鈍角風(fēng)嘴箱梁渦振性能及其氣動(dòng)控制措施研究

曾要爭(zhēng)

(重慶市交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院, 重慶 401121)

渦激振動(dòng)是一種具有自激和限幅雙重性質(zhì)的風(fēng)致振動(dòng)，大跨度橋梁在低風(fēng)速下很容易出現(xiàn)渦激振動(dòng)響應(yīng)[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(xiàn)過渦振現(xiàn)象。由于渦激振動(dòng)發(fā)生在常見風(fēng)速范圍內(nèi)且會(huì)影響橋上行人的舒適度和行車安全，長時(shí)間的振動(dòng)也會(huì)引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[4]，因此，進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)渦振試驗(yàn)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(dòng)特性相對(duì)較好，常被應(yīng)用于大跨度懸索橋或斜拉橋。實(shí)際中，由于各種因素的限制，存在風(fēng)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(huì)進(jìn)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(fēng)率、導(dǎo)流板、斜腹板傾角及風(fēng)嘴寬度和角度等對(duì)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(duì)蘇通大橋主梁渦振性能的影響。楊陽[19-20]等對(duì)分析了大攻角及橋面不平度等對(duì)寸灘大橋主梁渦振性能的影響，但對(duì)渦振的機(jī)理解釋相對(duì)較少。

本文以某市政大跨度流線型鋼箱梁懸索橋?yàn)楸尘?，通過1∶50節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究其渦振性能，結(jié)合CFD數(shù)值計(jì)算結(jié)果，分析了渦振產(chǎn)生的主要原因；提出欄桿隔三封一、設(shè)置導(dǎo)流板、改變風(fēng)嘴角度等氣動(dòng)措施，探討了相關(guān)抑制機(jī)理，給出最優(yōu)方案，對(duì)以后同類橋梁渦振性能優(yōu)化有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

表1 現(xiàn)狀用地統(tǒng)計(jì)

1 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)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(jié)構(gòu)，主梁采用流線型鋼箱梁。橋?qū)?6.4 m，高3.5 m，主梁寬高比為10.4，風(fēng)嘴截面夾角為79.6°，風(fēng)嘴寬0.6 m，風(fēng)嘴短而鈍(圖1)。橋梁結(jié)構(gòu)的主要振型以及對(duì)應(yīng)的頻率見表2。

圖1 主梁斷面 (單位：cm)

根據(jù)JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定，按一階對(duì)稱豎彎和一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率計(jì)算的渦振振幅允許值分別為：0.1386 m和0.1896 °。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图跋嚓P(guān)參數(shù)

為研究該橋的渦振性能，制作主梁的節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。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(fēng)洞試驗(yàn)阻塞比小于5 %。模型采用優(yōu)質(zhì)木材和塑料板制作，人行道欄桿等附屬構(gòu)件均采用高級(jí)塑料板由數(shù)控雕刻機(jī)制作而成。試驗(yàn)在均勻流場(chǎng)中進(jìn)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(shè)置端板(圖2)，相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表2 橋梁動(dòng)力特性 Hz

圖2 節(jié)段模型

參數(shù)實(shí)橋模型第一階對(duì)稱豎彎頻率/Hz0.28873.59第一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率/Hz0.66099.53質(zhì)量/(kg·m-1)2506010.47質(zhì)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(shí)主梁的渦振性能。

成橋狀態(tài)下，主梁在-3°、-5°攻角時(shí)，未出現(xiàn)明顯的渦激振動(dòng)(未列出數(shù)據(jù))。攻角為0°、+3°、+5°時(shí)，主梁出現(xiàn)了明顯的豎向和扭轉(zhuǎn)渦振(圖3)。0°攻角時(shí)，主梁出現(xiàn)了1個(gè)豎向渦振區(qū)和1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，其中扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅略大于規(guī)范允許值。+3°攻角時(shí)，主梁出現(xiàn)了2個(gè)豎向渦振區(qū)和2個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，其中第2個(gè)豎向渦振區(qū)的主梁豎向最大振幅為438 mm，遠(yuǎn)大于規(guī)范允許值；2個(gè)主梁扭轉(zhuǎn)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(yuǎn)超出了規(guī)范的要求值。+5°攻角時(shí)，出現(xiàn)了1個(gè)豎向渦振區(qū)和1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，其中，最大渦振振幅對(duì)應(yīng)的風(fēng)速均在30 m/s左右，與該橋主梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速30.1 m/s較接近。因此，本文重點(diǎn)關(guān)注風(fēng)速小于主梁高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速時(shí)主梁的渦振性能，即風(fēng)攻角3°和0°時(shí)的主梁渦振性能。

中國特色社會(huì)主義制度自信是中國自信的首要標(biāo)志。國家自信是一個(gè)國際情境下的概念，換句話說，一個(gè)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(gè)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(shí)力、軟實(shí)力。在這些自信的依據(jù)中，制度是其中最特殊的一個(gè)，因?yàn)橹贫仁菄业谋倔w，不是國家的所屬物，制度的質(zhì)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(guān)鍵的不可替代的作用。就中國而言，中國特色社會(huì)主義制度自信是中國自信的核心內(nèi)容和首要標(biāo)志。

(a)豎向

(b)扭轉(zhuǎn)圖3 原截面的主梁斷面渦振響應(yīng)

1.4 渦振影響因素

氣流流經(jīng)結(jié)構(gòu)斷面時(shí)產(chǎn)生復(fù)雜的漩渦脫落，從而使結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激振動(dòng)。已有的研究[17]表明，欄桿、檢修車軌道等附屬設(shè)施會(huì)造成漩渦脫落從而引起主梁發(fā)生渦激振動(dòng)。為有效地探究鈍角風(fēng)嘴箱梁渦振產(chǎn)生的原因，試驗(yàn)時(shí)去掉欄桿及檢修車軌道，結(jié)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(fēng)嘴不會(huì)使流線型鋼箱梁產(chǎn)生渦振；但實(shí)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(dòng)控制措施(圖4)。

1.5 CFD流跡顯示

為了對(duì)該主梁斷面的渦振性能有進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，基于CFD數(shù)值模擬軟件不僅可以再現(xiàn)主梁斷面周圍的繞流情況，也可以定性認(rèn)識(shí)渦振產(chǎn)生的原因，更有利于尋找氣動(dòng)控制措施。

圖5所示為+3°攻角時(shí)，主梁周圍的流線圖。氣流流經(jīng)主梁斷面，在迎風(fēng)側(cè)欄桿、檢修車軌道后形成較大的漩渦，形成較大的負(fù)壓區(qū)，同時(shí)在迎風(fēng)側(cè)人行道欄桿后形成較小的漩渦；背風(fēng)側(cè)欄桿前緣、檢車車軌道后及主梁背風(fēng)側(cè)風(fēng)嘴處產(chǎn)生較小的漩渦，對(duì)主梁產(chǎn)生渦激力，從而引發(fā)渦激振動(dòng)。

2 氣動(dòng)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(duì)欄桿透風(fēng)率、風(fēng)嘴角度以及設(shè)置導(dǎo)流板等氣動(dòng)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(dǎo)流板

(a)豎向

(b)扭轉(zhuǎn)圖4 去掉欄桿及檢修車軌道的主梁斷面渦振響應(yīng)

欄桿及檢修車軌道作為橋梁附屬結(jié)構(gòu)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(duì)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(fēng)率，分析對(duì)主梁渦振性能的影響；文獻(xiàn)[14-16]分析了導(dǎo)流板對(duì)主梁渦振性能的影響，借鑒該研究成果，試驗(yàn)在檢修車軌道后方布置0.4 m寬導(dǎo)流板，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，對(duì)欄桿進(jìn)行隔三封一后，主梁豎向及扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)消失。這可能是因?yàn)?，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(shí)會(huì)發(fā)生分離，并在橋面上方產(chǎn)生大量的漩渦，漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)頻率一致時(shí)發(fā)生渦振，對(duì)欄桿進(jìn)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(dòng)。但是，對(duì)欄桿隔三封一可能會(huì)影響市政橋梁的美觀。

布置導(dǎo)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(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)消失，但是第2個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)最大振幅為0.75 °，大于原主梁斷面扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅，風(fēng)速區(qū)間由30～40 m/s變?yōu)?5～40 m/s。設(shè)置導(dǎo)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(zhuǎn)圖6 設(shè)導(dǎo)流板的主梁渦激振動(dòng)響應(yīng)

2.2 風(fēng)嘴的結(jié)構(gòu)形式

文獻(xiàn)[10]詳細(xì)分析了風(fēng)嘴角度對(duì)封閉和半封閉主梁渦振性能的影響，結(jié)構(gòu)表明：風(fēng)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(xiàn)[9]也認(rèn)為短而鈍的風(fēng)嘴會(huì)弱化主梁的渦振性能。鑒于此，為了分析風(fēng)嘴對(duì)主梁渦激振動(dòng)性能的影響，選取主梁加設(shè)小風(fēng)嘴和大風(fēng)嘴兩種工況進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。

(a)豎向

(b)扭轉(zhuǎn)圖7 加風(fēng)嘴工況主梁渦激振動(dòng)響應(yīng)

從圖7中可以看出，加設(shè)小風(fēng)嘴后，主梁豎向渦振消失；第1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振鎖定區(qū)的渦振消失，第2個(gè)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(shè)大風(fēng)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(zhuǎn)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(shè)小風(fēng)嘴對(duì)主梁渦振的抑制效果明顯優(yōu)于大風(fēng)嘴，但對(duì)扭轉(zhuǎn)渦振的抑制效果不理想。

2.3 組合氣動(dòng)措施

單獨(dú)設(shè)置導(dǎo)流板或者風(fēng)嘴后，主梁豎向和扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅仍高于中國規(guī)范的允許值，考慮導(dǎo)流板加人行道板改為斜邊、導(dǎo)流板加小風(fēng)嘴和導(dǎo)流板加大風(fēng)嘴三種組合氣動(dòng)措施工況(每種措施相關(guān)參數(shù)及位置不變)，對(duì)主梁渦振性能進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果如圖8所示。

(a)豎向

(b)扭轉(zhuǎn)圖8 導(dǎo)流板加風(fēng)嘴工況主梁渦激振動(dòng)響應(yīng)

從圖8中可知，考慮導(dǎo)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(gè)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(gè)扭轉(zhuǎn)渦振消失，第2個(gè)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(dǎo)流板加人行道板改為斜邊與單獨(dú)考慮導(dǎo)流板對(duì)主梁豎向渦振的抑制效果基本相同，但對(duì)扭轉(zhuǎn)渦振抑制效果相對(duì)更優(yōu)。

考慮導(dǎo)流板加設(shè)大風(fēng)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(dú)考慮加設(shè)導(dǎo)流板或單獨(dú)加設(shè)大風(fēng)嘴工況；主梁第1渦振區(qū)扭轉(zhuǎn)渦振消失，第2渦振區(qū)最大渦振振幅較單獨(dú)考慮導(dǎo)流板或單獨(dú)加設(shè)大風(fēng)嘴有所減小，但仍高于中國規(guī)范的允許值。

考慮加設(shè)導(dǎo)流板加小風(fēng)嘴后，主梁豎向渦振消失，扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅較單獨(dú)加小風(fēng)嘴或單獨(dú)加導(dǎo)流板時(shí)明顯減小，且略低于中國規(guī)范的允許值。該工況對(duì)主梁渦振抑制效果最為明顯。

2.4 繞流形態(tài)與作用機(jī)制

采用1.5節(jié)中的CFD數(shù)值模擬技術(shù)，對(duì)加設(shè)導(dǎo)流板及加設(shè)小風(fēng)嘴兩種氣動(dòng)控制措施進(jìn)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(shè)導(dǎo)流板后流線

(b) 加小風(fēng)嘴后流線圖9 抑制機(jī)制

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

從圖9(b)可以看出，加設(shè)小風(fēng)嘴后，主梁上表面及檢修車軌道后形成較小的漩渦，迎風(fēng)側(cè)檢修車軌道后形成較小的漩渦，背風(fēng)側(cè)風(fēng)嘴處漩渦向下游移動(dòng)，原斷面周圍較大的漩渦變?yōu)樾〉匿鰷u，這也是加設(shè)小風(fēng)嘴抑振效果相對(duì)較好的原因，由此可知風(fēng)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(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)上述氣動(dòng)措施對(duì)短而鈍風(fēng)嘴的流線型鋼箱梁渦振的抑制效果，本文定義了評(píng)定渦振氣動(dòng)控制措施的抑振效果的指標(biāo)，主梁渦振最大振幅抑制指標(biāo)ξ，定義如下：

式中：A、Ai分別為原主梁斷面、加氣動(dòng)措施后的主梁斷面的最大渦振振幅。

圖10給出了氣動(dòng)控制措施的抑振效果，其中欄桿隔三封一、加設(shè)小風(fēng)嘴、加設(shè)導(dǎo)流板及小風(fēng)嘴對(duì)主梁的豎向渦振抑制效果明顯；欄桿隔三封一、加設(shè)導(dǎo)流板及小風(fēng)嘴對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)渦振抑制效果明顯，加設(shè)導(dǎo)流板、大風(fēng)嘴時(shí)雖然對(duì)主梁的豎向渦振有一定的抑制效果，但會(huì)對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅產(chǎn)生放大作用。因此，綜合評(píng)價(jià)后認(rèn)為單獨(dú)加設(shè)導(dǎo)流板、大風(fēng)嘴不可取，欄桿隔三封一、導(dǎo)流板加設(shè)小風(fēng)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(shè)導(dǎo)流板加小風(fēng)嘴優(yōu)化主梁的渦振性能。

(a)豎向

(b)扭轉(zhuǎn)圖10 渦振氣動(dòng)措施抑制效果

3 結(jié)論

對(duì)某市政懸索橋帶有短而鈍風(fēng)嘴的流線型鋼箱梁進(jìn)行節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，基于CFD數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了該主梁的渦振性能，對(duì)比分析了欄桿、導(dǎo)流板、風(fēng)嘴等氣動(dòng)措施的影響，得出如下結(jié)論：

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

(2)對(duì)欄桿進(jìn)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(dòng)，該氣動(dòng)措施簡(jiǎn)單，施工方便，但可能會(huì)影響市政橋梁的美觀。對(duì)風(fēng)速小于主梁高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的渦振區(qū)而言，設(shè)置導(dǎo)流板后主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)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(shè)小風(fēng)嘴和大風(fēng)嘴后的主梁渦振性能有了很大改善，加設(shè)小風(fēng)嘴對(duì)主梁渦振的抑振效果更優(yōu)?？紤]導(dǎo)流板與風(fēng)嘴組合后對(duì)主梁渦振的抑制效果整體上比單一措施更優(yōu)，但導(dǎo)流板加斜邊人行道板的抑振效果除外。