南京长江第三大桥桥塔气动弹性模型试验研究

南京长江第三大桥桥塔气动弹性模型试验研究

南京长江第三桥是南京继南京长江二桥之后，又一座横跨长江的大桥。主桥为双轩桥，全长63m。257m648m257m63m。该桥桥塔呈倒Y型布置,全高215m,桥塔上部为平行的双柱式结构(如图1所示)。主梁以上采用钢结构,整个结构质量轻、阻尼小,且整个桥塔较高,对风的作用较为敏感。为确保南京长江第三大桥桥塔结构具有优良的抗风性能,就需对该桥塔进行基于模型风洞试验的气动选型研究。根据南京地区的气候条件,斜拉桥施工阶段设计风速可按30年一遇进行推算,此时桥塔顶部设计风速、基准高度(65%塔高)处设计风速及驰振检验风速如表1所示。1桥塔结构设计结构自振特性反映了结构振动的基本特性,是进行模型风洞试验及风致振动研究的基础。采用有限元法对桥塔结构进行单元离散,墩柱及横梁均采用空间梁单元进行模拟。结构前5阶模态的频率及振型特点如表2示。2风洞的第一测试2.1模型参数的确定根据力学相似理论,用于风洞试验的气动弹性模型应遵循下述准则:即在原型(实桥)和模型之间保持下列无量纲参数的一致性:弹性参数、惯性参数、风速参数、阻尼参数、粘性参数等。在气动弹性模型设计中,弹性参数、惯性参数的一致性条件必需要严格满足,才能保证模型的结构动力特性以及模型的位移、内力等力学参量与原型相似。模型的几何缩尺比定为CL=1/100。根据XNJD-1风洞第一试验段的风速范围,兼顾桥塔涡激振动试验和驰振试验对风速的要求,模型设计时对弯曲振动和扭转振动取不同的风速比,即:对于顺桥向和横桥向振动,风速比取为CU=1/4,由相似条件可得频率比为Cf=25/1;对于扭转振动,风速比取为10,由相似条件可得频率比为Cf=10/1。关于粘性参数的一致性条件,目前缩尺模型风洞试验中无法满足。钝体空气动力学研究表明,对于桥梁结构这类钝体,粘性参数条件并不显著影响其绕流的流态相似。南京三桥桥塔系钢结构其阻尼较小,在模型设计和制作中尽可能降低系统阻尼,使模型主要模态的阻尼比达到要求。2.2频率和阻尼测试模态测试的目的是检验模型的结构动力特性是否与原型计算值之间满足相似关系。对于低频振动采用初始位移法测试频率和阻尼,对于高频振动采用基于环境振动的频谱分析确定频率。表3列出了模态试验的主要结果。从表3可以看出:模型重要模态的频率测试值与要求值吻合良好,这说明,南京三桥桥塔气动弹性模型的设计与制作可满足试验要求。同时,模型的主要模态的阻尼比也在合理范围之内。2.3振动切角形式的确定涡激振动是一种限幅振动,对结构的质量和阻尼较为敏感,当结构质量和阻尼均较小时,涡激共振振幅可能很大。涡激振动易使结构构件产生疲劳破坏。南京三桥桥塔的塔柱截面为带切角矩形,断面较为钝化。此外,塔柱采用钢结构,其质量和阻尼均较小,易发生涡激共振。因此,常遇风速下的涡振响应是南京三桥桥塔的主要振动形式。驰振是一种由气动负阻尼效应引起的发散性的自激振动,其振动形态可能是横风向弯曲振动,也可能是扭转振动。已有研究表明,结构发生驰振的临界风速与结构的质量及阻尼比均呈正比。南京三桥桥塔较高,质量和阻尼均较小,因而有发生驰振的可能性。基于结构的涡振及驰振性能,共进行了9种切角形式(如表4所示)的气动外形比选,针对每一种切角形式进行了5种β角的振动特性测试。试验来流为均匀流,β角以22.5°递增。,模型β角为0度时表示顺桥向吹风,模型β角为90°时表示横桥向吹风。2.4切角对涡流振的影响试验结果表明,β=90°时(横桥向吹风),模型发生了明显的顺桥向涡激振动和具有发散性质的扭转振动,其它β角条件下未观测到明显的涡振或其它振动。图3显示了β=90°时九种切角断面的涡振情况,由图可见,切角为1.2m×0.6m时涡振响应最大,实桥塔顶全振幅达1730mm,切角为0.8m×0.6m时涡振响应最小,实桥塔顶全振幅仅为320mm,推荐采用0.8m×0.6m的切角形式。此外由图3还可以看出当切角较小时(如切角0.0m×0.0m、切角0.3m×0.3m及切角0.6m×0.6m)涡振的发振风速明显变小,并可能出现两个涡振区。图4、图5给出了不同切角长宽比涡振响应的对比情况,由图可以看出,当切角长宽比较大时,其涡振响应亦较大。图6为不同切角断面扭转响应随风速变化情况。由图可见,这种扭转振动是一种带有发散性质的驰振,其最低发振风速(临界风速)为65m/s,高于该桥塔的驰振检验风速。因此,各种切角情况下桥塔的驰振均不会对结构的安全性带来危害,在气动选型中可不予考虑。3第二次气动弹性模型的风洞试验3.1模型设计及对比由图3可见,南京三桥桥塔顺桥向涡振响应发振风速较低,模型的部分试验发振风速低于1m/s。当风速过低时,风洞的流场品质及试验精度难以保证,且风速的调节不易控制,可能会漏掉最大值。另涡激共振的“锁定”现象,进一步增加了捕捉涡振响应最大值的难度。为确保南京三桥桥塔气动选型的可靠性,我们根据上一次试验的结果,重点针对顺桥向涡振,将模型风速比提高(CU=1/3),重新设计制作了模型。并在重复原有九种切角形式的基础上,增加了0.6m×0.8m的切角形式。3.2模型试验模型的模态试验结果如表5所示。3.3切角及切角时下内云数之间的响应图7为β=90°时十种切角断面的涡振情况。由图可见,涡振响应曲线风速点密集,且规律性较好。切角0.8m×0.6m、切角0.6m×0.8m及切角0.6m×0.6m三种情况下的涡振响应最小,尽管切角0.6m×0.8m及切角0.6m×0.6m时的响应较切角0.8m×0.6m时的略小,但切角0.6m×0.8m及切角0.6m×0.6m时涡振发振风速较低,涡振发生频度较高。综合比较以上十种切角断面,以0.8m×0.6m的切角形式为最优。3.4角对于2.8m0.7m的响应在切角0.8m×0.6m的基础上,较小地改变切角尺寸,增加两种切角形式即0.9m×0.7m和0.8m×0.7m。同时,还进一步考查了这三种切角断面当β角在90°附近变化时对涡振响应的影响。图8给出了这三种切角形式断面在不同β角情况下的顺桥向涡振响应。由图可见,对于切角0.8m×0.6m和切角0.8m×0.7m,当β角变小时结构响应亦变小,对于切角0.9m×0.7m,β角对结构响应影响不大。三种切角断面形式中,切角0.9m×0.7m的响应最大,切角0.8m×0.7m的涡振响应略小于切角0.8m×0.6m的。考虑到切角0.8m×0.7m的涡振响应最小,且便于施工,推荐采用该种切角形式。4切角大小对驰振的影响经对南京长江三桥桥塔不同切角形式涡振及驰振特性的风洞试验研究,可得如下结论:(1)切角长宽比较大时,涡振响应亦较大;切角尺寸较小时,涡振的发振风速明显变小