超大跨桁架梁懸索橋顫振性能氣動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)研究

王維民， 梁愛鴻， 劉新華， 李春光*， 彭元誠(chéng)， 韓艷

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 湖北 武漢 430056； 2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

桁架主梁因其抗扭剛度大、透風(fēng)性能好、預(yù)制安裝方便快捷等優(yōu)點(diǎn)，在大跨度懸索橋中運(yùn)用廣泛，世界上早期修建的懸索橋采用鋼桁架加勁梁為主。隨著橋梁跨徑的不斷增大，結(jié)構(gòu)將變得更加輕柔，阻尼比更小，對(duì)風(fēng)的作用愈加敏感。在加勁梁截面形式已定的情況下,采用適當(dāng)?shù)臍鈩?dòng)措施來改善主梁的顫振穩(wěn)定性能往往是一種最可靠、最具現(xiàn)實(shí)意義的途徑[1]。因此研究桁架加勁梁懸索橋氣動(dòng)穩(wěn)定措施具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

以往研究表明：桁架梁懸索橋的顫振性能在初步設(shè)計(jì)階段通常難以滿足要求，特別是當(dāng)橋址處的設(shè)計(jì)風(fēng)速較高時(shí)，鋼桁梁的顫振穩(wěn)定性已成為設(shè)計(jì)過程中的控制性因素。Ueda等[2]通過流跡顯示和測(cè)壓試驗(yàn)研究了豎向穩(wěn)定板的制振機(jī)理，發(fā)現(xiàn)桁架梁的顫振是由于分離流的再附引起的，當(dāng)安裝豎向中央穩(wěn)定板后減弱了氣流的再附程度，進(jìn)而抑制了主梁顫振；李加武等[3]研究了抗風(fēng)纜、中央穩(wěn)定板、風(fēng)嘴等措施對(duì)窄桁架懸索橋顫振穩(wěn)定性的影響；李春光等[4]通過對(duì)桁架加勁梁橋面板增設(shè)上下穩(wěn)定板，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定板的高度存在一個(gè)最優(yōu)值，且分離式中央穩(wěn)定板的抑振效果優(yōu)于整體式中央穩(wěn)定板；陳政清等[5]從能量角度研究了中央穩(wěn)定板對(duì)桁架梁懸索橋顫振穩(wěn)定性的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)中央穩(wěn)定板提高了顫振發(fā)生時(shí)豎向自由度的參與程度和扭彎耦合程度，使顫振形態(tài)由單自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)向彎扭耦合振動(dòng)轉(zhuǎn)移，從而提高顫振臨界風(fēng)速；夏錦林等[6]通過對(duì)比上、下穩(wěn)定板及相組合對(duì)箱梁斷面的顫振性能影響，發(fā)現(xiàn)采取組合措施對(duì)箱梁斷面顫振的抑振效果最明顯；Tang等[7]通過對(duì)開槽鋼桁架加勁梁斷面進(jìn)行顫振穩(wěn)定性風(fēng)洞試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)封閉橋面中央槽位、豎向穩(wěn)定板以及欄桿透風(fēng)率等對(duì)加勁梁斷面顫振穩(wěn)定性有明顯作用；歐陽(yáng)克儉等[8]通過CFD數(shù)值模擬及PIV風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)中央穩(wěn)定板在橋梁顫振穩(wěn)定性分析中的影響作了細(xì)觀作用機(jī)理分析，發(fā)現(xiàn)中央穩(wěn)定板可以將氣流在橋面中央形成上下旋渦對(duì)，是主梁斷面在顫振中豎向自由度參與作用。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者分別從橋梁結(jié)構(gòu)體系、主梁斷面氣動(dòng)外形以及氣動(dòng)措施等角度對(duì)大跨度橋梁顫振穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并得到了一些具有重要工程應(yīng)用價(jià)值的研究成果。但是由于實(shí)際大跨度橋梁因其結(jié)構(gòu)體系、斷面形式的差異，當(dāng)橋位顫振檢驗(yàn)風(fēng)速較高且采用鋼桁架梁斷面時(shí)需要進(jìn)行針對(duì)性的試驗(yàn)研究，以提高顫振穩(wěn)定性[9]。該文以主跨為1 080 m的某跨越峽谷大跨度鋼桁架懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其桁架主梁斷面進(jìn)行測(cè)試及氣動(dòng)性能優(yōu)化，研究結(jié)果可為類似實(shí)際工程提供參考。

1 工程概況

1.1 背景工程

某主跨1 080 m的超大跨度鋼桁梁懸索橋，橋位處于峽谷地帶，峽谷風(fēng)效應(yīng)明顯且風(fēng)場(chǎng)較為復(fù)雜。峽谷兩側(cè)山體不等高，跨中橋面距谷底高度330 m。鋼桁梁包括鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分，板桁結(jié)合，主纜矢跨比為1∶10，鋼梁寬28 m、高7.5 m，橋形布置如圖1所示，主梁立面圖如圖2所示。由于橋址區(qū)無可靠氣象記錄數(shù)據(jù)，按照規(guī)范100年重現(xiàn)期最不利基本風(fēng)速為25.9 m/s(10 m高度、10 min時(shí)距、100年重現(xiàn)期)，由JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定大橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為37.4 m/s，成橋階段的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為64 m/s。

圖1 橋形布置圖(單位：cm)

圖2 桁架加勁梁設(shè)計(jì)斷面圖(單位：mm)

1.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

基于有限元軟件Ansys分析橋梁的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性[10]，建模時(shí)以Beam188模擬鋼桁加勁梁，以Link10模擬主纜及吊桿，以Beam4模擬橋塔，橋面系正交異性板和UHPC采用Shell181模擬，忽略橋面的橫坡。采用等效密度計(jì)算方法準(zhǔn)確模擬質(zhì)量分布，橋梁有限元模型如圖3所示，橋梁的自振特性如表1所示。該橋選擇1階正對(duì)稱豎彎及扭轉(zhuǎn)的頻率進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)應(yīng)振型如圖4所示。

圖3 橋梁有限元模型

圖4 振型示意圖

表1 橋梁自振特性

2 節(jié)段模型試驗(yàn)布置

主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在長(zhǎng)沙理工大學(xué)風(fēng)工程與風(fēng)環(huán)境研究中心邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞風(fēng)速的調(diào)節(jié)和控制采用計(jì)算機(jī)終端集中控制的調(diào)速系統(tǒng)。試驗(yàn)段截面尺寸為4.0 m×3.0 m×21.0 m，風(fēng)速范圍為0～45.0 m/s。為保證節(jié)段完整性，節(jié)段模型的幾何縮尺比設(shè)為1∶50。為減少節(jié)段模型端部三維流動(dòng)的影響，主梁模型長(zhǎng)度取L=1.5 m，主梁寬度B=0.56 m，模型高度H=0.15 m，模型長(zhǎng)寬比約為2.68。主梁常規(guī)比例節(jié)段模型骨架采用不銹鋼框架制作而成，外衣采用優(yōu)質(zhì)PVC制作，以保證幾何外形的相似。模型兩端采用輕質(zhì)PVC板作為端板，以保證主梁斷面附近氣流的二元特性。主梁上的檢修道欄桿、防撞護(hù)欄以及水槽等附屬設(shè)施采用ABS板制作，并模擬了欄桿及護(hù)欄的形狀與透風(fēng)率。表2為節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)。圖5為安裝在風(fēng)洞中的橋梁節(jié)段模型。

表2 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)

圖5 節(jié)段模型試驗(yàn)布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 原設(shè)計(jì)斷面顫振性能

節(jié)段模型顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，采用自由懸掛安裝方式，模擬主梁斷面的豎彎與扭轉(zhuǎn)模態(tài)。原設(shè)計(jì)主梁斷面顫振試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，顫振形態(tài)表現(xiàn)為單自由度扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。+5°和+3°攻角的顫振臨界風(fēng)速低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，其他攻角均高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。需要采取一定的措施來改善大橋的氣動(dòng)穩(wěn)定性，保證大橋的氣動(dòng)安全。

表3 各攻角原設(shè)計(jì)主梁斷面顫振試驗(yàn)結(jié)果

3.2 顫振性能優(yōu)化研究

依據(jù)原設(shè)計(jì)主梁斷面節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果，主梁斷面在部分攻角范圍內(nèi)，顫振臨界風(fēng)速低于規(guī)范顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，因此需要采取一定的措施來改善大橋的顫振穩(wěn)定性，保證大橋的氣動(dòng)安全。以往研究表明，設(shè)置穩(wěn)定板，改變欄桿透風(fēng)率等措施可明顯影響桁架梁斷面主梁的顫振穩(wěn)定性。試驗(yàn)中選擇最不利攻角+5°進(jìn)行優(yōu)化措施試驗(yàn)。為方便比較不同氣動(dòng)措施的抑制效果，定義顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率β，β按照式(1)計(jì)算：

β=(Ue-Ue0)/Ue0×100%

(1)

式中：Ue0、Ue分別為原設(shè)計(jì)主梁斷面及對(duì)其氣動(dòng)優(yōu)化后的顫振臨界風(fēng)速值。

3.2.1 穩(wěn)定板

桁架梁的顫振穩(wěn)定性中，中央穩(wěn)定板是一種有效的抑制措施，因此對(duì)不同高度的上中央穩(wěn)定板進(jìn)行研究，并與帶水平分流板主梁斷面進(jìn)行對(duì)比，具體實(shí)施位置如圖6、7所示，氣動(dòng)措施的具體內(nèi)容如表4所示。

圖6 原設(shè)計(jì)主梁斷面穩(wěn)定板位置示意圖

圖7 水平分流板主梁斷面穩(wěn)定板位置示意圖

表4 主梁斷面氣動(dòng)措施

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，主梁上增設(shè)上中央穩(wěn)定板，對(duì)提高其顫振臨界風(fēng)速有很好的作用，且隨著高度的增加，氣動(dòng)優(yōu)化效果逐漸明顯。上中央穩(wěn)定板需要考慮整體視覺效果，高度不宜超過欄桿高度，因此高度最大采用與欄桿齊平2 m。對(duì)于2 m的欄桿，0.5 m的上中央穩(wěn)定板對(duì)其美觀性和行車可視性效果良好，但優(yōu)化后的顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率僅為2.1%，顫振臨界風(fēng)速僅為62.3 m/s，低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，不能有效改善大橋的顫振穩(wěn)定性。1 m上中央穩(wěn)定板的顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率達(dá)到10.2%，顫振臨界風(fēng)速67.23 m/s也高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，但其僅高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速5.04%，安全余量不足。增設(shè)與欄桿齊平的上中央穩(wěn)定板，顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率達(dá)到28.4%，顫振臨界風(fēng)速78.3 m/s也高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，安全余量充足，可作為氣動(dòng)優(yōu)化的備選方案。下中央穩(wěn)定板的設(shè)置，顫振臨界風(fēng)速小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，對(duì)大橋顫振穩(wěn)定性起到負(fù)作用，與其他研究結(jié)論相近[11]。

表5 穩(wěn)定板顫振試驗(yàn)結(jié)果

帶水平分流板斷面的顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率為-21.6%，水平分流板增加了橋面寬度，增大了橋面上的氣動(dòng)力，顫振性能降低。帶水平分流板斷面設(shè)置2 m上中央穩(wěn)定板，對(duì)大橋顫振穩(wěn)定性是有利的，但其顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率僅為-18.1%，且顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，2 m上中央穩(wěn)定板對(duì)此斷面效果不明顯。增設(shè)1 m下中央穩(wěn)定板的氣動(dòng)措施不利于大橋的顫振穩(wěn)定性，與上述未帶水平分流板斷面結(jié)果一致。

兩種斷面僅存在是否帶有水平分流板的差異，但顫振性能相差較大，不帶水平分流板斷面顫振性能更好，對(duì)上中央穩(wěn)定板的氣動(dòng)措施更顯著。兩種斷面對(duì)于中央穩(wěn)定板的結(jié)果趨勢(shì)保持一致，上中央穩(wěn)定板提高其顫振臨界風(fēng)速，下中央穩(wěn)定板降低其顫振臨界風(fēng)速。

3.2.2 欄桿透風(fēng)率

鑒于中央穩(wěn)定板對(duì)提高顫振臨界風(fēng)速有明顯作用，因此，采用封閉橋面兩側(cè)欄桿的措施，使封閉的欄桿起到上穩(wěn)定板的作用，進(jìn)行改變欄桿透風(fēng)率風(fēng)洞試驗(yàn)研究大橋顫振性能。不同欄桿封閉措施其透風(fēng)率如圖8所示，各氣動(dòng)措施內(nèi)容如表6所示，欄桿透風(fēng)率顫振試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表6 主梁斷面氣動(dòng)措施內(nèi)容

表7 欄桿透風(fēng)率顫振試驗(yàn)結(jié)果

圖8 欄桿透風(fēng)率措施內(nèi)容示意圖

由表7可得：隨著欄桿上封閉的增加，大橋顫振穩(wěn)定性逐漸提高，顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率從-6.1%增加到超過30.5%，欄桿全封閉下，大橋顫振臨界風(fēng)速超過了79.6 m/s，說明欄桿全封閉下，橋面上的旋渦減小，橋面上的氣動(dòng)力減小，起到了與上中央穩(wěn)定板相同的效果。欄桿上封閉低于40%時(shí)，所增設(shè)的氣動(dòng)措施產(chǎn)生的是負(fù)影響，來流風(fēng)通過欄桿時(shí)，將來流風(fēng)分離，在欄桿高度處分離的來流風(fēng)，使橋面上的旋渦增大，欄桿下的空隙使橋面上旋渦進(jìn)一步增大，降低了大橋的顫振臨界風(fēng)速。欄桿上封閉超過60%后，封閉欄桿的效果明顯提升，大橋的顫振臨界風(fēng)速達(dá)到77.36 m/s，顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率26.8%，欄桿全封閉時(shí)顫振臨界風(fēng)速超過79.6 m/s，可以滿足規(guī)范要求。欄桿下封閉40%的效果與欄桿全封閉結(jié)果相似，表明欄桿下半段對(duì)橋面的氣動(dòng)力影響明顯，可以減小氣流在橋面上的旋渦尺寸，提高大橋顫振性能。

帶水平分流板斷面欄桿封閉與上述結(jié)果相反，欄桿上封閉40%時(shí)效果明顯，顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率達(dá)到17.2%，而欄桿下封閉40%時(shí)顫振臨界風(fēng)速增長(zhǎng)率僅1.5%。與增長(zhǎng)的橋面寬度使得氣流流過欄桿所產(chǎn)生的旋渦位置發(fā)生改變有一定的關(guān)系。

欄桿的封閉對(duì)顫振性能的影響有很明顯的作用，但封閉會(huì)影響行車的觀景效果，同時(shí)導(dǎo)致主梁阻力系數(shù)增大，進(jìn)而導(dǎo)致靜風(fēng)位移過大，因此欄桿的封閉應(yīng)綜合考慮進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化。

3.2.3 氣動(dòng)措施下顫振性能驗(yàn)證

綜上所述，在最不利+5°攻角下進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化措施，原設(shè)計(jì)斷面最終選取2 m上中央穩(wěn)定板作為最優(yōu)氣動(dòng)措施來進(jìn)行各攻角的顫振試驗(yàn)。

采取氣動(dòng)措施的主梁節(jié)段模型在±5°、±3°、0°各攻角下的顫振試驗(yàn)結(jié)果如表8所示。采取最優(yōu)方案進(jìn)行氣動(dòng)措施優(yōu)化后，各攻角下主梁的顫振穩(wěn)定性均能滿足要求且具有充裕的安全余量，符合規(guī)范要求[12]。

表8 采取氣動(dòng)措施的主梁節(jié)段模型顫振試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

通過節(jié)段模型顫振性能風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)大橋的顫振穩(wěn)定性及其氣動(dòng)優(yōu)化進(jìn)行研究，分析中央穩(wěn)定板和不同欄桿透風(fēng)率對(duì)主梁的氣動(dòng)優(yōu)化效果，并對(duì)比帶水平分流板斷面與原斷面的顫振性能差異，得出以下結(jié)論：

(1) 在主梁斷面增設(shè)上中央穩(wěn)定板可明顯提高大橋的顫振穩(wěn)定性，并隨著高度的增加，顫振穩(wěn)定性進(jìn)一步增強(qiáng)，但上中央穩(wěn)定板不宜超過欄桿高度，不僅影響橋體整體美觀性，還會(huì)增加主梁的阻力系數(shù)，增加靜風(fēng)穩(wěn)定位移，不利于橋的氣動(dòng)穩(wěn)定性。

(2) 帶水平分流板斷面的顫振性能要弱于未帶水平分流板斷面，且顫振臨界風(fēng)速低于未帶水平分流板斷面-21.6%，氣動(dòng)措施優(yōu)化后的顫振穩(wěn)定性也弱于原斷面，結(jié)果差異明顯。結(jié)論對(duì)桁架懸索橋的斷面設(shè)計(jì)可起到指導(dǎo)作用。

(3) 對(duì)欄桿進(jìn)行封閉會(huì)影響大橋的顫振穩(wěn)定性，不同斷面表現(xiàn)不同，原設(shè)計(jì)斷面隨著封閉比例增大，對(duì)主梁的氣動(dòng)優(yōu)化作用越顯著，但全封閉時(shí)景觀效果較差，欄桿下封閉40%能更好地改善主梁的顫振穩(wěn)定性。