雙幅橋面橋梁主梁斷面的氣動選型

雙幅橋面橋梁主梁斷面的氣動選型

近年來，隨著橋梁直徑的增加，橋梁結(jié)構(gòu)逐漸減小、柔性化。出于對抗風問題的考慮,在橋梁結(jié)構(gòu)的設計階段,一般要求對橋梁主梁斷面進行氣動選型。氣動選型主要包括渦激共振特性、顫振穩(wěn)定性和抖振特性等方面,普遍采用的方法是通過模型風洞試驗或數(shù)值模擬,經(jīng)過方案比選,得到較佳的主梁斷面形式。當前橋梁主梁斷面的氣動選型研究主要是針對單幅主梁斷面進行的。然而,在國內(nèi)外大跨橋梁的設計及修建過程中,具有平行分離雙橋面的大跨橋梁不時出現(xiàn),如美國的PearlHarborMemorialBridge、FredHartmanBridge、我國建成的廣東平勝大橋和在建的青島海灣大橋紅島航道橋等,我們稱這種新穎主梁斷面形式的橋梁為雙幅橋面橋梁。雙幅橋面橋梁不同于以往單幅橋面橋梁的最大特點是是具有完全獨立分離的上下游兩幅橋面,兩主梁間不通過橫隔梁或橫隔板連接。雙幅橋面橋梁由于主梁距離較近,在氣流作用下,上游橋面與下游橋面之間存在一定的相互影響,兩分離主梁斷面的氣動性能不同于它們單獨存在時的氣動性能。因此,同常見的單幅橋面橋梁相比,雙幅橋面橋梁主梁斷面的氣動選型更為嚴格,必須同時保證上下游兩主梁斷面都具有良好的氣動性能。本文以正在建設中的青島海灣大橋紅島航道橋為工程背景,通過一系列的節(jié)段模型風洞試驗,從主梁斷面基本形狀和檢修車軌道的位置及高度兩個方面進行了主梁斷面的氣動選型?？紤]到上下游兩主梁斷面間的流場十分復雜,抖振特性的氣動比選具有很大的難度性,文中暫未涉及主梁斷面的抖振選型,僅進行了顫振選型和渦振選型。1主梁斷面試驗方案及結(jié)果正在修建的青島海灣大橋位于膠州灣內(nèi)灣,工程東起308國道,沿李村河于河口入海,入海后向西南方向跨過膠州灣,在黃島側(cè)大殷家一帶上岸,工程全線長約28.3km。青島海灣大橋紅島航道橋為三座通航孔橋中的一座。根據(jù)《青島海灣大橋水位氣象通航地震等資料》,參照《公路橋梁抗風設計規(guī)范(JTG/TD60-01—2004)》,青島海灣大橋地形地貌類別為A類,平均風剖面冪函數(shù)指數(shù)α為0.12,橋位10m高度處,10分鐘平均時距,100年重現(xiàn)期的風速為U10=39.6m/s,橋位風速較高。青島海灣大橋紅島航道橋由兩平行分離主梁構(gòu)成,在氣流作用下,上下游兩主梁斷面之間存在氣動干擾。因此,在該橋的設計階段,十分有必要進行主梁斷面的氣動選型,以保證上下游兩主梁斷面同時具有良好的氣動性能。數(shù)值計算作為一種重要的手段在主梁斷面的氣動選型研究方面取得了不少進展,但目前最重要且行之有效的研究手段,仍然是風洞模擬試驗。本文通過二元剛體節(jié)段模型風洞試驗,首先比選出較優(yōu)的青島海灣大橋紅島航道橋主梁斷面基本形狀,然后在基本主梁斷面形狀的基礎之上,確定較佳的檢修車軌道位置和高度。該節(jié)段模型風洞試驗在湖南大學風工程試驗研究中心HD-2邊界層風洞第一試驗段中進行,試驗流場為均勻流場,紊流度<0.5%。該風洞風速的調(diào)節(jié)和控制采用計算機終端集中控制的可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)。該試驗段截面尺寸為3.0m(寬)×2.5m(高)×17m(長),試驗風速范圍為0.5m/s～58m/s連續(xù)可調(diào)。2主梁截面的動力選擇2.1方案基本設計參數(shù)及顫振試驗結(jié)果青島海灣大橋紅島航道橋主梁斷面外形有三個備選方案,分別為獨塔斜拉橋無風嘴方案、獨塔斜拉橋有風嘴方案和鋼箱梁提籃拱橋方案。三方案均由兩平行分離的上下游兩幅橋面組成,如圖1所示。其中,獨塔斜拉橋無風嘴方案兩幅橋面間凈距為12.0m,橋跨布置為:60.0m+120.0m+120.0m+60.0m=360.0m,單幅橋面主梁采用全焊扁平流線形封閉鋼箱加勁梁,主梁寬為B=18.50m,梁高為H=3.20m;獨塔斜拉橋有風嘴方案兩幅橋面間凈距為7.50m,橋跨布置為:60.0m+120.0m+120.0m+60.0m=360.0m,單幅橋面主梁在無風嘴方案的基礎上增設了風嘴,主梁寬為B=23.0m,梁高為H=3.50m;鋼箱梁提籃拱橋方案中兩幅橋面間凈距為9.80m,橋跨布置為:80.0m+260.0m+80.0m=420.0m,單幅橋面主梁由兩封閉邊箱和縱橫梁組成的梁格構(gòu)成,單幅主梁寬為B=24.70m,梁高為H=3.20m。表1為各方案的基本設計參數(shù)。圖2為三方案的節(jié)段模型風洞試驗照片,其中斜拉橋無風嘴方案節(jié)段模型縮尺比為1:50,單幅模型的長寬高分別為150cm、37cm、6.4cm;斜拉橋有風嘴方案節(jié)段模型縮尺比為1:25,單幅模型的長寬高分別為220cm、92cm、14cm;拱橋方案節(jié)段模型縮尺比為1:50,單幅模型的長寬高分別為120cm、49.4cm、6.4cm。表2列出了三個比選方案的顫振臨界風速試驗結(jié)果,值得說明的是:表中所列模型顫振臨界風速均為上下游兩試驗模型振動時程都發(fā)散時對應的試驗風速值。在風洞試驗中我們觀察到:上下游兩模型的振動時程并不是同步發(fā)散,總是一試驗模型先起振,然后帶動另一試驗模型逐步發(fā)生振動,最終走向共同發(fā)散。從表2的實橋臨界風速可以看到,三個方案在各風攻角下的顫振臨界風速均遠遠高于各自的顫振檢驗風速,這表明三個比選方案都具有良好的顫振穩(wěn)定性。通過對比選方案的渦激振動觀測試驗發(fā)現(xiàn),比選方案都沒有發(fā)生明顯的扭轉(zhuǎn)渦激振動,故在圖3、圖4和圖5中僅分別給出了三個方案的豎向渦激振動試驗結(jié)果。其中斜拉橋無風嘴方案和拱橋方案上下游兩橋面的豎向阻尼比約為0.50%,斜拉橋有風嘴方案上下游兩橋面的豎向阻尼比約為0.35%。從圖中可以看到:斜拉橋無風嘴方案上下游兩橋面在-3°風攻角下發(fā)生了明顯的豎向渦激振動;拱橋方案上下游兩橋面在0°和+3°風攻角下均發(fā)生了較大幅度的豎向渦激振動;斜拉橋有風嘴方案在各個風攻角下都沒有發(fā)生明顯的豎向渦激振動。綜合以上渦顫振試驗結(jié)果,斜拉橋有風嘴方案的氣動性能最好,其主梁斷面可以作為青島海灣大橋紅島航道橋的基本主梁斷面。2.2修復車輛軌道的位置和高度2.2.1風攻角下的評價結(jié)果經(jīng)過方案比選,最終確定了斜拉橋有風嘴方案為青島海灣大橋紅島航道橋主梁斷面的基本形狀。注意到該基本主梁斷面僅帶欄桿而未包含檢修車軌道,而實際橋梁斷面設有檢修車軌道,故必須在該基本主梁斷面的基礎之上進一步確定較優(yōu)的檢修車軌道位置及檢修車軌道高度。首先,我們通過風洞試驗確定檢修車軌道位置。根據(jù)以往的風洞試驗經(jīng)驗,檢修車軌道的有無對主梁斷面的顫振臨界風速影響不大,而對主梁斷面的渦激振動特性有較大影響,我們首先進行了0°風攻角下,基本主梁斷面在不同位置處(距下底板邊緣D=0.8m,1.2m和1.6m)加高度H=45cm檢修車軌的渦振檢驗試驗。檢修車軌的設置見圖6。試驗結(jié)果見圖7:當檢修車軌距離下底板邊緣0.8m和1.2m時,上游橋面發(fā)生了明顯的豎向渦振現(xiàn)象。在1.6m的位置,上游橋面沒有發(fā)生渦振。下游橋面在三個位置處均沒有發(fā)生豎彎和扭轉(zhuǎn)渦振。隨著檢修車軌位置的內(nèi)移,上游橋面的渦振振幅由大變小,由小變無。由于在0°風攻角下,檢修車軌距離下底板邊緣0.8m和1.2m時,上游橋面發(fā)生了明顯的豎向渦振現(xiàn)象,我們繼續(xù)通過風洞試驗進行了+5°,+3°,-3°和-5°風攻角下,在距下底板邊緣1.6m的位置處加高度H=45cm高檢修車軌的渦振檢驗試驗。結(jié)果如圖8所示,試驗表明:上游橋面在-5°和-3°攻角下發(fā)生了強烈的豎向渦振現(xiàn)象,在+5°攻角下發(fā)生了較小幅度的豎向渦振,在+3°則沒有發(fā)生渦振現(xiàn)象。下游橋面的渦振現(xiàn)象和上游橋面相似,也是在-5°,-3°和+5°攻角下發(fā)生豎向渦振現(xiàn)象,只不過渦振振幅與上游橋面相比均有大幅度的減少。2.2.2-5和+5攻角阻尼比對摩擦學性能的影響由以上試驗可知,繼續(xù)內(nèi)移檢修車軌道可能抑制上下游橋面在-5°,-3°和+5°風攻角下發(fā)生的豎向渦激振動,但考慮到同一斷面上的兩條檢修車軌道過于靠近不利于橋梁檢修,我們希望通過調(diào)整檢修車軌道的高度來達到抑制渦振的目的。我們改變檢修車軌的高度,由原來的45cm變?yōu)?4cm,同樣在距下底板邊緣1.6m的位置進行了+5°,+3°,0°,-3°和-5°風攻角的渦振檢驗試驗。試驗結(jié)果如圖9所示:由試驗可知,上游橋面在-5°和+5°攻角下仍發(fā)生了豎向渦振現(xiàn)象,但其渦振振幅較檢修車軌高度為H=45cm時相比已經(jīng)有大幅度的減小。上游橋面在其他三個攻角下沒有發(fā)生渦振現(xiàn)象。下游橋面在以上五個攻角下均沒有發(fā)生渦振現(xiàn)象。雖然繼續(xù)降低檢修車軌的高度可能會進一步抑制上游橋面在-5°和+5°攻角下渦振振幅,但由于34cm已經(jīng)是檢修車軌高度的下限,我們嘗試保持檢修車軌高度和位置不變,增加上下游兩橋面的阻尼,針對-5°攻角,阻尼比由原來的0.35%提高到0.50%,針對+5°攻角阻尼比由原來的0.35%提高到0.40%進行渦振試驗。從圖9中可以看到,在略增大阻尼比以后兩個風攻角下的渦振均得到了有效地抑制。最后,我們針對在距基本主梁斷面下底板邊緣1.6m的位置加H=34cm高檢修車軌的方案進行了顫振穩(wěn)定性檢驗。試驗結(jié)果見表3所示,該方案在各風攻角下的實橋臨界風速均遠遠大于實橋顫振檢驗風速。在距基本主梁斷面下底板邊緣1.6m的位置加H=34cm高檢修車軌的方案具有足夠的顫振穩(wěn)定性,在0°,+3°和-3°風攻角下都沒有發(fā)生渦振,在+5°和-5°風攻角下雖發(fā)生了渦振,但在略增大阻尼比后得到了抑制,考慮到實際橋面的水平風攻角一般在-3°和+3°之間,因此發(fā)生大振幅渦振的可能性較小。綜合以上考慮,該方案既滿足顫振要求,又達到了抑渦效果,同時又實際可行,予以推薦。3主梁斷面選型結(jié)果本文以在建的青島海灣大橋紅島航道橋為工程背景,通過一系列的節(jié)段模型風洞試驗,