苏通大桥拉索抗风问题试验研究

苏通大桥拉索抗风问题试验研究

试验研究背景随着桥梁技术的发展和越江跨海桥梁的建设，它已经超出了千米高的罗门桥。在千米级斜拉桥的抗风问题上,斜拉索的风雨激振是至今尚未彻底解决的危害严重的主要问题之一。风雨激振是在风和雨的共同作用下,斜拉桥拉索(或拱桥吊杆)发生的一种激烈的大幅振动。日本的Hikami在名港西大桥上首先发现风雨激振现象;Aratsu桥在建造时就发生了强烈的拉索振动,观测到的最大振幅为300mm;2000年建成的南京长江二桥,在通车前就发生了强烈的风雨激振,最大振幅超过50cm,致使用来减振的拉索油阻尼器遭到了破坏。国内外许多研究者采用人工降雨试验对风雨激振现象进行了研究。1995年,法国的Flamand在风洞中采用人工降雨试验对诺曼底桥拉索进行试验,指出了拉索上水线运动对于风雨激振的重要性,并对几种气动措施拉索做了研究;2004年,顾明及杜晓庆在风洞中成功重现了风雨激振现象后,研究了风速、倾角、偏角、振动频率、阻尼、拉索表面等参数对风雨激振的影响,比以往的风雨激振试验更加细致全面。模拟人工降雨的风雨激振试验已经成为工程中风雨激振的主要研究方法。为了抑制拉索的风致振动,许多桥梁采用了空气动力学措施,如法国Normandy桥的螺旋线措施;日本Tatara桥的表面凹坑措施;南京长江二桥的螺旋线措施。空气动力学措施在设计风速下增大了风阻系数。而对于超大跨度斜拉桥,斜拉索上受到的风荷载占对设计起控制作用的桥梁风荷载的将近一半。所以,准确测量拉索的风阻系数成为斜拉索抗风研究中的另一个重要问题。本文以主跨为1088m的世界最大跨度斜拉桥——苏通大桥的超长斜拉索为研究背景,通过横桥向、顺桥向风阻系数测量试验,得到了光索、螺旋线及压痕凹坑3种表面情况拉索的风阻系数;并模拟人工降雨,在风洞中重现了拉索的风雨激振现象,研究了风速、降雨量、拉索表面情况以及机械阻尼对风雨激振的影响。1气动措施的影响因素应全面优化设斜拉索的抗风研究既要获得计算风荷载所需的风阻系数及能有效减振的气动措施设计参数,还要从风阻系数和减振效果两个方面对气动措施的参数进行优化。同时,一座结构复杂的大跨度斜拉桥拉索的空间姿态、长度、直径、自振频率等不尽相同,要通过有限的试验内容来解决整座桥梁拉索的抗风问题,制定一个合理有效的试验方案非常必要。1.1确定表面风阻系数采用测力天平测量均匀流场下直立拉索的风阻系数,比较研究阻力系数的变化规律,给出计算斜拉桥横桥向风荷载时拉索阻力系数的控制值。试验包括3种直径(∅139mm,∅158mm,∅180mm)及3种表面(光面、压痕凹坑、螺旋线)拉索。试验结果表明,对于某种确定的表面情况的拉索,风阻系数是雷诺数Re数的单变量函数。由于光面和螺旋线拉索的风阻系数随Re变化较大,试验中选择3种不同的直径以期获取较大Re数范围内的试验结果;而压痕凹坑拉索的风阻系数随Re数变化不大,所以只对∅139mm一种直径进行试验。试验中包括10种不同设计参数的螺旋线拉索,用以对螺旋线的设计参数进行优化。1.2拉索的风阻系数根据横桥向风阻系数试验的结果,选择直径为139mm的3种表面(1种光面、1种压痕凹坑、2种不同螺旋线直径)拉索,在风洞中采用测力天平测量均匀流场下斜置拉索的风阻系数。试验中模拟斜拉索的倾斜角度,同时模拟了来流指向拉索上升方向和来流指向拉索下降方向(见图1)这两种情况。比较试验中所有拉索在每种倾斜角度下的阻力系数,选取最大的风阻系数作为该倾角的试验控制值,最后根据各个倾角下的试验控制值拟合出拉索的风阻系数随倾角变化的函数关系式。1.3试验结果分析本文采用弹簧悬挂的刚性拉索节段模型,用喷嘴洒水模拟降雨,在风洞中重现自然界的风雨激振现象,研究拉索风雨激振振幅随风速和雨量等参数的变化规律,然后改变拉索的表面情况及系统的机械阻尼,用以研究气动措施及机械阻尼的减振作用。根据实桥观测结果,斜拉索发生风雨激振时多为单模态振动或以某个模态为主的振动,拉索发生风雨激振时振型多为1~4阶,发生风雨激振的拉索频率多为0.6~3Hz,且1Hz以下的振动幅度较大。试验中按照上述条件模拟实际拉索的自振频率。苏通大桥主航道桥斜拉索共有8种规格,其中直径为139mm的拉索根数最多,并且其俯仰角和1~4阶频率正好位于风雨激振多发的频率范围内。∅158mm拉索为最大直径,并且是背索或者背索相邻的拉索。故研究中选择∅139mm和∅158mm直径拉索进行风雨激振试验,试验中模拟实际拉索的空间姿态与自振频率。2横桥风阻系数试验2.1两端固定试验方案试验在同济大学土木工程防灾国家重点试验室TJ-2号边界层风洞中进行,该风洞的试验段尺寸(宽×高×长)为3m×2.5m×15m,空风洞试验段风速范围为1.0~68m/s连续可调。在横桥向风阻系数测力试验之前,比较研究了单端固定方案和两端固定方案两种测力试验装置,见图2。两种试验装置均成功完成过风阻系数的测量试验,结合苏通大桥拉索横桥向风阻系数试验的特点,选择了两端固定试验方案。单端固定试验装置模型由底部的天平垂直支撑,天平置于风洞体外,通过转动与天平连在一起的转盘变换来流攻角,以测量不同攻角下的气动力。为了保证拉索受到的气动力是二维的,模型上方放置与拉索间距小于5mm的端板,用以减小气流在拉索端头的分离。该试验装置的优点是连接可靠,缺点是刚度较小,适用于风速较小的测力试验。两端固定试验装置即拉索上、下端分别与测力天平固定,上、下两个天平同步测量拉索上受到的气动力。下端的测力天平及转动机构与单端固定的测力试验装置相同,拉索模型下端与风洞底板间隙约5mm。上端的测力天平置于风洞内,外包环形有机玻璃且与拉索外径相同,构成拉索的补偿模型。上、下天平可以同步旋转改变来流的攻角。本试验装置优点是刚度大,适于较高风速的测力试验。缺点是安装复杂,对连接精度要求较高。2.2试验结果和攻角本文进行了3种直径、3种表面拉索共19组测力试验。螺旋线采用顺时针缠绕,4种线径(2,3,4,6mm)、3种螺距(6D,8D,10D)(D为拉索直径,螺距对单根螺线而言)的10种双螺旋线。考虑到有限长度拉索模型会带来误差,因此,对螺旋线索和凹坑索还进行了不同攻角下的试验,最后结果取其平均值。试验风速范围15~55m/s,间隔5m/s。螺旋线和压痕凹坑拉索的照片见图3。2.3拉索的气动措施参数本文采用两端固定的试验装置,成功地完成了苏通大桥拉索横桥向风阻系数测量试验,图4为部分试验结果。通过试验得到如下结论:a.选择合适的拉索的气动措施参数,当桥面风速为25m/s时,拉索风阻系数小于1.0。桥面风速为设计风速时,拉索风阻系数小于0.8;b.设计风速下,采取气动措施后拉索的阻力系数大于光索;c.螺旋线拉索的螺距越大,其阻力系数越小;d.螺旋线拉索的螺旋线直径越大,其阻力系数越大;e.螺旋线拉索和光索具有明显的雷诺数效应,而压痕凹坑拉索的雷诺数效应不明显。3桥向风阻系数试验3.1试验模型的测量试验在同济大学土木工程防灾国家重点试验室TJ-2号边界层风洞中第一转盘处进行。试验中采用斜置拉索,上、下两个天平同时测量的试验方案。拉索下端采用浮框式六分量测力天平,拉索上端采用六分量盒式天平,上、下两个天平同步测量拉索上作用的风荷载。模型直径均为139mm,模型长度根据倾角的变化分别为3.2,2.2和1.7m。为了减小由于端头三维流动带来的误差,在模型两端装有和拉索相同直径的补偿模型。同时在拉索模型和风洞顶板之间安装了挡风罩,以消除由于风荷载对支架和上天平的作用带来的对试验的影响。3.2螺旋线索模型本文进行了1种光索、2种螺旋线索、1种凹坑索共4种规格拉索在6种不同倾角,偏转角为0°的测力试验。其中,螺旋线索的参数为螺距8D,线径为2mm和4mm。6种不同倾角分别为±20°,±40°,±60°。倾角为±60°,拉索模型长度为3.2m;倾角为±40°,拉索模型长度为2.2m;倾角为±20°,拉索模型长度为1.7m。风速范围为15~55m/s,间隔为5m/s。3.3拉索角度和资通过模拟顺桥向风作用下的测力试验,得出以下主要结论:多数情况下,气动措施拉索的阻力系数大于光索的阻力系数;阻力系数随拉索倾角(绝对值)的增大而增大,具有单调性;倾角越小,阻力系数随Re数的变化越趋于平缓;螺旋线索与凹坑索相比较,除4mm线径螺旋线索阻力系数稍大外,2mm螺旋线索与凹坑索的阻力系数大体相同,不同倾角时互有大小,但相差在10%以内。部分试验结果见图5和图6。3.4拉索倾角的拟试验中得到的是几个离散角度下的风阻系数随Re数的变化关系曲线。而苏通大桥中拉索倾角各式各样,要通过有限的试验结果给出全桥拉索在设计风速下的阻力系数,则需要通过公式拟和,找到风阻系数随拉索倾角的变化规律。假设α=0°时,Cd≈0,根据α=±20°,±40°,±60°以及90°(拉索直立)的试验结果对风阻系数随倾角变化的曲线进行拟合,以便推算各种倾角下的阻力系数。取拟合公式:Cd=Asin2(α),其中,A为拉索的表面参数,其取值为:光索A=0.6;2mm螺线索(8D螺距)A=0.7;4mm螺线索(8D螺距)A=0.8;凹坑索A=0.65;α为拉索倾角。各种拉索在不同倾角下的阻力系数拟合曲线见图7。4风振荡测试4.1双装置试验方案风雨激振试验在同济大学土木工程防灾国家重点试验室TJ-1号风洞中进行。该风洞为一直流式风洞,其试验段尺寸(宽×高×长)为1.8m×1.8m×12m,风速范围为1.0~30m/s。在风洞扩散段出口处接上第二喷管,形成柱形的自由射流区,其出口截面直径为2.4m。试验在自由射流区进行。本文比较研究了两套试验装置A和B,如图8所示。两套试验装置均成功再现过风雨激振现象,但装置B上再现的风雨激振现象更具典型性,故苏通大桥的试验中选择了风雨激振试验装置B。两套试验装置的共同点为:均由拉索支架、阻尼装置、弹簧及模型、喷洒装置和供水系统等部分组成。风雨激振支架均可悬挂斜置的拉索节段模型,弹簧与拉索垂直,拉索可在弹簧与拉索组成的平面内沿弹簧悬挂方向振动。整个支架通过在地面上转动来改变偏转角β。供水系统由蓄水池、水泵、水管和流量计组成。水泵设有分流阀,供水量还可通过分流阀调节。两套试验装置的不同点为:装置A通过调整伸臂的角度来改变拉索的倾角α,角度调整比较麻烦。而装置B通过在竖平面内整体旋转固定拉索的框架,因此倾角调整比较方便。两套装置的阻尼装置不同。装置A在斜拉索两端各有一套由伸臂、连杆、阻尼片及油箱组成的阻尼装置。阻尼由阻尼片与油之间的摩擦力提供,通过调整阻尼片的大小及片数来改变阻尼值。阻尼值容易调整且线性较好,但阻尼箱固定比较麻烦;装置B通过在拉索两端弹簧上设置不同圈数与线径的弹簧圈的方法来改变阻尼值,阻尼的大小随拉索的振幅变化而改变,为非线性阻尼。4.2模型长度和质量为保证试验的可靠性,拉索节段模型的表面材料与实际拉索相同。试验中要求满足Re数和St数的相似,故模型的直径、拉索的俯仰角α、试验风速都和实桥相同,即相似比为1∶1。放宽质量阻尼参数Scruton数Sc=4πmζρD2Sc=4πmζρD2(其中:m为单位长度斜拉索的质量;ζ为阻尼比;ρ为空气密度;D为斜拉索的直径)的相似条件,模型拉索的质量小于实桥拉索的质量,模型阻尼等于实桥阻尼。因此,模型系统的Scruton数比实桥的小,模型系统更容易发生风雨激振。拉索模型长度与质量是实现风雨激振的关键因素。模型的质量要尽量轻,而模型长度要与风洞尺寸相配合,不易太长。苏通大桥拉索研究中拉索模型长为2500mm。∅139mm拉索模型质量为20.6kg,实索的质量为194.3kg,模型与实索的质量比为1∶9.4;模型的长度与直径比值为18∶1;模型系统的振动频率为0.916Hz,阻尼比为0.12%;模型的俯仰角为35°。4.3拉索的均匀性人工降雨也是实现风雨激振的关键因素,过大或过小的雨量都会使风雨激振振幅减小,见图9。当人工降雨为均匀地落在拉索上的雾状水花时最好。人工降雨要轻轻落在拉索上,且勿对拉索形成冲击。在较好的人工降雨下并在合适的风速下,拉索上将形成上水线,它在拉索长度方向上对称分布。上水线不一定要很大,本文研究发现,只要能形成一条中间高约1mm薄膜状水线,便足以激起拉索的大幅振动,拉索最大振幅超过30cm。4.4拉索表面的压痕坑设置在合理的工况下对拉索的试验作用通过在TJ-1风洞中拉索的风雨激振及减振措施试验,得出以下主要结论:∅139mm的光面拉索在俯仰角α=35°,偏转角β=27.5°,频率f=0.916Hz,阻尼比0.12%,在风速3.2~7.8m/s范围内发生了强烈的风雨激振现象,最大振幅超过了32cm。拉索表面缠绕螺旋线可以有效地抑制拉索的风雨激振发生;拉索表面做成压痕凹坑亦可以有效地抑制拉索的风雨激振发生;增加机械阻尼可以有效地抑制拉索的风雨激振现象,设置索端阻尼器有助于减小风雨激振现象的发生。比较结果见图10、图11。5试验研究及设备研究(1)在横桥向风阻