大跨度懸索橋主梁渦激振動(dòng)影響因素研究

大跨度懸索橋主梁渦激振動(dòng)影響因素研究

大口徑懸索橋的橋的質(zhì)量輕，衰減小。當(dāng)氣流通過(guò)主梁段時(shí)，周期性交替下降的漩渦會(huì)導(dǎo)致橋結(jié)構(gòu)的漩渦振動(dòng)（軸振蕩器）。軸振蕩器沒(méi)有受到很強(qiáng)的破壞，但風(fēng)速很低。長(zhǎng)期以來(lái)，頻繁的振動(dòng)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不良和對(duì)交通的嚴(yán)重影響。日本東部京灣路橋、巴西rio-nit橋、丹麥大冶北橋和英國(guó)cosattel橋發(fā)生了明顯的主梁漩渦共振。目前,抑制渦激振動(dòng)的措施可以分為構(gòu)造措施和氣動(dòng)措施.構(gòu)造措施一般包括增大結(jié)構(gòu)剛性、增加結(jié)構(gòu)質(zhì)量或阻尼(TMD)等.氣動(dòng)措施能從本質(zhì)上減小渦激的作用,一般包括在主梁斷面上設(shè)置風(fēng)嘴、導(dǎo)流板、抑流板等.鮮榮、孟小亮等研究了改變檢查車(chē)軌道位置對(duì)主梁渦激振動(dòng)性能的影響;Larsen、廖海黎等研究了設(shè)置導(dǎo)流板對(duì)主梁渦激振動(dòng)性能的影響.由于不同主梁的斷面形狀差異較大,氣動(dòng)措施因橋而異,在一座橋上抑振效果顯著的抑振措施對(duì)另一座橋梁可能并不有效,需要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究相應(yīng)的氣動(dòng)抑振措施.Larose和Larsen等發(fā)現(xiàn),同樣的導(dǎo)流板,在不同雷諾數(shù)下進(jìn)行渦激振動(dòng)試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)現(xiàn)象大不相同.另外,常規(guī)尺度(1∶50~1∶100)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)雷諾數(shù)較低,雷諾數(shù)效應(yīng)和主梁細(xì)節(jié)模擬不精細(xì),往往導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際情況出入較大,從而導(dǎo)致對(duì)實(shí)橋抗風(fēng)性能的誤判.采用大尺度主梁節(jié)段模型(通常為1∶15~1∶20)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),可以更精確地模擬主梁細(xì)節(jié),試驗(yàn)時(shí)風(fēng)速比約為1,其雷諾數(shù)與實(shí)橋的差別僅是由縮尺比引起的,較常規(guī)尺度節(jié)段模型提高了20~30倍,試驗(yàn)結(jié)果更接近實(shí)際.本文以某大跨度懸索橋鋼箱梁1∶20大尺度節(jié)段模型為例,在西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞中進(jìn)行渦激振動(dòng)試驗(yàn),在低阻尼下研究了風(fēng)攻角、檢修軌道、導(dǎo)流板對(duì)渦激振動(dòng)性能的影響,研究了多種方案的抑振措施,并基于試驗(yàn)現(xiàn)象討論了渦激振動(dòng)發(fā)生的機(jī)理.研究表明,在檢修軌道內(nèi)側(cè)設(shè)置單導(dǎo)流板能大大改善主梁的渦激振動(dòng)性能.1節(jié)段模型試驗(yàn)?zāi)炒罂缍入p塔單跨懸索橋跨徑為409m+1418m+364m.節(jié)段模型試驗(yàn)采用的縮尺比為1∶20.為使抑振措施安全可靠,同時(shí)使渦激振動(dòng)現(xiàn)象更明顯,便于優(yōu)化抑振措施,試驗(yàn)采用了較低的阻尼比.圖1為主梁斷面,圖2為風(fēng)洞中的節(jié)段模型,表1為節(jié)段模型的主要試驗(yàn)參數(shù).2風(fēng)攻角的影響節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖3.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),成橋狀態(tài)、風(fēng)攻角為-5°~+4°時(shí)均沒(méi)有產(chǎn)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象,+5°時(shí)發(fā)現(xiàn)了2次明顯的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng);施工狀態(tài)未發(fā)生明顯的渦激振動(dòng).試驗(yàn)結(jié)果表明,渦激振動(dòng)的鎖定風(fēng)速較低,振幅最大的豎向及扭轉(zhuǎn)渦振鎖定風(fēng)速分別為4.5和8.0m/s,低風(fēng)速下來(lái)流為大攻角的可能性較大.鑒于此,還研究了來(lái)流風(fēng)攻角為+6°的情況.Larsen等借鑒飛機(jī)機(jī)翼研究理論對(duì)流線型橋梁斷面進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)當(dāng)箱梁斜腹板的傾斜角度大于16°時(shí),由于氣流在箱梁尾部產(chǎn)生交替脫落的旋渦,容易激發(fā)渦激振動(dòng).當(dāng)傾斜角度小于16°時(shí),氣流經(jīng)過(guò)主梁后仍附著在斜腹板上,從而抑制了旋渦的產(chǎn)生.本文研究對(duì)象的斜腹板傾角為15°,當(dāng)風(fēng)攻角為0°時(shí),成橋及施工狀態(tài)下主梁均未產(chǎn)生渦激振動(dòng),結(jié)果與Larsen的研究結(jié)論吻合.當(dāng)風(fēng)攻角為+5°時(shí),成橋狀態(tài)下主梁產(chǎn)生了明顯的豎向及扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng),而施工狀態(tài)下未產(chǎn)生任何振動(dòng).這表明,由于橋面上的欄桿或箱梁底部的檢修軌道使原本附著在梁體表面的氣流產(chǎn)生了分離,形成旋渦并在尾部周期性脫落,從而導(dǎo)致主梁的渦激振動(dòng).鑒于此,設(shè)計(jì)了幾種極限方案(圖4)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),并與成橋及施工狀態(tài)的結(jié)果進(jìn)行比較,試圖尋找引起渦激振動(dòng)的原因.從圖3的試驗(yàn)結(jié)果可知,去掉人行道欄桿會(huì)使豎向振幅明顯減小,而對(duì)扭轉(zhuǎn)振幅影響不大;去掉檢修軌道會(huì)使豎向及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)消失;去掉檢修軌道和人行道欄桿(施工狀態(tài)),也會(huì)使渦激振動(dòng)完全消失.由此可知,引起主梁渦激振動(dòng)的主要原因是位于底板的檢修軌道.因此,渦振抑振措施主要針對(duì)檢修軌道進(jìn)行研究.3抗抑振劑3.1檢修軌道和風(fēng)攻角對(duì)渦流振幅的影響由于引起該橋渦激振動(dòng)的主要原因是檢修軌道,希望通過(guò)改變檢修軌道在底板的位置能使渦激振動(dòng)響應(yīng)消失或使其減弱,具體措施見(jiàn)表2.從圖5可知(方案后括號(hào)內(nèi)的數(shù)字為風(fēng)攻角,下同):當(dāng)風(fēng)攻角為+6°、檢修軌道位于2.4m處時(shí),主梁豎向和扭轉(zhuǎn)均產(chǎn)生了明顯的渦激振動(dòng),改變檢修軌道距底板的高度對(duì)渦振振幅的影響很小;檢修軌道位于3.2m處時(shí),豎向渦振不明顯,扭轉(zhuǎn)渦振振幅依然較大;檢修軌道位于4.0m處、風(fēng)攻角為+5°時(shí)產(chǎn)生了明顯的渦激振動(dòng),但豎向振幅減小,扭轉(zhuǎn)振幅仍然較大;檢修軌道位于4.8m處、風(fēng)攻角為+5°和+6°時(shí),主梁均未產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng).對(duì)此方案的其他風(fēng)攻角進(jìn)行檢驗(yàn),-5°~+6°均未產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng)現(xiàn)象.由此可知,檢修軌道向主梁中部移動(dòng)有利于抑制渦激振動(dòng).但方案5的檢修軌道過(guò)于靠近底板中部,致使檢修車(chē)兩側(cè)懸臂過(guò)長(zhǎng),對(duì)檢修車(chē)的穩(wěn)定性和檢修維護(hù)的安全性有影響,因此方案5不能作為該橋梁的抑振措施.3.2兩組主梁的高壓軌道布置為了減小檢修軌道對(duì)氣流的影響,將其布置在主梁斜腹板,期望氣流經(jīng)過(guò)主梁時(shí)不會(huì)在尾部形成周期性脫落的旋渦,具體方案見(jiàn)表2.從圖6可見(jiàn),將檢修軌道布置在主梁斜腹板上時(shí),對(duì)主梁渦激振動(dòng)的影響很小.氣流經(jīng)過(guò)底板尾部時(shí),受檢修軌道的影響,氣流仍然會(huì)在此處分離,產(chǎn)生渦脫.因此,該方案不能抑制主梁的渦激振動(dòng).3.3導(dǎo)流板位置的影響主跨為1088m的大跨度斜拉橋———蘇通大橋采用的抑振措施是在檢修軌道兩側(cè)設(shè)置導(dǎo)流板.借鑒該抑振措施,設(shè)計(jì)了幾種方案:在檢修軌道兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置寬度為0.5m的窄導(dǎo)流板,導(dǎo)流板與底板的夾角β=39°,而檢修軌道和導(dǎo)流板在底板的位置不同(表2).從圖7可見(jiàn),在檢修軌道兩側(cè)布置導(dǎo)流板對(duì)主梁渦激振動(dòng)影響很大.當(dāng)風(fēng)攻角為+5°、采用方案10時(shí)主梁的豎向振幅明顯減小,對(duì)扭轉(zhuǎn)影響較小;采用方案11時(shí)主梁的豎向振幅幾乎消失,扭轉(zhuǎn)振幅大大減小;采用方案12時(shí)主梁的豎向及扭轉(zhuǎn)渦振完全消失.對(duì)方案12在風(fēng)攻角為+6°的情況下進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果主梁的豎向及扭轉(zhuǎn)渦振振幅均很大.因此,方案12仍不能滿足抑振要求.3.4風(fēng)攻角為+5時(shí)在上述基礎(chǔ)上繼續(xù)優(yōu)化,主要是增大導(dǎo)流板寬度,改變導(dǎo)流板與檢修軌道的間距(表2).需要指出的是,考慮到檢修車(chē)安裝方便的需要,方案16和方案17中導(dǎo)流板與檢修軌道采取不對(duì)稱(chēng)布置,其中方案17的導(dǎo)流板直接延長(zhǎng)至主梁底板.從圖8可見(jiàn),采用方案13,當(dāng)風(fēng)攻角為+5°時(shí)便產(chǎn)生了較大的渦激振動(dòng),而采用方案14~17均未產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng);風(fēng)攻角為+6°時(shí),采用方案14~17均使主梁的豎向渦振振幅明顯減小,扭轉(zhuǎn)振動(dòng)消失.可見(jiàn),方案14~17的抑振效果均較好,但方案16更便于檢修設(shè)備的安裝與維護(hù).對(duì)方案16在其他風(fēng)攻角下進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果在風(fēng)攻角為-5°~+5°的條件下主梁均未產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng)現(xiàn)象.由此可見(jiàn),在檢修軌道兩側(cè)布置導(dǎo)流板對(duì)渦激振動(dòng)的影響很大,抑振效果與導(dǎo)流板的寬度以及在底板的位置關(guān)系很大.3.5種方案的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Larsen、Savage等通過(guò)梁體測(cè)壓試驗(yàn)及數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn),箱梁的渦激振動(dòng)是由于箱梁尾部旋渦的周期性形成與脫落引起的.根據(jù)本文研究的橋梁斷面可以假設(shè),由于檢修軌道的存在,使流經(jīng)主梁的氣流在此發(fā)生了分離,且在尾部形成了旋渦.安裝導(dǎo)流板后,氣流會(huì)被檢修軌道內(nèi)側(cè)的導(dǎo)流板引離斷面,從而抑制了旋渦的產(chǎn)生,或者將旋渦引導(dǎo)至不影響主梁的區(qū)域,從而使渦激振動(dòng)消失,而檢修軌道外側(cè)的導(dǎo)流板對(duì)氣流的影響有限.為了驗(yàn)證這一假設(shè),在方案16的基礎(chǔ)上去掉了檢修軌道外側(cè)的導(dǎo)流板,期望仍然沒(méi)有渦激振動(dòng)產(chǎn)生.將導(dǎo)流板改為單側(cè)布置———方案18為外側(cè)布置,方案19為內(nèi)側(cè)布置(見(jiàn)表2),對(duì)2種方案分別進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),結(jié)果見(jiàn)圖9.從試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn),只在外側(cè)布置導(dǎo)流板時(shí),風(fēng)攻角為+5°時(shí)主梁便產(chǎn)生了明顯的豎向及扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng),扭轉(zhuǎn)振動(dòng)尤為劇烈,扭轉(zhuǎn)振幅甚至大于原方案的振幅;若在檢修軌道內(nèi)側(cè)布置導(dǎo)流板,當(dāng)風(fēng)攻角+5°和+6°時(shí)主梁均未產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng).對(duì)方案19在其他風(fēng)攻角下進(jìn)行檢驗(yàn),結(jié)果風(fēng)攻角為-5°~+6°的條件下均未產(chǎn)生明顯的渦激振動(dòng),抑振效果明顯.在檢修軌道內(nèi)側(cè)安裝導(dǎo)流板后,氣流會(huì)被導(dǎo)流板引離主梁斷面,從而抑制了旋渦的產(chǎn)生,或者將旋渦引導(dǎo)至不影響主梁的區(qū)域,從而使渦激振動(dòng)消失.而檢修軌道外側(cè)布置的導(dǎo)流板主要影響主梁斷面上游的氣流,對(duì)斷面尾部氣流的影響有限,因此沒(méi)有起到很好的抑振作用.4主要影響因素通過(guò)對(duì)某大跨度懸索橋1∶20的大尺度節(jié)段模型渦振抑振措施的風(fēng)洞試驗(yàn),得到以下結(jié)論:(1)大跨度橋梁主梁一般為流線型箱梁斷面,在一定程度上會(huì)使渦激振動(dòng)現(xiàn)象減弱甚至消失.但由于橋梁的附屬設(shè)施(欄桿、檢修軌道等)及風(fēng)攻角等因素的存在,仍會(huì)導(dǎo)致渦激振動(dòng).對(duì)本文中研究的流線型箱梁斷面,檢修軌道和風(fēng)攻角是影響主梁渦激振動(dòng)的主要因素.(2)改變檢修軌道在斜腹板及底板的位置對(duì)渦激振動(dòng)性能的影響有限,在檢修軌道兩側(cè)布置導(dǎo)流板可以改善主梁的渦激振動(dòng)性能,改善程度與