鈍體斷面列車對斜拉橋渦振穩(wěn)定性影響的試驗研究

胡騰飛 許汝武

摘要：渦激振動是大跨柔性橋梁風(fēng)致振動中最常發(fā)生的一種現(xiàn)象，對結(jié)構(gòu)氣動外形與局部構(gòu)造的微小變化十分敏感，列車在橋梁上行駛勢必會改變橋梁斷面的氣動外形，因此有必要研究列車對橋梁渦振性能的影響。文章在試驗中采用彈性懸掛剛性節(jié)段模型車橋系統(tǒng)，在不同阻尼比條件下進(jìn)行了橋面無車和橋面有車往返狀態(tài)下的渦激振動風(fēng)洞試驗。研究表明：在橋面無車狀態(tài)-3°風(fēng)攻角時，主梁發(fā)生了明顯的豎向渦激振動;主梁斷面抗渦性能的最有利風(fēng)攻角為+3°，而在橋面有車狀態(tài)下則剛好相反;車橋系統(tǒng)斷面的渦振穩(wěn)定性由主梁斷面本身具有的渦振性能與列車氣動外形對主梁渦振性能的影響共同決定;在實際工程中，鈍體斷面列車對車橋系統(tǒng)渦激振動穩(wěn)定性的影響是不可忽視的。

關(guān)鍵詞：安全工程;渦激振動;列車;風(fēng)洞試驗

Vortexinduced vibration is the most common phenomenon in windinduced vibration of largespan flexible bridges，it is very sensitive to the aerodynamic shape of structures and the small changes in local structures，and the trains driving on the bridges will inevitably change the aerodynamic shape of bridge sections，thus it is necessary to study the influence of trains on the vortex vibration performance of bridges.This article uses the elasticsuspension rigidsection model trainbridge system in the experiment to conduct the vortexinduced vibration wind tunnel test under the roundtrip condition with and without train on bridge and under different damping ratio conditions.The research shows that the main beam has the obvious vertical vortexinduced vibration at 3° wind angle of attack without train on the bridge;the most favorable wind angle of attack for the vortex resistance of main beam section is +3°，while it is opposite when there is the train on the bridge;the vortex vibration stability of trainbridge system crosssection is jointly determined by its own vortex vibration performance of main beam section and the influence of train aerodynamic shape on the vortex vibration performance of main beam;in actual engineering，the bluntbody section train has a nonignorable influence on vortexinduced vibration stability of trainbridge system.

Safety engineering;Vortex induced vibration;Train;Wind tunnel test

0 引言

渦激共振是指風(fēng)流經(jīng)橋梁時，可能出現(xiàn)流動的分離和周期性的漩渦脫落，使橋梁結(jié)構(gòu)左右和上下表面產(chǎn)生交替變化的渦激力，當(dāng)漩渦脫落頻率等于橋梁或接近于橋梁結(jié)構(gòu)某階固有頻率時，將會引起橋梁結(jié)構(gòu)振動的現(xiàn)象，又稱為渦激振動（簡稱渦振）。渦激振動是大跨度柔性橋梁在低風(fēng)速下容易發(fā)生的一種限幅風(fēng)致振動現(xiàn)象，只在特定的風(fēng)速區(qū)間發(fā)生，并對結(jié)構(gòu)阻尼及氣動外形的微小變化十分敏感[1-2]。盡管渦激振動不像馳振和顫振那樣是發(fā)散的毀滅性的振動，但由于在低風(fēng)速下常易發(fā)生，可能會引起橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損壞，且振幅之大足以影響行車舒適性，甚至威脅行車安全[3]，因此對渦激振動的研究是十分必要的。國內(nèi)外學(xué)者雖然對許多大橋的渦振現(xiàn)象進(jìn)行了大量的研究，并取得了一些重要成果[3-6]，但由于渦振影響因素繁多，其機理仍未徹底揭示，而理論分析方法與數(shù)值模擬技術(shù)則存在一定的局限性，故通常采用風(fēng)洞試驗進(jìn)行研究，而主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗是使用最為廣泛的手段之一。

渦振對橋梁結(jié)構(gòu)的氣動外形與局部構(gòu)造十分敏感，風(fēng)不僅會作用在橋上，還會作用在車上，列車的存在會改變橋梁斷面的繞流特性。近年來列車在強風(fēng)作用下的脫軌、側(cè)翻和人員傷亡事故時有發(fā)生[7-9]。如2007年2月，烏魯木齊駛往阿蘇克的列車車窗在強風(fēng)作用下被飛沙打碎，11節(jié)車廂被吹翻，導(dǎo)致4人死亡，線路被迫中斷行車[10]。鑒于此，在風(fēng)車橋系統(tǒng)的理論與試驗研究方面主要集中于列車在強風(fēng)作用下的安全性研究[11-14]，而對中低風(fēng)速下可能發(fā)生車橋系統(tǒng)渦振的研究則較少。Reinhold[15]雖在大海帶東橋節(jié)段模型風(fēng)洞試驗中將車輛列為影響因素，但未進(jìn)行系統(tǒng)研究。周立[16]與李春光[17]分別針對某特定車流和多種交通車流研究了車輛對公路橋梁渦振性能的影響。但車輛模型僅限于流線型較好的公路車輛，而對行駛在鐵路橋梁上非流線型列車的研究則鮮見報道。因此，本文基于彈性懸掛剛性節(jié)段模型，模擬鈍體效應(yīng)明顯的C80B型運煤專用敞車往返兩種車流狀態(tài)，測試不同風(fēng)攻角下橋梁主梁振動的渦振響應(yīng)，探討往返狀態(tài)下列車對其渦振性能的影響。

1 工程背景

本文以某在建開口斷面斜拉橋為背景，該橋跨徑布置為（99.12+140+406+406+140+99.12）m，圖1為該橋效果圖。主梁采用開口鋼箱梁與鋼桁架的組合斷面形式，兩獨立小鋼箱布置在橫斷面兩端，通過橫梁和正交異型鋼橋面連接，鋼箱梁全寬21.0 m，中心梁高為2.5 m。鋼桁為三角形桁式，上弦桁寬12 m，下弦桁寬14 m，桁高12 m。

橋梁界普遍認(rèn)為，氣流繞過桁架梁時，難以形成規(guī)則的漩渦脫落，因此不易發(fā)生渦振。但對于開口鋼箱梁斷面，由于其自身鈍體效應(yīng)十分明顯，由其組成的桁架梁仍可能發(fā)生渦激振動，進(jìn)而引發(fā)橋梁結(jié)構(gòu)疲勞，影響行車舒適性和安全性。為了確保該橋抗風(fēng)穩(wěn)定性，采用彈性懸掛剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗對該橋成橋狀態(tài)進(jìn)行了渦激振動研究，并在發(fā)現(xiàn)該橋存在較大幅度渦振的前提下，以斷面鈍體效應(yīng)也十分明顯的C80B型運煤專用敞車為例，進(jìn)一步研究了列車對該橋渦振性能的影響。

2 風(fēng)洞試驗

2.1 模型設(shè)計及試驗參數(shù)

為了研究風(fēng)車橋系統(tǒng)下列車對該橋渦振性能的影響，試驗中采用80 t級載重的C80B型運煤專用敞車作為列車模型。C80B型敞車幾何縮尺比與主梁相同，為1：54.5，列車質(zhì)量相比橋梁很小，可忽略不計，僅模擬其氣動外形?？紤]到渦振對斷面氣動外形的微小變化十分敏感，并結(jié)合實際運營情況在試驗中將列車分為有蓋板狀態(tài)（滿載南下）與無蓋板狀態(tài)（空載北上）往返兩種工況，且試驗中列車均位于受力略大的迎風(fēng)側(cè)，列車單節(jié)車廂模型如圖2所示。

采用ANSYS軟件建立實橋有限元模型，采用子空間迭代法進(jìn)行模態(tài)分析后得到該橋動力特性并計算得到主梁單位長度的等效質(zhì)量和等效質(zhì)量慣性矩[18]。節(jié)段模型兩邊的小鋼箱梁采用鋁合金鋼管以保證模型的整體剛性，其余部分采用高強輕質(zhì)木板制作以滿足質(zhì)量與質(zhì)量慣矩等相似要求。節(jié)段模型中豎彎與扭轉(zhuǎn)渦振采用相同的頻率比和風(fēng)速比。節(jié)段模型試驗參數(shù)見表1，橫斷面如圖3所示。

2.2 試驗裝置

主梁節(jié)段模型渦激共振試驗在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心HD-2邊界層高速試驗段進(jìn)行。節(jié)段模型采用8根彈簧自由懸掛方式固定，主梁下方對稱布置4個激光位移計[17]，用于測量主梁振動的位移時程，設(shè)備采樣頻率為100 Hz。模型前方布置與主梁等高的風(fēng)速測定儀[17]，能夠?qū)砹黠L(fēng)速進(jìn)行監(jiān)測和記錄。試驗中位移時程通過東華系統(tǒng)[17]進(jìn)行采集。節(jié)段模型測振系統(tǒng)如圖4所示。

2.3 渦振峰值限制

由于在試驗過程中，均未觀測到扭轉(zhuǎn)渦振，因此本文的研究僅針對豎向渦振展開。基于目前鐵路橋梁抗風(fēng)設(shè)計缺乏相應(yīng)的規(guī)范，故通常采用《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[19]（下文簡稱《規(guī)范》）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷，根據(jù)《規(guī)范》規(guī)定，成橋狀態(tài)下主梁豎彎渦振容許振幅峰值為：

3 試驗結(jié)果及分析

渦振試驗分定性分析和定量分析兩個階段進(jìn)行。試驗首先采用《規(guī)范》規(guī)定的阻尼比定性地研究了列車對橋梁渦振穩(wěn)定性的影響，再通過減小阻尼比，使各工況下均出現(xiàn)渦振現(xiàn)象，進(jìn)一步定量地討論了列車氣動外形對橋梁渦振性能的影響。

3.1 定性分析

為研究列車氣動外形對橋梁渦振性能的影響，依據(jù)《規(guī)范》在阻尼比ζ=0.5%條件下進(jìn)行了橋面無車和橋面迎風(fēng)側(cè)有車空載無蓋板2種斷面形式， +3°、0°和-3°風(fēng)攻角下共6個工況的渦振試驗。試驗結(jié)果如下頁圖5所示。相比滿載有蓋板狀態(tài)，空載無蓋板狀態(tài)的渦振穩(wěn)定性更加不利，因此定性分析階段沒有進(jìn)行滿載有蓋板工況的試驗研究。

由圖5可知，該橋在-3°風(fēng)攻角橋面無車狀態(tài)下，發(fā)生了明顯的豎向渦激振動，臨界起振風(fēng)速為15 m/s，振幅達(dá)到0.071 m，超過了《規(guī)范》容許值0.049 m，表明該橋在-3°風(fēng)攻角條件下的渦振性能是不穩(wěn)定的，而在0°和+3°風(fēng)攻角條件下具有良好的渦振穩(wěn)定性;在鎖定區(qū)間內(nèi)，渦振頻率與模型的豎向振動頻率一致，為4.785 Hz（見下頁圖6）。當(dāng)列車空載狀態(tài)布置于橋面迎風(fēng)側(cè)時，并未出現(xiàn)渦激共振，這表明列車的存在避免了渦振的出現(xiàn)，對橋梁渦振具有抑制作用，更確切地說，列車的存在使橋梁在-3°風(fēng)攻角條件下具有較好的渦振穩(wěn)定性。

3.2 定量分析

為了進(jìn)一步研究列車對橋梁渦振穩(wěn)定性的影響，需使主梁在不同攻角下均發(fā)生渦激振動，從而定量地比較列車氣動外形對主梁渦振性能的影響，因此有必要在低阻尼條件下進(jìn)行相關(guān)的渦振試驗。

將阻尼比由0.5%降低到0.2%，分別進(jìn)行了橋面無車、橋面有車空載和滿載3種斷面形式，+3°、0°和-3°風(fēng)攻角下共9個工況的渦振試驗，其中橋面有車狀態(tài)時，列車均位于所受風(fēng)荷載略大的迎風(fēng)側(cè)。試驗中各工況下均觀測到了豎向的渦激振動，并未觀測到扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象，試驗結(jié)果如圖7～9所示。

（1）+3°風(fēng)攻角不同斷面渦振性能的比較。從圖7可以看出，+3°風(fēng)攻角時，相比橋面無車狀態(tài)（起振風(fēng)速17.5 m/s、鎖定風(fēng)速區(qū)間長度5.04 m/s、振幅0.121 m），橋面有車狀態(tài)下的起振風(fēng)速提前，渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度及振幅增加較大，因此列車的氣動外形對主梁渦振十分不利，這主要是由列車在這一攻角下的鈍體效應(yīng)最為明顯造成的。相比橋面有車無蓋板狀態(tài)（起振風(fēng)速14.8 m/s、鎖定風(fēng)速區(qū)間長度10.47 m/s、振幅0.187 m），橋面有車有蓋板狀態(tài)的起振風(fēng)速提高較大，為16.6 m/s，渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度相對較小，為8.9 m/s，振幅下降較大，為0.152 m，因此列車滿載狀態(tài)較空載狀態(tài)時對渦振更為有利。究其原因，列車空載與滿載在斷面上雖然只是極微小的變化，但在實際運營中，+3°風(fēng)攻角時蓋板處于背風(fēng)側(cè)，在某種程度上具有導(dǎo)流作用。

（2）0°風(fēng)攻角不同斷面渦振性能的比較。由圖8可知，0°風(fēng)攻角時，相比橋面無車狀態(tài)（起振風(fēng)速15.4 m/s、鎖定風(fēng)速區(qū)間長度5.95 m/s、振幅0.186 m），橋面有車狀態(tài)下的起振風(fēng)速略有提前，振幅也有所增加，渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度與+3°風(fēng)攻角時基本相同，表明列車的氣動外形對主梁渦振不利，原因與+3°類似，僅程度有所減小。相比橋面有車無蓋板狀態(tài)（起振風(fēng)速14.4 m/s、鎖定風(fēng)速區(qū)間長度11.13 m/s、振幅0.230 m），橋面有車有蓋板狀態(tài)的起振風(fēng)速（14.7 m/s）與渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度（10.80 m/s）基本相同，振幅有所下降，為0.206 m，表明列車滿載狀態(tài)較空載狀態(tài)對渦振穩(wěn)定性略為有利，這與+3°風(fēng)攻角時的試驗結(jié)果基本一致。究其原因，由于在0°風(fēng)攻角時，蓋板處于水平狀態(tài)，其導(dǎo)流作用受到削弱。

（3）-3°風(fēng)攻角不同斷面渦振性能的比較。圖9的試驗結(jié)果表明，-3°風(fēng)攻角時，相比橋面無車狀態(tài)（起振風(fēng)速15.2 m/s、鎖定風(fēng)速區(qū)間長度5.18 m/s、振幅0.190 m），橋面有車狀態(tài)的振幅雖然增加，但起振風(fēng)速得到明顯提高及渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度顯著減小，表明列車的氣動外形對主梁渦振有利，這是由于C80B型列車本身不具備流線外形，鈍體效應(yīng)明顯，但在-3°風(fēng)攻角下其鈍體效應(yīng)最小，使得車橋系統(tǒng)的整體鈍體效應(yīng)要小于橋面無車狀態(tài)。相比橋面有車無蓋板狀態(tài)（起振風(fēng)速17.4 m/s、鎖定風(fēng)速區(qū)間長度7.30 m/s、振幅0.240 m），橋面有車有蓋板狀態(tài)的起振風(fēng)速（17.9 m/s）、渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度（7.13 m/s）和振幅（0.249 m）基本相同。究其原因，在-3°風(fēng)攻角時，由于蓋板處于迎風(fēng)側(cè)，并與來流具有一定垂度，使得蓋板的導(dǎo)流作用大大降低，相當(dāng)于蓋板沒有發(fā)揮作用。

（4）相同斷面不同攻角渦振性能的比較。由圖7～9可知，在小阻尼比橋面無車狀態(tài)下，-3°為最不利風(fēng)攻角，此時振幅最大，起振風(fēng)速最低;0°風(fēng)攻角次之;+3°為最有利風(fēng)攻角，相應(yīng)的起振風(fēng)速最大，渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度最短，振幅最小，這與定性分析階段試驗中橋面無車狀態(tài)的試驗結(jié)論一致。而在小阻尼比橋面有車狀態(tài)下，列車氣動外形對橋梁渦振性能的影響表現(xiàn)在：-3°為最有利攻角，此時鎖定區(qū)間長度最短，起振風(fēng)速最大;+3°攻角次之;0°攻角為最不利攻角，此時起振風(fēng)速最低，鎖定區(qū)間最大。此外還可以看出，列車蓋板會影響渦振振幅、起振風(fēng)速及渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間長度，但對渦振的結(jié)束風(fēng)速幾乎沒有影響。

綜上所述，+3°和0°風(fēng)攻角時，主梁斷面具有良好的渦振穩(wěn)定性，雖然列車氣動外形對其具有不利影響，但影響有限，因此阻尼比為0.5%時沒有出現(xiàn)渦振現(xiàn)象;-3°風(fēng)攻角時，列車氣動外形對主梁渦振性能影響較大，大于主梁斷面本身較差的抗渦性能，但阻尼比增為0.5%后避免了渦激振動的發(fā)生。故車橋系統(tǒng)斷面的渦振穩(wěn)定性由主梁斷面本身具有的渦振穩(wěn)定性與列車氣動外形對主梁渦振性能的影響共同決定。

4 結(jié)語

通過對某在建大跨鐵路斜拉橋節(jié)段模型車橋系統(tǒng)在不同運營狀態(tài)及風(fēng)攻角下的渦激振動風(fēng)洞試驗，得出以下結(jié)論：

（1）橋面無車狀態(tài)時，主梁在-3°風(fēng)攻角下發(fā)生了明顯的渦激振動，而主梁斷面在+3°和0°風(fēng)攻角下具有良好的渦振穩(wěn)定性。

（2）在-3°風(fēng)攻角時，列車對車橋系統(tǒng)的渦振穩(wěn)定性有利，而0°和+3°風(fēng)攻角為不利風(fēng)攻角。

（3）車橋系統(tǒng)斷面的抗渦穩(wěn)定性由主梁斷面本身具有的渦振穩(wěn)定性與列車氣動外形對主梁渦振性能的影響共同決定。在實際工程中，針對鈍體效應(yīng)明顯的主梁斷面，鈍體斷面的列車對車橋系統(tǒng)渦激振動穩(wěn)定性的影響是不可忽視的。

（4）相比列車空載無蓋板狀態(tài)，列車滿載有蓋板狀態(tài)在斷面上雖只有極微小的變化，但對渦振性能影響顯著：蓋板的作用效果類似導(dǎo)流板，風(fēng)攻角為+3°時，蓋板導(dǎo)流效果最為顯著;風(fēng)攻角為-3°時，導(dǎo)流效果最差，幾乎沒有發(fā)揮作用。

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