流線型鋼箱梁顫振性能氣動(dòng)優(yōu)化措施

趙文龍，邵國(guó)攀，劉珉巍，龔佳琛

(1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031；2. 西南交通大學(xué)風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川成都 610031)

為了更好地提高大跨度橋梁在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下的顫振性能，流線型鋼箱梁在現(xiàn)代大跨度懸索橋設(shè)計(jì)中被廣泛采用[1]，所以其顫振性能應(yīng)著重研究。對(duì)于不同的橋梁，合理的結(jié)構(gòu)體系及斷面形狀是保證橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性的重點(diǎn)，目前諸多流線型鋼箱梁的外形差別較小，其氣動(dòng)穩(wěn)定性卻可能存在較大差異，究其原因可歸結(jié)為諸如欄桿、檢修車(chē)軌道等氣動(dòng)敏感構(gòu)件的影響。

早在丹麥大貝爾特橋的氣動(dòng)模型風(fēng)洞試驗(yàn)中，Larsen[1]已詳細(xì)研究了梁體外形、欄桿、風(fēng)嘴等氣動(dòng)構(gòu)件對(duì)流線型箱梁顫振臨界風(fēng)速的影響。Miyata[2]綜述了大跨橋梁典型斷面的氣動(dòng)力研究成果，探討了不同主梁外形對(duì)顫振穩(wěn)定性的影響，進(jìn)一步肯定了流線型箱梁優(yōu)秀的顫振性能。Luca等[3]研究了橋面上欄桿等構(gòu)件對(duì)箱梁氣動(dòng)力的影響，得出欄桿的位置和透風(fēng)率對(duì)梁體顫振性能有很大影響的結(jié)論。Yang等[4]基于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際工程應(yīng)用，綜述了諸如中央穩(wěn)定板等提高大跨度橋梁顫振臨界風(fēng)速的氣動(dòng)措施。

本文以主跨1 666 m的某跨海大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，詳細(xì)地研究了欄桿、上中央穩(wěn)定板、檢修車(chē)軌道位置及高度對(duì)該大跨度橋梁顫振穩(wěn)定性的影響。如圖1所示為該橋流線型鋼箱梁橫斷面圖，梁高4 m，全橋?qū)?9.7 m。

圖1 某跨海大橋標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:m)

1 模型

1.1 模型設(shè)計(jì)

本次節(jié)段模型顫振試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-1工業(yè)風(fēng)洞第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，該試驗(yàn)段斷面尺寸為2.4 m(寬)×2.0 m(高)的矩形，最大來(lái)流風(fēng)速45 m/s，最小來(lái)流風(fēng)速為0.5 m/s。該試驗(yàn)段設(shè)有專(zhuān)門(mén)進(jìn)行橋梁節(jié)段模型動(dòng)力試驗(yàn)的裝置。動(dòng)力試驗(yàn)采用縮尺比為1∶50的節(jié)段模型，由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運(yùn)動(dòng)和繞模型軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。模型兩端裝上端板，以模擬風(fēng)洞試驗(yàn)中的二元流動(dòng)。試驗(yàn)支架置于洞壁外，以免干擾流場(chǎng)。該主梁節(jié)段模型主梁按幾何縮尺比嚴(yán)格模擬主梁的幾何外形，以確保氣動(dòng)外形和氣動(dòng)敏感構(gòu)件的相似性，采用優(yōu)質(zhì)木材制作，欄桿、檢修軌道、導(dǎo)流板等附屬設(shè)施按圖紙尺寸采用塑料板整體雕刻制作。風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示，典型的中央穩(wěn)定板和檢修車(chē)軌道及導(dǎo)流板如圖3、圖4所示。

圖2 節(jié)段模型懸掛系統(tǒng)

圖3 中央穩(wěn)定板

1.2 模型參數(shù)

根據(jù)對(duì)顫振機(jī)理[5]的認(rèn)識(shí)，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果的分析可知：成橋狀態(tài)可能的顫振形態(tài)由豎彎基頻和扭轉(zhuǎn)基頻控制。結(jié)果表明由正對(duì)稱振型控制,故選擇一階正對(duì)稱扭轉(zhuǎn)與一階正對(duì)稱豎彎振型組合進(jìn)行節(jié)段模型顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)。節(jié)段模型顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 節(jié)段模型顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)參數(shù)

圖4 檢修車(chē)軌道及導(dǎo)流板

2 箱梁附屬結(jié)構(gòu)的影響

2.1 防撞欄桿的影響

橋梁防撞護(hù)欄是設(shè)置在橋梁上的護(hù)欄，其主要為了避免失控車(chē)輛越出橋外，而且也美化了橋梁建筑?？梢杂行p免車(chē)輛往來(lái)穿梭時(shí)，因?yàn)橐馔獾淖矒粼斐傻钠渌?chē)輛、橋梁的損壞。還可以對(duì)發(fā)生事故的車(chē)輛自身也起到防護(hù)作用。但是同時(shí)欄桿的設(shè)置使得主梁氣動(dòng)外形鈍體化，因而欄桿對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響不容忽視。研究表明[6]：欄桿透風(fēng)率越大，顫振臨界風(fēng)速越高。本文試驗(yàn)了導(dǎo)流板欄桿和邊緣防撞欄桿在多種透風(fēng)率以及不同透風(fēng)率組合情況下對(duì)于顫振臨界風(fēng)速的影響，試驗(yàn)結(jié)果如表2。

表2 不同欄桿透風(fēng)率試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)試驗(yàn)與理論結(jié)合分析，當(dāng)導(dǎo)流板欄桿透風(fēng)率一致時(shí)，對(duì)比邊緣防撞欄桿透風(fēng)率45 %和70 %，0 °攻角下，結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速隨著透風(fēng)率的增大而增大；當(dāng)邊緣防撞欄桿透風(fēng)率一致時(shí)，對(duì)比導(dǎo)流板欄桿透風(fēng)率70 %、80 %、90 %，依然只有0 °攻角下結(jié)構(gòu)的顫振性能隨著透風(fēng)率的增加而有所改善；當(dāng)兩種欄桿透風(fēng)率都增大時(shí)，所有攻角下，結(jié)構(gòu)的顫振性能均有所提升。

2.2 上中央穩(wěn)定板的影響

上中央穩(wěn)定板的設(shè)置能有效提高結(jié)構(gòu)的顫振性能，且穩(wěn)定板高度與顫振臨界風(fēng)速間具有一定的正比關(guān)系。當(dāng)穩(wěn)定板高度合適時(shí)，設(shè)置穩(wěn)定板能夠有效地改善結(jié)構(gòu)的顫振性能[7]。本文試驗(yàn)了不同高度穩(wěn)定板下結(jié)構(gòu)的顫振性能，并對(duì)穩(wěn)定板的透風(fēng)形式進(jìn)行了探討，如表3所示。

表3 上中央穩(wěn)定板對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響

通過(guò)試驗(yàn)與理論結(jié)合分析，上中央穩(wěn)定板在不透風(fēng)時(shí)，顫振臨界風(fēng)速與上中央穩(wěn)定板高度成正比；在保證上中央穩(wěn)定板高度不變的情況下，對(duì)比上中央穩(wěn)定板的透風(fēng)形式，透風(fēng)會(huì)大大削弱結(jié)構(gòu)的顫振性能；同時(shí)，不設(shè)置中央穩(wěn)定板，將更大削弱結(jié)構(gòu)顫振性能。

2.3 檢修車(chē)軌道的影響

檢修車(chē)軌道一般安裝于底板邊緣，此區(qū)域?yàn)榱旱讱饬鞯姆蛛x點(diǎn)，所以改變檢修車(chē)軌道的位置，會(huì)改變氣流流過(guò)檢修車(chē)軌道時(shí)的分離規(guī)律[8]，從而影響結(jié)構(gòu)的顫振性能。在檢修車(chē)軌道的內(nèi)側(cè)或外側(cè)設(shè)置軌道導(dǎo)流板能夠削弱流動(dòng)分離[9]。本文試驗(yàn)了不同位置處(距底板邊緣1/8、1/10、1/14位置處)檢修車(chē)軌道以及不同導(dǎo)流板設(shè)置形式時(shí)結(jié)構(gòu)的顫振性能，結(jié)果如表4所示。圖5和圖6為對(duì)應(yīng)工況下的扭轉(zhuǎn)角位移RMS值隨風(fēng)速的變化曲線，圖7和圖8為典型顫振時(shí)程。

圖5 工況2風(fēng)速-扭轉(zhuǎn)位移RMS

通過(guò)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析可以得到，圖5和圖6為對(duì)應(yīng)工況下的扭轉(zhuǎn)角位移RMS值隨風(fēng)速的變化曲線，可以看出檢修車(chē)軌道位于據(jù)邊緣1/8位置，結(jié)構(gòu)的顫振性優(yōu)于檢修車(chē)軌道位于據(jù)邊緣1/10位置；通過(guò)表格數(shù)據(jù)可知，設(shè)置檢修車(chē)軌道導(dǎo)流板對(duì)結(jié)構(gòu)顫振性能的提升效果并不明顯。工況4(檢修車(chē)軌道距底板邊緣1/10位置，導(dǎo)流板布置為內(nèi)側(cè))在部分攻角條件下出現(xiàn)了較為明顯的軟顫振現(xiàn)象，即：扭轉(zhuǎn)角位移隨著風(fēng)速的提高而逐漸增大卻無(wú)發(fā)散趨勢(shì)。通過(guò)時(shí)程分析，檢修車(chē)軌道風(fēng)速79.8 m/s時(shí)扭轉(zhuǎn)角位移時(shí)程范圍在(-1°，+1°)之間，保持著等幅運(yùn)動(dòng)且不發(fā)散，表明檢修車(chē)軌道距地板邊緣1/10位置，對(duì)結(jié)構(gòu)的顫振性能大打折扣。

表4 不同參數(shù)與形式下檢修車(chē)軌道對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響

圖6 工況4風(fēng)速-扭轉(zhuǎn)位移RMS

圖7 工況2攻角0°85.6 m/s顫振發(fā)散時(shí)程

圖8 工況4攻角1°風(fēng)速79.8 m/s軟顫振時(shí)程

3 結(jié)論

本文通過(guò)深中通道伶仃洋大橋主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)0 °和+3 °攻角下顫振臨界風(fēng)速隨著欄桿透風(fēng)率的增加而提高。

(2)導(dǎo)流板欄桿在透風(fēng)率足夠高的情況下，繼續(xù)提高透風(fēng)率對(duì)顫振性能的影響較小。

(3)顫振臨界風(fēng)速隨著上中央穩(wěn)定板的高度增加而提高，而設(shè)置不同透風(fēng)形式的上中央穩(wěn)定板均會(huì)降低結(jié)構(gòu)顫振性能。

(4)當(dāng)檢修車(chē)軌道位于距邊緣1/8位置和1/14位置時(shí)，其顫振性能達(dá)到最優(yōu)。

(5)設(shè)置檢修車(chē)軌道導(dǎo)流板對(duì)結(jié)構(gòu)顫振性能的提升效果不明顯。