半開口式分離雙箱梁渦振機(jī)理試驗(yàn)研究

陽佳丁， 唐文峰， 謝科*， 龔浩良， 羅昌文

(1.廣東佛盈匯建工程管理有限公司， 廣東 佛山 528000; 2.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司；3.中交第一航務(wù)工程局有限公司)

現(xiàn)代橋梁建造技術(shù)已經(jīng)在設(shè)計(jì)理論、材料性能、施工方法等領(lǐng)域取得了重大突破，橋梁的跨度越來越大、質(zhì)量越來越輕、結(jié)構(gòu)越來越柔，然而，其對(duì)風(fēng)荷載的作用也越來越敏感，因此，對(duì)于超大跨橋梁而言，風(fēng)荷載和風(fēng)致振動(dòng)已經(jīng)成為橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的控制因素之一。

為了提高橋梁的抗風(fēng)性能，超大跨度橋梁往往選用氣動(dòng)特性較好的流線形箱梁斷面。由于半開口式分離雙箱梁為流線形斷面，線形較好，而且與普通箱梁相比自重更輕、材料更省，近幾年半開口式分離雙箱梁已在大跨度斜拉橋中得到廣泛應(yīng)用。然而，既有研究發(fā)現(xiàn)，半開口式分離雙箱斷面容易發(fā)生渦激共振。例如，方根深等通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究了半開口分離雙箱梁的渦振性能及其氣動(dòng)控制措施；王騎等通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，鄂東長(zhǎng)江大橋的開口式分離雙箱梁斷面在+3°和+5°風(fēng)攻角下發(fā)生明顯的豎彎渦振；宋錦忠等在對(duì)荊岳長(zhǎng)江大橋主梁開展節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)也發(fā)現(xiàn)了類似的渦振現(xiàn)象；孟曉亮等研究了椒江二橋分離式雙箱梁斷面的渦振特性并提出了氣動(dòng)優(yōu)化措施；朱樂東等提出了一種多孔擾流板用于抑制半開口分離雙箱梁的渦激共振。上述研究主要通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究開口式分離雙箱梁的渦振特性、氣動(dòng)優(yōu)化及氣動(dòng)控制措施，對(duì)開口式分離雙箱梁渦激共振產(chǎn)生的原因研究較少。

該文以廣東省佛山市同濟(jì)大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究開口式分離雙箱梁的渦振特性，同時(shí)，通過掃描閥測(cè)壓獲得箱梁的風(fēng)壓分布，并解釋開口式分離雙箱梁渦激共振發(fā)生的原因，研究成果對(duì)該種斷面的同類橋型抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

圖1為同濟(jì)大橋的橋型布置圖，橋梁全長(zhǎng)314 m，主梁采用開口式分離雙箱鋼箱梁，如圖2所示，主梁高3.5 m、寬38.6 m，附屬設(shè)施主要包括檢修車軌道和軌道遮風(fēng)板、檢修道欄桿、人行道墻式護(hù)欄及中心護(hù)欄，主梁開口區(qū)域每隔3 m設(shè)置一道橫隔板，圖中小圓圈標(biāo)識(shí)為電子掃描閥測(cè)壓孔的安裝位置。

風(fēng)洞試驗(yàn)的剛性節(jié)段模型幾何縮尺比選為1∶40，節(jié)段模型長(zhǎng)度為2.0 m，寬度為0.965 m，高度為0.088 m，在模型的兩端設(shè)置了兩塊端板，避免端部效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，端板高度為5倍梁高。由于渦激共振主要考慮1階豎彎和1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，模型的質(zhì)量、質(zhì)量矩等重要設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)相似關(guān)系計(jì)算獲得，表1列出了剛性節(jié)段模型詳細(xì)參數(shù)。

圖1 同濟(jì)大橋主橋立面布置圖(單位：cm)

圖2 主跨鋼箱梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：mm)

表1 剛性節(jié)段模型設(shè)計(jì)參數(shù)

在開口式分離雙箱梁的渦激共振振動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)過程中，模型由4根彈簧豎向懸掛，在模型的4個(gè)角分別安裝了4個(gè)激光位移計(jì)，激光位移計(jì)采樣頻率為500 Hz，測(cè)量精度為0.01 mm，通過測(cè)量4個(gè)角點(diǎn)的豎向位移可以計(jì)算得到橋梁豎向正對(duì)稱位移、反對(duì)稱角度以及扭轉(zhuǎn)角度；在進(jìn)行掃描閥測(cè)壓試驗(yàn)時(shí)，模型固定在風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)，表面設(shè)置風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)如圖3所示，掃描閥風(fēng)壓采樣頻率為625 Hz， 測(cè)量時(shí)間為32 s。

所有風(fēng)洞試驗(yàn)在中南大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室高速試驗(yàn)段中進(jìn)行，該試驗(yàn)段長(zhǎng)15.0 m、寬3.0 m、高3.0 m，試驗(yàn)風(fēng)速為1～94 m/s，連續(xù)可調(diào)，湍流度小于0.3%，速度場(chǎng)不均性小于0.5%，氣流偏角小于0.5°。此次測(cè)振試驗(yàn)的風(fēng)速為1.5～10.5 m/s，風(fēng)速增長(zhǎng)間隔為0.5 m/s；測(cè)壓試驗(yàn)風(fēng)速為10 m/s。

圖3 主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)概況

2 半開口式分離雙箱梁的渦振特性

為了研究半開口式分離雙箱梁的渦振特性，將模型懸掛支撐于風(fēng)洞試驗(yàn)中，風(fēng)速由1.5 m/s逐漸增加至10.5 m/s，增幅為0.5 m/s，在3種攻角工況下，采用激光位移計(jì)測(cè)量模型在不同風(fēng)速下四角的豎向位移。測(cè)量結(jié)果如圖4所示。圖中虛線為JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算的渦振限值(0.086 m)。結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)攻角為0°和-3°時(shí)，在測(cè)量風(fēng)速為4～5.5 m/s，模型發(fā)生了小幅的渦激振動(dòng)，位移均方根值的最大值約為0.03 m，滿足規(guī)范的要求。但是，當(dāng)風(fēng)攻角為+3°時(shí)，模型振幅均方根值隨時(shí)間的變化曲線上出現(xiàn)兩個(gè)明顯的渦激共振區(qū)間，第一渦振區(qū)的風(fēng)速范圍為3.0～4.0 m/s，最大位移均方根值為0.04 m，小于規(guī)范0.086 m的要求；第二渦振區(qū)的風(fēng)速范圍為6.5～9 m/s，風(fēng)速鎖定區(qū)明顯大于第一渦振區(qū)，最大渦振位移均方根值為 0.16 m， 明顯高于規(guī)范的要求。如此大幅渦振極有可能威脅橋梁的安全以及橋上汽車的行駛安全和舒適性。以上風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果表明：開口式分離雙箱梁斷面在正攻角下容易發(fā)生雙渦振區(qū)的渦激共振，第一渦振區(qū)鎖定風(fēng)速范圍較窄，振幅較小，且通過對(duì)振動(dòng)位移時(shí)程進(jìn)行頻譜特性分析可知，這一渦振區(qū)內(nèi)模型以豎向振動(dòng)為主；第二渦振區(qū)鎖定風(fēng)速范圍較大，而且振幅較大，以扭轉(zhuǎn)振動(dòng)為主。

圖4 成橋狀態(tài)主梁斷面位移測(cè)點(diǎn)均方根值隨風(fēng)速的變化曲線

3 半開口式分離雙箱梁的渦振機(jī)理

為了進(jìn)一步研究半開口式分離雙箱梁渦激共振發(fā)生的原因，將既有節(jié)段模型固定于風(fēng)洞試驗(yàn)室內(nèi)，在3種風(fēng)攻角下，采用電子掃描閥測(cè)量模型表面風(fēng)壓。電子掃描閥測(cè)量的表面風(fēng)壓經(jīng)過式(1)的無量綱化處理后，得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)Cpi(t):

(1)

式中：Pi(t)為風(fēng)洞試驗(yàn)中掃描閥測(cè)得的i點(diǎn)處風(fēng)壓時(shí)程，以壓力作用方向指向結(jié)構(gòu)表面為正，離開為負(fù)；P0為無窮遠(yuǎn)處試驗(yàn)參考高度處的靜壓；ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3。

當(dāng)風(fēng)速為7.5 m/s時(shí)，測(cè)量結(jié)果如圖5所示。圖中箭頭線表示各個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)，箭頭線的長(zhǎng)度表示風(fēng)壓的絕對(duì)值大小，箭頭方向代表風(fēng)壓的方向；曲折線為各個(gè)測(cè)壓點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)的均方根值，代表風(fēng)壓系數(shù)的脈動(dòng)強(qiáng)度。當(dāng)攻角為0°時(shí)，只有在模型的迎風(fēng)側(cè)很小區(qū)域受正壓，其余面均受負(fù)壓(吸力)；當(dāng)攻角為-3°時(shí)，迎風(fēng)側(cè)的上表面風(fēng)壓系數(shù)明顯減小，下表面的風(fēng)壓系數(shù)明顯增大，其余表面的情況與0°攻角的風(fēng)壓分布十分類似；當(dāng)攻角為+3°時(shí)，上表面的風(fēng)壓系數(shù)明顯增大，下表面上游箱梁底板的風(fēng)壓系數(shù)顯著減小，下游箱梁底板的風(fēng)壓系數(shù)顯著增加。

圖5 不同風(fēng)攻角下開口式分離雙箱梁表面風(fēng)壓系數(shù)

通過對(duì)風(fēng)壓系數(shù)的數(shù)值積分，可以獲得開口式分離雙箱梁斷面的阻力、升力和扭矩，通過如式(2)所示的無量綱化，可以獲得該箱形斷面的阻力、升力和扭矩三分力系數(shù)。

(2)

式中：FD、FL、MT分別為模型單位長(zhǎng)度上所有的阻力、升力及扭矩；CD、CL、CM分別為與之對(duì)應(yīng)的阻力系數(shù)、升力系數(shù)及扭矩系數(shù)；H為模型高度；B為模型寬度。

圖6～8為3種風(fēng)攻角下阻力系數(shù)和升力系數(shù)的時(shí)程曲線及其頻譜曲線，扭矩系數(shù)的分析結(jié)果與阻力系數(shù)類似。當(dāng)風(fēng)攻角為0°和-3°時(shí)，斷面的升力系數(shù)和阻力系數(shù)呈現(xiàn)很強(qiáng)的隨機(jī)特性，頻譜分析曲線中沒有明顯的卓越頻率出現(xiàn)；然而，當(dāng)風(fēng)攻角為+3°時(shí)，斷面的升力系數(shù)呈現(xiàn)明顯的周期特性，升力系數(shù)的頻譜分析曲線中卓越頻率為12.1 Hz(風(fēng)速為7.5 m/s)； 阻力系數(shù)依然表現(xiàn)為隨機(jī)性。升力的周期性波動(dòng)是由于卡門渦周期性脫落產(chǎn)生，脫落的頻率(f)與來流風(fēng)速(U)成正比，與斷面特征尺寸(H)成反比，滿足如式(3)的線性關(guān)系：

(3)

圖6 0°風(fēng)攻角下升力系數(shù)、阻力系數(shù)時(shí)程及頻譜分析

圖7 -3°風(fēng)攻角下升力系數(shù)、阻力系數(shù)時(shí)程及頻譜分析

4 結(jié)論

通過對(duì)同濟(jì)大橋主橋的開口式分離雙箱梁斷面開展節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了開口式分離雙箱梁的渦振特性及其發(fā)生原因，得到以下主要結(jié)論：

(1) 半開口式分離雙箱梁斷面在0°和-3°風(fēng)攻角下，不易發(fā)生大幅渦激共振；但是在+3°風(fēng)攻角下會(huì)發(fā)生大幅渦振，且存在豎向渦振和扭轉(zhuǎn)渦振兩個(gè)渦振風(fēng)速區(qū)間。

(2) 在+3°風(fēng)攻角下，半開口式分離雙箱梁斷面尾流漩渦周期性脫落，脫落頻率滿足卡門渦街的特性。

圖8 +3°風(fēng)攻角下升力系數(shù)、阻力系數(shù)時(shí)程及頻譜分析

(3) 周期性的漩渦脫落導(dǎo)致半開口式分離雙箱梁斷面的升力系數(shù)呈現(xiàn)顯著的周期特性。

(4) 升力系數(shù)卓越頻率與模型的自振頻率接近時(shí)發(fā)生共振現(xiàn)象，是導(dǎo)致該斷面發(fā)生大幅渦振的原因。