h型吊桿的馳振和渦激振動試驗(yàn)研究

h型吊桿的馳振和渦激振動試驗(yàn)研究

h-h截面是鐵路拱橋的大范圍，也是鐵路大帶的常用部件。已往研究表明,H型截面桿件屬空氣動力敏感結(jié)構(gòu),容易在常遇風(fēng)速下發(fā)生馳振和渦激振動,從而導(dǎo)致構(gòu)件疲勞破壞,危及橋梁結(jié)構(gòu)安全。因此,對于大跨度鐵路拱橋,采取有效、經(jīng)濟(jì)的制振措施具有重要意義。馳振是結(jié)構(gòu)在橫風(fēng)向發(fā)生的發(fā)散振動。其主要特征是,當(dāng)風(fēng)速達(dá)到結(jié)構(gòu)的馳振臨界風(fēng)速之后,振幅隨風(fēng)速增加而迅速增大。圖1所示的振動體系可利用Hartog判據(jù)來確定結(jié)構(gòu)的馳振臨界風(fēng)速和馳振性能。馳振臨界風(fēng)速可由下式求得。Vcr=-4mζyωyρD1s(1)Vcr=?4mζyωyρD1s(1)式中:m為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量;ζy為結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向振動的阻尼比;ωy為結(jié)構(gòu)振動的圓頻率;ρ為空氣的密度;D是結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面尺寸;s為馳振系數(shù),s=dCLdα+CD?CLs=dCLdα+CD?CL為升力系數(shù),CD為阻力系數(shù)。s≤0是初始馳振不穩(wěn)定的必要條件。通過靜力風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),可得出CL和CD,從而判斷任何角度值時(shí)的馳振系數(shù)大小,判定結(jié)構(gòu)的馳振穩(wěn)定性。渦激振動是由鈍體尾流中旋渦的交替脫落而引起的,具有強(qiáng)迫振動和自激振動雙重性質(zhì)的限幅振動。對于流經(jīng)任何截面氣流的旋渦脫落頻率有下列關(guān)系式St=fvDV(2)St=fvDV(2)式中:St為斯脫羅哈數(shù);V是風(fēng)速;fv是渦脫頻率。對于給定的鈍體截面,其斯脫羅哈數(shù)是一定的。具有較大長細(xì)比的H型吊桿在一定頻率fv的氣動力驅(qū)動下,一般只引起結(jié)構(gòu)很小的響應(yīng),但在一定風(fēng)速范圍內(nèi),旋渦脫落頻率fv接近柱體橫流向的固有頻率,將引起物體較大振幅的運(yùn)動,從而發(fā)生渦激共振。當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)增大,旋渦脫落頻率將遠(yuǎn)離固有頻率,結(jié)構(gòu)響應(yīng)又變得很小。已往研究表明,渦激振動的振幅一般不超過0.5D。抑制結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動的工程措施可分為空氣動力措施和機(jī)械措施?？諝鈩恿Υ胧┦峭ㄟ^改變原結(jié)構(gòu)的外形來改善物體繞流,從而達(dá)到抑制風(fēng)致振動的目的?？諝鈩恿Υ胧┠軌蛳?lì)源,具有工作可靠、不需維護(hù)、費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。機(jī)械措施主要通過外加阻尼器來提高結(jié)構(gòu)阻尼,從而達(dá)到降低和抑制風(fēng)致振動的目的。我國九江長江大橋通過在吊桿上安裝TMD,有效地抑制了嚴(yán)重的風(fēng)致振動。與空氣動力措施相比,機(jī)械措施的缺點(diǎn)是需要維護(hù)和增加額外工程費(fèi)用。為了避免發(fā)生類似九江長江大橋吊桿發(fā)生的風(fēng)致振動,萬州長江大橋設(shè)計(jì)者決定采用空氣動力措施改善吊桿的風(fēng)致振動性能。本文介紹針對該橋吊桿進(jìn)行的風(fēng)洞模型試驗(yàn)和理論分析。1靜力試驗(yàn)測試本實(shí)驗(yàn)通過吊桿節(jié)段模型的靜力試驗(yàn)和動力試驗(yàn),研究吊桿的風(fēng)致振動性能,模型的縮尺比為1∶20,模型長2.0m,模型分三類:(1)模型A—模型F在腹板上開孔,并改變吊桿的腹板開孔大小和形狀,見圖2;(2)模型G—模型L改變吊桿的橫截面形式,見圖3;(3)模型M—模型P在翼板上開孔,并改變開孔的大小,見圖4。動力實(shí)驗(yàn)中,為保持結(jié)構(gòu)的振動性能在轉(zhuǎn)變風(fēng)向時(shí)始終保持一致,采用交叉滑移彈簧懸掛系統(tǒng)模擬結(jié)構(gòu)的剛度。利用CRAS進(jìn)行數(shù)據(jù)的測試和處理,采用兩個(gè)位移傳感器分別測試結(jié)構(gòu)順橋向和橫橋向的位移響應(yīng)。從而確定結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)響應(yīng)。經(jīng)過測試,模型系統(tǒng)的順橋向(β=90°)和橫橋向(β=0°)扭轉(zhuǎn)頻率分別為3.25,2.75,4.75Hz,相應(yīng)的阻尼比為0.25%,0.35%,0.79%。利用測力天平系統(tǒng),在風(fēng)向角β(來流相對于模型的偏角)從0°到360°范圍變化內(nèi)對節(jié)段靜力模型進(jìn)行靜力試驗(yàn)。測力天平系統(tǒng)的設(shè)計(jì)荷載為阻力FD=500N,側(cè)向力FL=1200N,俯仰力矩M=120N·m,如圖5所示。數(shù)據(jù)采集由美國PSI公司生產(chǎn)的780B數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。將測到的阻力和橫向力按下述公式計(jì)算出阻力系數(shù)CD和橫向力系數(shù)CL。CD(β)=FD(β)/(12ρV2ΗL)(3)CL(β)=FL(β)/(12ρV2ΗL)(4)式中:H為吊桿截面高度,L為長度,V為風(fēng)速。圖6為放在風(fēng)洞中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?腹板開孔對風(fēng)致振動的影響為了考察腹板開孔形狀及大小對風(fēng)致振動的影響,選擇A—F共6種腹板不同開孔方式的模型,進(jìn)行風(fēng)致振動的動力實(shí)驗(yàn)。圖7給出了橫橋向來流和順橋向來流時(shí)得到的吊桿模型風(fēng)致振動的最大振幅與風(fēng)速關(guān)系曲線。從圖中可以看出,當(dāng)橫橋向來流時(shí),腹板不開孔時(shí)表現(xiàn)為發(fā)散振動——馳振。腹板開圓形孔能有效地制止這個(gè)方向的馳振,但渦激振動的振幅還是較大,開孔大小對渦激振動的振幅有一定的影響,開孔越大,振幅越小;方形開孔在所有的開孔中的風(fēng)致振動振幅最小,因此,方形開孔是抑制橫橋向來流渦激振動和馳振的有效形式。當(dāng)來流為順橋向時(shí),所有只在腹板開孔的試驗(yàn)?zāi)Ｐ投荚陲L(fēng)速不高時(shí)表現(xiàn)為發(fā)散振動——馳振,模型的臨界馳振風(fēng)速為3~5m·s-1。3纖維重模型改進(jìn)選定腹板開方形孔的模型F做進(jìn)一步的研究。雖然該方案在橫橋向來流時(shí)渦激振動振幅最小,也沒有出現(xiàn)馳振,但在順橋向來流時(shí)會出現(xiàn)馳振。為了找出發(fā)生馳振的最不利風(fēng)向角,首先測試模型F在0°~180°來流范圍內(nèi)的阻力和橫向力系數(shù),并算出各個(gè)風(fēng)向角的馳振系數(shù)s(圖8)。風(fēng)向角β為90°左右時(shí)馳振系數(shù)最小,且為負(fù)值,表明該風(fēng)向下吊桿將發(fā)生馳振。為了提高吊桿在這個(gè)方向的馳振臨界風(fēng)速,甚至避免馳振的發(fā)生,在腹板開方形孔的基礎(chǔ)上,從兩個(gè)方面對模型F進(jìn)行改進(jìn),即改變吊桿的截面形式和翼板的開孔上對模型做探索。模型G到模型L改進(jìn)了翼板的截面形狀(加風(fēng)嘴和其他的氣動措施,見圖3),模型M到模型P是在翼板上開孔。通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),首先得到了它們在90°風(fēng)向角左右的阻力、橫向力系數(shù),進(jìn)而得到馳振系數(shù)。圖9給出了改變吊桿的截面形式的模型F,模型G至模型L的馳振系數(shù)曲線和在吊桿的翼板上開孔的模型F,模型M至模型P的馳振系數(shù)曲線。由圖9可見,模型G,K,L都明顯地提高了在90°風(fēng)向角附近范圍內(nèi)的馳振系數(shù),特別是在翼板兩側(cè)加一風(fēng)嘴的模型L,由于風(fēng)嘴起到了良好的導(dǎo)流作用,使馳振系數(shù)由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值,但在其他角度還有部分負(fù)值。在翼板上開孔對氣動性能的改變更為明顯,與開孔寬度有密切的關(guān)系,開孔寬度越大,馳振系數(shù)越大。開孔寬度為40mm的模型O和開孔寬度為50mm的模型P的效果已經(jīng)比較明顯,模型P,在這個(gè)范圍內(nèi),馳振系數(shù)大部分都為正值整體效果較好。對于在90°風(fēng)向角較好的模型L,O,P,圖10繪出了改進(jìn)模型在180°范圍內(nèi)的馳振系數(shù)曲線,并與模型F進(jìn)行對比。改進(jìn)的模型既提高了90°附近的馳振系數(shù),又保持了模型F的馳振性能在其他風(fēng)向角原有的優(yōu)點(diǎn),特別是模型L和模型P。4彈簧懸掛模型根據(jù)靜力實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,從中挑出馳振系數(shù)較大的加風(fēng)嘴的模型L和翼板開孔的模型O和P,在0°~90°風(fēng)向角范圍內(nèi),每隔22.5°(其中模型P角度間隔為11.25°),在風(fēng)洞中做不同風(fēng)速下的彈簧懸掛模型振動試驗(yàn)。圖11給出了3組吊桿的最大振幅與風(fēng)速的關(guān)系曲線。由圖11可見:模型O在90°風(fēng)向角,14m·s-1的來流作用下,發(fā)生了馳振現(xiàn)象,與模型F相比,馳振臨界風(fēng)速提高很多,如果換算到實(shí)際橋梁中,馳振風(fēng)速已經(jīng)很高了(大約30m·s-1,與實(shí)際結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼、截面大小有關(guān)系);模型L和模型P都沒有觀察到馳振,但模型P的渦激振動的振幅要比模型L小的多,它的最大振動振幅出現(xiàn)在風(fēng)向角為34°時(shí),這是它的最不利風(fēng)向角。實(shí)驗(yàn)中沒有觀測到明顯的扭轉(zhuǎn)渦振。5順橋向流的馳振1)對H型截面馳振系數(shù)進(jìn)行的分析及動力模型風(fēng)洞試驗(yàn)表明,H型吊桿的風(fēng)致振動主要表現(xiàn)為馳振。2)對H型吊桿的腹板開孔,當(dāng)來流為橫橋向時(shí),可以有效地防止過大的渦激振動和馳振,開孔越大,效果越好,方形孔比圓形孔要好;當(dāng)來流為順橋向,風(fēng)速不大時(shí),會發(fā)生馳振。3)在翼板上加風(fēng)嘴或者在翼板上開孔都能起到提高吊桿順橋向來流的馳振臨界風(fēng)速。在翼板上加風(fēng)嘴的模型在實(shí)驗(yàn)中沒有發(fā)現(xiàn)馳振,但橫橋向來流時(shí)的渦激振動比沒有風(fēng)嘴時(shí)大的多。在翼板上開孔的大小直接