鋼箱梁懸索橋中央開槽斷面顫振穩(wěn)定性能研究

鋼箱梁懸索橋中央開槽斷面顫振穩(wěn)定性能研究

0中央開槽箱梁斷面隨著大型橋梁跨徑的增加，橋梁結構逐漸減小、柔性化，橋梁的風致相振動，尤其是對橋梁振動的研究。當大跨度橋梁結構受內在氣動性能的限制,原有結構無法達到顫振穩(wěn)定性要求時就必須采取有效措施進行顫振控制。箱梁斷面中央開槽正是這樣一種能夠有效提高結構顫振穩(wěn)定性能的控制措施,雖然目前已經(jīng)建成的大跨度懸索橋中尚無應用中央開槽箱梁斷面的先例,但在建和擬建的中國西堠門大橋、青島海灣大橋大沽河航道橋和意大利墨西拿海峽橋等都采用了中央開槽箱梁的加勁梁斷面形式。作為一種特殊的斷面形式,中央開槽箱梁斷面的顫振穩(wěn)定性能還處于探索階段。已有學者對中央開槽氣動控制進行了研究。研究成果表明:并不是對任何斷面形式的加勁梁進行中央開槽都能提高顫振臨界風速,但是對扁平閉口箱梁斷面進行中央開槽氣動控制一般能提高橋梁的顫振穩(wěn)定性能;中央開槽氣動控制措施對顫振穩(wěn)定性能的提升效果同開槽寬度緊密相關。Larsen等認為槽寬越大顫振性能越好;也有研究證明并非槽寬越大氣動性能越好,而是存在一個最優(yōu)槽寬的概念。不過以上研究主要針對簡化后的箱梁斷面進行,實際的懸索橋加勁梁成橋狀態(tài)斷面設置有橋面欄桿、梁底檢查車軌道及其他附屬設施,其氣動外形相對簡化斷面有較大變化;因此針對實際橋梁結構,中央開槽箱梁斷面的研究亟需開展。筆者以建成后將成為世界最大跨徑的鋼箱梁懸索橋——西堠門大橋為背景,通過風洞試驗、CFD數(shù)值模擬和理論計算對大跨度懸索橋中央開槽箱梁成橋狀態(tài)斷面的顫振穩(wěn)定性能進行研究,以求從氣動外形變化的角度對中央開槽箱梁斷面顫振穩(wěn)定性能的規(guī)律性進行探索和總結。1開槽寬度及顫振穩(wěn)定性分析西堠門大橋是兩跨連續(xù)鋼箱梁懸索橋,其總體跨徑布置為578m(邊跨)+1650m(中跨)+485m(邊跨)=2713m。作為目前世界上跨徑最大的2座鋼箱梁懸索橋,主跨1624m的丹麥大海帶橋和主跨1490m的中國潤揚長江公路大橋的顫振臨界風速分別為62m·s-1和63m·s-1。基于上述2座大橋的抗風研究經(jīng)驗,對于那些使用流線型鋼箱梁的典型懸索橋,1650m的跨度幾乎已經(jīng)達到空氣動力的極限,而西堠門大橋的氣動穩(wěn)定要求更為嚴格,顫振檢驗風速達到78.74m·s-1,所以,在該橋初步設計階段就針對中央開槽鋼箱梁加勁梁斷面進行了專題研究。基于現(xiàn)有的大跨度橋梁中央開槽顫振控制研究成果,針對西堠門大橋擬采用的中央開槽鋼箱梁斷面,用數(shù)值計算方法對開槽寬度進行了優(yōu)化分析。為此選取了3種開槽寬度,即5.0、6.0、6.5m,對應的槽寬比分別為18.5%、22.2%和24.1%。針對3種開槽寬度的加勁梁,采用基于計算流體動力學方法的FEM2D軟件,進行了斷面流場(等壓線和等速線)模擬顯示。3種開槽寬度加勁梁的等壓線和等速線顯示圖表明,三者之間的氣流流場沒有本質的差別,因此可以作為同一類型開槽斷面進行顫振穩(wěn)定性比較。圖1為箱梁斷面開槽寬度6.0m方案的數(shù)值計算結果,其中等壓線和等速線分別顯示的是相對于來流壓力和速度的比值。針對3種開槽寬度的加勁梁斷面,分別采用FEM2D軟件進行了氣動導數(shù)的識別,并采用二維橋梁顫振分析軟件2d-3DOF進行了顫振穩(wěn)定性分析,顫振臨界風速計算結果見表1。在3種開槽寬度的比較中,槽寬6.0m方案的顫振穩(wěn)定性能最好,并且相對于其他2種槽寬的開槽斷面,其顫振臨界風速提高近30%,因此選擇槽寬6.0m的中央開槽鋼箱梁斷面方案作為開槽形式加勁梁斷面的初步設計推薦方案。這也表明對于中央開槽箱梁斷面而言確實存在最優(yōu)槽寬,此時結構顫振穩(wěn)定性能將得到最大提高。在確定了優(yōu)化的開槽雙箱梁斷面形式后,通過節(jié)段模型風洞試驗對推薦方案的顫振穩(wěn)定性能進行了檢驗。除了槽寬6.0m的中央開槽鋼箱梁斷面外,還同時對單箱梁方案進行了對比測試,所有節(jié)段模型斷面外形如圖2所示。對以上各種加勁梁斷面的節(jié)段模型進行了縮尺比為1∶80的節(jié)段模型風洞試驗,試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-1邊界層風洞中進行。顫振臨界風速測試結果見表2。從試驗結果可以看到,中央開槽鋼箱梁結構的顫振穩(wěn)定性能遠優(yōu)于傳統(tǒng)單箱梁斷面,單箱梁斷面只有在設置了高達2m以上的中央穩(wěn)定板后才能使顫振穩(wěn)定性能接近中央開槽鋼箱梁。由此在進一步的設計中均采用槽寬6.0m的開槽鋼箱梁作為基本設計斷面方案。2氣動明確影響顫振穩(wěn)定性的因素中央開槽箱梁斷面的顫振穩(wěn)定性能除了同開槽寬度密切相關外,箱梁外側和內側(靠近中央開槽處)的氣動外形改變也會對結構的顫振穩(wěn)定性能產(chǎn)生一定的影響。2.1顫振臨界風速西堠門大橋技術設計階段針對初步設計階段推薦的中央開槽鋼箱梁斷面在保持開槽寬度不變的基礎上進行了一處調整,即在2個鋼箱梁的內側做了45°的切角(圖3),顯然這種氣動外形的改變將對開槽處氣流的流場產(chǎn)生一定的影響。針對技術設計階段的加勁梁斷面進行了節(jié)段模型風洞試驗,其結構顫振臨界風速測試結果見表3。顫振試驗結果表明,采用鋼箱梁內側45°切角開槽箱梁斷面的技術設計階段方案時,得到的顫振臨界風速比原初步設計方案有所減小,當然這不僅僅是由于斷面氣動外形變化而引起的,因為結構的質量、頻率等動力特性參數(shù)都發(fā)生了一些改變。為了考察氣動外形對結構顫振穩(wěn)定性能的影響,可以參考Selberg公式進行粗略的估計,見式(1)ηae=ηvηfη0ηmηIm√4(1)ηae=ηvηfη0ηmηΙm4(1)式中:ηae為加勁梁斷面氣動外形變化對結構顫振臨界風速的影響系數(shù);ηv為顫振臨界風速變化系數(shù);ηf為結構扭轉頻率變化系數(shù);ηm為結構質量變化系數(shù);ηIm為結構質量慣性矩變化系數(shù);η0為其他結構參數(shù)變化系數(shù)(包括梁寬度和扭轉頻率比)。對照西堠門大橋初步設計階段和技術設計階段的結構動力特性參數(shù)和顫振臨界風速結果,可以根據(jù)式(1)評估鋼箱梁內側切角這種由于氣動外形改變產(chǎn)生的對結構顫振穩(wěn)定性能的影響,此時ηae=0.976(2)式(2)的計算結果說明,由于采用鋼箱梁內側45°切角使得結構顫振臨界風速下降了大約2.4%,雖然下降幅度并不大,但是這種影響趨勢是值得關注的。2.2顫振臨界風速對西堠門大橋施工圖設計階段的加勁梁斷面再次進行了調整,將加勁梁寬度從35m增加至36m(圖4),增寬的部位是在箱梁外側的吊索錨固區(qū)。斷面寬度的變化將從2個方面影響結構的顫振穩(wěn)定性能:(1)斷面寬度變化使結構動力特性,特別是結構扭轉頻率和質量慣性矩產(chǎn)生較大的變化,從而影響結構的顫振穩(wěn)定性能。(2)加勁梁斷面寬度的增加雖然對氣動外形并無直接影響,但由于槽寬并沒有發(fā)生改變使得斷面的相對槽寬比降低,即此時開槽斷面的最優(yōu)槽寬很可能已經(jīng)不是6.0m了。由于中央開槽斷面的顫振臨界風速受槽寬的影響比較顯著,所以這也將直接影響結構的顫振穩(wěn)定性能。針對施工圖設計階段加勁梁方案,進行節(jié)段模型顫振試驗,測試得到的顫振臨界風速結果見表4,可以看到此時結構顫振臨界風速已經(jīng)略低于顫振檢驗風速。對照西堠門大橋施工圖設計階段和技術設計階段的結構動力特性參數(shù)和顫振臨界風速結果,可以根據(jù)式(1)評估加勁梁斷面增寬1m造成的相對槽寬比改變對結構顫振穩(wěn)定性能的影響,此時ηae=0.953(3)從計算結果可以看到,由于加勁梁斷面增寬1m而使得相對槽寬減小,從而偏離開槽斷面最優(yōu)槽寬,這種實質上的氣動外形改變對結構顫振穩(wěn)定性能產(chǎn)生了一定影響,影響系數(shù)達到了-5%。這也從反面證明了對于中央開槽斷面確定最優(yōu)開槽寬度的重要性。顫振試驗結果表明,成橋狀態(tài)的橋梁結構在風攻角為-3°時的顫振臨界風速略低于橋址處的顫振檢驗風速,因此需要考慮采用適當?shù)念澱窨刂拼胧﹣硖岣邩蛄旱念澱衽R界風速。根據(jù)已有的經(jīng)驗,通過調整檢修軌道的位置來改變箱梁外側的氣動外形,特別是在鋼箱梁外側和下側調整檢修軌道的位置,可能成為一種有效提高顫振穩(wěn)定性能的措施;因此以改變檢修軌道位置為手段進行了一組顫振控制試驗。顫振臨界風速試驗各工況時檢修軌道的位置見圖5。工況1~6的顫振臨界風速測試結果分別為76.2、77.1、77.3、79.0、76.9、76.6m·s-1。顫振控制試驗研究表明:檢修軌道在底面上的位置改變對結構顫振臨界風速的影響很小;而在斜腹板上的位置改變則對結構顫振穩(wěn)定性能有一定的影響,表現(xiàn)為越靠近斜腹板的下緣,顫振臨界風速越高。當檢修軌道設置于斜腹板下緣時,顫振臨界風速達到79.0m·s-1,相比設置于初始斷面時提高了3.6%,達到了橋址處顫振檢驗風速的要求。2.3主體結構顫振穩(wěn)定性能綜合試驗結果由于施工圖設計階段方案的結構顫振穩(wěn)定性能不甚理想,對西堠門大橋加勁梁斷面形式再度進行了微調,去掉了位于斷面中央開槽邊緣的2根水管(圖6);同時在保留斜腹板下緣檢修軌道的前提下通過改變檢修軌道離開腹板的距離來考察這種箱梁外側外形變化對結構顫振穩(wěn)定性能的影響,即在這一階段中央開槽箱梁內外側的氣動外形都發(fā)生了變化。針對施工圖設計階段改進加勁梁方案進行的節(jié)段模型顫振試驗測試的顫振臨界風速結果見表5,表5中在施工圖改進斷面,其檢修軌道中心離開斜腹板的距離為28cm。對照西堠門大橋施工圖設計階段初始方案和改進方案的結構動力特性參數(shù)和顫振臨界風速結果,根據(jù)式(1)評估加勁梁斷面去除中央開槽處水管及調整檢修軌道位置所帶來的氣動外形改變對結構顫振穩(wěn)定性能的影響,此時ηae=1.107(4)從計算結果可以看到,由于去除水管和調整檢修軌道位置帶來的箱梁內外側氣動外形改變使得結構顫振穩(wěn)定性能提高了10.7%。對比第2.2節(jié)中針對施工圖設計初始斷面的顫振控制試驗結果,去除中央開槽邊緣水管帶來的有利影響是顯而易見的。在此基礎上,為了考察檢修軌道離開斜腹板的距離對結構顫振穩(wěn)定性能的影響,筆者進行了一系列的節(jié)段模型風洞試驗。對應各種檢修軌道離開斜腹板距離的中央開槽箱梁斷面顫振臨界風速測試結果見表6。根據(jù)表6的測試結果可知,隨著斜腹板下緣檢修軌道離開斜腹板距離的增大,結構顫振穩(wěn)定性能是波動的,但當此距離達到一定數(shù)值(大于56.0cm)以后,結構顫振穩(wěn)定性能下降相當明顯?？偟貋碚f,當檢修軌道出現(xiàn)在鋼箱梁斜腹板下緣時,對結構顫振穩(wěn)定性能是有利的,而顫振穩(wěn)定性能的提高受檢修軌道離開斜腹板距離的影響較顯著,即存在一個最優(yōu)距離;當檢修軌道遠離斜腹板并達到一定限度后,其對結構顫振穩(wěn)定性能的提升效果逐漸消失。3中央開槽箱梁內顫振穩(wěn)定性的影響(1)中央開槽箱梁斷面的顫振穩(wěn)定性能同開槽寬度有密切關系,并且存在一個最優(yōu)槽寬,當開槽寬度偏離最優(yōu)槽寬時,中央開