨度橋梁典型的主梁斷面形式,有必要進(jìn)行其渦振響應(yīng)影響因素的試驗(yàn)研究。

橋梁渦振研究有理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬四種方法,然而在實(shí)際研究中這四種方法的結(jié)果并不能完全統(tǒng)一[9-11]。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能包括:影響現(xiàn)場實(shí)測的因素很多;在風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的過程中影響因素考慮得不夠全面;風(fēng)洞試驗(yàn)不可能完全模擬橋梁風(fēng)環(huán)境,往往引入一些假定,導(dǎo)致和實(shí)際情況相差較大等。

本文通過選取國內(nèi)典型懸索橋進(jìn)行了不同縮尺比的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究,從模型尺寸、外形及阻尼比等方面比較了分體式鋼箱梁豎彎渦振響應(yīng),并與實(shí)橋渦振響應(yīng)監(jiān)測值進(jìn)行了比較。

1 橋梁渦振風(fēng)洞試驗(yàn)

本文對橋梁渦振進(jìn)行了小尺寸節(jié)段模型(圖1)試驗(yàn)和大尺寸節(jié)段模型(圖2)試驗(yàn),其中小尺寸節(jié)段模型采用幾何相似比λL=40,大尺寸節(jié)段模型采用幾何相似比λL=20,模型的主要參數(shù)如表1所示。

表1節(jié)段模型主要參數(shù)

Table 1 Main parameters of the segment model

圖1 小尺寸節(jié)段模型Fig.1 Small-scale segmental model

研究加勁梁為薄壁箱形結(jié)構(gòu),小尺寸節(jié)段模型是由鋁合金框架覆以輕質(zhì)木板加工而成,大尺寸節(jié)段模型是由鋁合金框架覆以鋁皮加工而成,橋面欄桿、檢修軌道和風(fēng)嘴等均選用ABS材料用電腦雕刻機(jī)雕刻而成。小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的,大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ3邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的。

在節(jié)段模型試驗(yàn)中,主要測量對象是風(fēng)速以及模型位移和加速度響應(yīng)。流場測量采用Dantec公司生產(chǎn)的55P61熱線風(fēng)速儀和Streamline X探頭,布置在節(jié)段模型的前端,探頭離開風(fēng)洞底面的高度是可以自由調(diào)整的。參考風(fēng)速測量采用皮托管和補(bǔ)償式微壓計,布置在模型的上前方。采用十字探頭Dantec熱線風(fēng)速儀和皮托管風(fēng)速計對支架內(nèi)側(cè)的風(fēng)洞流場進(jìn)行了測試,風(fēng)速不均勻性小于1%,模型高度處的紊流強(qiáng)度小于2.5%,可以認(rèn)為試驗(yàn)條件下流場為均勻流場。

圖2 大尺寸節(jié)段模型Fig.2 Big-scale segmental model

風(fēng)洞試驗(yàn)的位移響應(yīng)測量采用Mew-Matsuchita公司生產(chǎn)的MLS-LM10激光位移計。該位移計量程±50 mm,精度±0.01 mm。在端橫梁兩端布置4個光學(xué)位移計,通過位移計測量值的代數(shù)和可以換算到模型振動時的豎向位移響應(yīng)。為了便于校核,還在端橫梁兩端布置了4個加速度傳感器。經(jīng)過比較結(jié)果認(rèn)為光學(xué)位移計的測量結(jié)果精度較高,因此最后試驗(yàn)結(jié)果采用光學(xué)位移計實(shí)測信號,同時采用HP35670A動態(tài)信號分析儀進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視和計算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和處理。

2 渦振響應(yīng)影響因素研究

2.1 風(fēng)攻角及導(dǎo)流板對渦振響應(yīng)影響

為了比較風(fēng)攻角及導(dǎo)流板對渦振響應(yīng)的影響,選取大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn),對三種不同風(fēng)攻角下有無導(dǎo)流板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,如圖3所示。

圖3 風(fēng)攻角及導(dǎo)流板對渦振響應(yīng)影響Fig.3 The influence of wind attack angle and guide plate on the vortex-induced vibration

由圖3發(fā)現(xiàn):無導(dǎo)流板情況下,+3°攻角、0°攻角和-3°攻角均出現(xiàn)了豎彎渦振,且豎彎位移最大值分別達(dá)到了9.8 cm、20.5 cm和18.6 cm;有導(dǎo)流板情況下,+3°攻角出現(xiàn)了位移最大值為4.4 cm的豎彎渦振,0°攻角出現(xiàn)了位移最大值為9.0 cm的豎彎渦振,但-3°攻角未出現(xiàn)明顯豎彎渦振;不同風(fēng)攻角下,模型發(fā)生渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間不同。設(shè)置導(dǎo)流板之后,豎彎渦振位移有明顯的減少,并使渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間向低風(fēng)速區(qū)遷移。

2.2 模型尺寸對渦振響應(yīng)影響

為了比較模型尺寸對渦振響應(yīng)的影響,選取大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)和小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn),對設(shè)置導(dǎo)流板情況下三種不同風(fēng)攻角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,如圖4所示。

由圖4發(fā)現(xiàn):小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)在不同風(fēng)攻角條件下均未觀測到明顯的豎彎渦振現(xiàn)象,但通過仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)兩個疑似渦振點(diǎn):風(fēng)速7.5 m/s和9.0 m/s附近;大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)在+3°攻角和0°攻角均觀測到了豎彎渦振,渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間分別為[4.97 m/s,7.71 m/s]和[8.32 m/s,10.24 m/s]。

圖4 尺寸對渦振響應(yīng)影響Fig.4 The influence of model size on the vortex-induced vibration

對于小尺寸節(jié)段模型實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)疑似豎彎渦振點(diǎn),而大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)有效測量出的原因是:兩種節(jié)段模型試驗(yàn)尺寸相差1倍、風(fēng)速比相差0.5倍,造成雷諾數(shù)相差2倍左右;同時大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)風(fēng)速比為1∶1可以控制風(fēng)速增量,而小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)風(fēng)速跳躍較大。由此可見,尺寸效應(yīng)對渦振影響大。

2.3 模型阻尼比對渦振響應(yīng)影響

對于設(shè)置導(dǎo)流板斷面,阻尼比的增大可以使豎彎渦振消失。為了更加明顯比較模型阻尼比對渦振響應(yīng)的影響,選取大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn),對未設(shè)置導(dǎo)流板情況下兩種不同阻尼比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,如圖5所示。

圖5 阻尼比對渦振響應(yīng)影響Fig.5 The influence of the damp ratio on the vortex-induced vibration

由圖5發(fā)現(xiàn),豎彎渦振位移在阻尼比為1.5‰時為18.6 cm,在阻尼比為4.5‰時為7.3 cm,可見阻尼比的增大可以使豎彎渦振位移減小,在節(jié)段模型渦振試驗(yàn)時應(yīng)根據(jù)阻尼比對振幅進(jìn)行調(diào)整;隨著阻尼比的增大渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間也相應(yīng)向高風(fēng)速方向遷移。

3 橋梁渦振實(shí)測及渦振響應(yīng)比較

3.1 實(shí)橋渦振響應(yīng)監(jiān)測

實(shí)橋渦振響應(yīng)數(shù)據(jù)來源于國內(nèi)某典型大跨度懸索橋的橋梁健康監(jiān)測系統(tǒng),本文的研究主要是基于對大橋風(fēng)速和加速度的數(shù)據(jù)處理上,圖6給出橋梁傳感器布置圖。

表2對于風(fēng)速風(fēng)向儀和加速度傳感器的編號、類型及位置進(jìn)行了詳細(xì)說明。其中三維風(fēng)速風(fēng)向儀采樣頻率為32 Hz,量程為0～65 m/s,螺旋風(fēng)速儀采樣頻率為1Hz,量程0～100 m/s;主梁上的單向加速度計采樣頻率為100 Hz。

2009年12月到2015年12月共73個月的橋梁健康檢測數(shù)據(jù),對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,發(fā)現(xiàn)主梁有0.76%的時間發(fā)生渦振,累計時間405.68小時,可見橋梁發(fā)生渦振頻繁。對實(shí)橋具有代表性的渦振進(jìn)行研究,給出渦振位移最大值隨時間變化情況,如圖7所示。

圖6 橋梁傳感器布置圖Fig.6 Layout of sensors on the bridge

表2橋梁風(fēng)速和加速度傳感器

Table 2 Aerometer and accelerator on the bridge

圖7(a)發(fā)生渦振的頻率為0.328 Hz,對應(yīng)橋梁第四階正對稱豎彎;圖7(b)發(fā)生渦振的頻率為0.183 Hz,對應(yīng)橋梁第二階反對稱豎彎。將這兩次渦振表示成渦振位移最大值隨風(fēng)速變化,如圖8。由圖8可知,f=0.183 Hz渦振風(fēng)速區(qū)間為[5.0 m/s,7.7 m/s],f=0.328 Hz渦振風(fēng)速區(qū)間為[9.1 m/s,11.8 m/s]。隨著渦振頻率的增加,渦振發(fā)生風(fēng)速呈增大趨勢。

3.2 渦振響應(yīng)比較

匯總小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)、大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)阻尼比為1.5‰設(shè)置導(dǎo)流板情況下、實(shí)橋渦振監(jiān)測的結(jié)果,如表3所示。

圖7 渦振位移最大值隨時間變化Fig.7 Variation of maximum value of the vortex-induced vibration with time

圖8 渦振位移最大值隨風(fēng)速變化Fig.8 Variation of maximum value of vortex-induced vibration with wind velocity

由表3可以得出:小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)沒有明顯的豎彎渦振現(xiàn)象,但可以發(fā)現(xiàn)疑似渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間;大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)在0°攻角下發(fā)生了頻率為0.183 Hz的渦振,渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間、位移最大值與實(shí)測符合較好;在+3°攻角下發(fā)生了頻率為0.328 Hz的渦振,渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間實(shí)測符合較好,但渦振位移最大值只有實(shí)測值的35%。

4 結(jié) 論

本文選取國內(nèi)典型懸索橋進(jìn)行了不同縮尺比的節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn),多方面比較了典型橋梁斷面豎彎渦振響應(yīng)的影響因素,并將試驗(yàn)渦振響應(yīng)值與實(shí)橋渦振響應(yīng)監(jiān)測值進(jìn)行了比較,主要結(jié)論如下:

表3橋梁渦振響應(yīng)比較

Table 3 Comparison of the bridge vortex-induced vibration

(1) 風(fēng)攻角對模型渦振位移最大值和風(fēng)速鎖定區(qū)間影響較大;導(dǎo)流板可以明顯減小豎彎渦振位移,并使渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間向低風(fēng)速區(qū)遷移。

(2) 小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)渦振現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)的疑似渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間,需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究來確認(rèn)。

(3) 模型阻尼比增大可使豎彎渦振位移減小,并使渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間也相應(yīng)向高風(fēng)速方向遷移。

(4) 典型的渦振研究可以確定出兩個主要豎彎渦振:頻率0.183 Hz和0.328 Hz。

(5) 對于頻率為0.183 Hz下的豎彎渦振,大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)與實(shí)測結(jié)果相近;對于頻率為0.328 Hz下的豎彎渦振,大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)得出的風(fēng)速鎖定區(qū)間比實(shí)測風(fēng)速鎖定區(qū)間稍小,位移最大值相差較大。