台风多发区自锚式悬索桥涡激共振响应的节段风洞试验研究

台风多发区自锚式悬索桥涡激共振响应的节段风洞试验研究

1考虑结构与算来流的相互作用的导向方程根据现有工程和研究经验，中央开槽式钢箱梁的动态平整度，尤其是振动稳定性，已大大改善，但可能存在振动性能差的问题。精确地计算来流与结构的相互作用需要求解Navier-Stokes方程,此方向的研究工作目前局限于二维情况,由于漩涡脱落运动的复杂性,涡激力的计算都是基于各种半经验模型,对于桥梁的涡激振动研究,目前主要是通过风洞实验室来完成。文献对7座不同形式桥梁的气动抑振措施进行了比较,涡振性能得到较好的改善。而气动抑振措施增加了工程造价。对于跨度相对较小的自锚式悬索桥,选择气动性能相对较好的加劲梁断面形式对于节省工程造价有重要意义。本文通过试验和计算对比,为同类桥梁的气动选型提供借鉴。2主桥结构及构造青岛海湾大桥某航道桥为主跨260m的独塔自锚式悬索桥(以下简称青岛桥),其跨径布置为(80+190+260+80)m。独柱式混凝土桥塔高约156m;加劲梁为总宽度47m的中央开槽式双闭口钢箱梁,梁高为3.6m,宽47m,中央开槽宽约11m,由横梁连接成整体;吊杆沿桥跨方向间距为12m,垂直布置。杭州市某桥主桥是跨径为(83+260+83)m的空间索面自锚式悬索桥(以下简称杭州桥)。该桥采用独柱式钢筋混凝土桥塔,左侧塔高97.705m,右侧塔高99.915m;加劲梁采用分离式扁平钢箱梁,高3.5m,宽47m,采用U形肋加劲的正交异性钢桥面板,标准梁段箱梁内设4道腹板3道横隔板,中央开槽宽度6m,双向8车道;中跨设26对吊杆,边跨不设吊杆。2座桥基本设计参数见表1,具体构造见图1。桥位地处我国东南沿海台风影响区域,在施工和正常运营阶段,抗风安全性问题较突出。3实桥模型主要参数对应关系加劲梁涡振节段模型的几何缩尺比λL=1∶80,根据涡振节段模型设计相似性的要求,可以确定出实桥主要参数与节段模型主要参数间的一一对应关系(表2)。加劲梁测振节段模型为薄壁箱形结构,由铝合金框架与木质板材覆面组成,桥面栏杆、检修轨道和风嘴等均选用ABS材料用电脑雕刻机雕刻而成,具体构造见图2。4风攻角状态1∶80加劲梁节段模型涡振风洞试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1、TJ-2风洞中进行,图2为洞内悬挂的节段模型。整个测振系统的竖弯和扭转阻尼比均严格按照《公路桥梁抗风设计规范》调试为0.005。节段模型测振共进行了2种断面形式各5种风攻角共20个工况。青岛桥成桥状态断面在0°、+3°、+5°风攻角状态下均观测到明显的扭转形态涡激共振现象,其中+3°攻角下风速53.2m/s时,最大扭转振幅达到0.265°;0°风攻角状态下观测到竖弯形态涡激共振现象,其中风速为9.1m/s和10.5m/s时最大竖向振幅为0.15m。各风攻角下的竖弯向和扭转向涡激共振响应位移～风速曲线见图3、4。杭州桥加劲梁成桥状态和施工阶段全桥合龙状态只有+5°涡振试验工况中观测到竖弯向涡激共振现象,且只有在风速为23.868m/s时,最大竖向振幅为0.101m,超出《公路桥梁抗风设计规范》规定的数值,在增加了6%的紊流场之后,+5°风攻角下的竖弯向涡激振动现象也消失。各风攻角下的竖弯向和扭转向涡激共振响应位移～风速曲线见图5、6。2座桥信号处理及数据分析采用MATLAB编制的程序完成,青岛桥成桥状态各工况涡激共振特征参数见表3,杭州桥只有在+5°攻角下出现竖弯向涡激振动,锁定风速为19.5～25.7m/s,最大振幅为0.101m。(青岛桥、杭州桥扭转振幅允许值分别为0.097°、0.074°;竖弯振幅允许值分别为0.14m、0.08m。)5结果讨论5.1结构参数scra乡村总体特征Scruton数是流体力学中综合反映质量参数和阻尼参数的无量纲数,它是结构与流体的质量比与结构阻尼比的乘积。对于竖弯振型有:Scb=4πmξbρBDScb=4πmξbρBD扭转振型有:Sct=4πIξtρB2D2Sct=4πΙξtρB2D2式中,m和I分别为加劲梁单位长度质量和质量惯矩;D为梁高;B为梁宽;ξb和ξt分别为竖弯和扭转阻尼比;ρ为空气密度。涡激振动是气动力、惯性力、弹性力、阻尼力相互作用的共同结果,整个过程相当复杂。结构的质量参数越大,则振动中克服惯性力所做的功越多,涡振越不容易出现;同理结构的阻尼参数越大,则振动中克服阻尼力所做的功越多,涡振也不容易产生。因此综合反映结构质量阻尼参数的Scruton数,可以成为衡量涡振是否容易发生的一个重要条件,即Sc数越小,涡振发生的可能性越大。竖弯形态:青岛桥Scb=12.5,杭州桥Scb=12.2;扭转形态:青岛桥Sct=14.4,杭州桥Sct=12.5。由上可知,青岛桥的Scruton数在竖弯形态和扭转形态上均较大,出现涡激共振的可能性小于杭州桥,其抵抗涡激共振的性能在理论上优于杭州桥。但是,青岛桥却发现几处涡激共振现象,且超出《公路桥梁抗风设计规范》规定的限制。5.2加劲梁断面形式气动外形直接决定了气流遇到断面以后的流动和分离、形成旋涡的频率和漂移速度,这些都是对涡振至关重要的。在涡振理论中,反映截面形状变化的公认参数是Strouhal(斯托哈)数。Strouhal数St=fs·D/U,是反映旋涡脱落频率的一个无量纲系数。它不仅与结构断面的气动外形有关,还与雷诺数有关。某一断面的Strouhal数越大,说明在风速一定的情况下,该断面脱落旋涡的频率越高。由表3可知,+5°风攻角下两桥均产生不同程度的竖弯向涡激共振,杭州桥Strouhal数小于青岛桥。由计算可知,Strouhal数较优的青岛桥,反而出现多处竖弯和扭转向涡激共振,且超出《公路桥梁抗风设计规范》限制。从气动外形的角度看,由表4可知,分离式扁平钢箱梁的宽度,两者相等;高度相差0.1m;开槽宽度相差较大,为5.04m;槽宽比分别为0.234(青岛桥)、0.128(杭州桥);迎风角角度分别为66.5°(青岛桥)、90.4°(杭州桥),杭州桥钝于青岛桥;开槽率为17.6%(青岛桥)、4.3%(杭州桥)。加劲梁标准横断面见图7。根据已有工程经验,合理的中央开槽可在一定程度上提高桥梁的颤振临界风速,改善气动性能。本文从涡激振动的角度认为,开槽宽度不当,反而不利于抵抗涡激共振的发生。杭州桥在Strouhal数不利的情况下,表现出良好的涡激振动性能,侧面证明其具有良好的气动外形,其加劲梁断面形式,开槽宽度、槽宽比、开槽率等参数值得作为同等跨度桥梁设计的参考。从而可以在涡激共振的机理尚不明晰的今天,避免重复性的探索试验,节省工程造价。6中央开槽宽度不适宜于双箱梁结构空间注量根据风洞试验研究和数值计算结果,可以得出如下结论:(1)存在较优的分离双箱梁断面,使得在不附加任何外在措施的情况下,结构本身表现出良好的抵抗涡激共振的性能,节省由于附加气动或阻尼措施而带来的工程造价的提高。(2)开槽宽度过大,不一定有利于结构涡激性能的改善。试验证明,260m主跨的中央开槽分离双箱梁截面自锚式悬索桥