大跨度桥梁抗风稳定性的测试与改进方法

发布时间：2014-07-28 18:54

　　1 气动优化措施风洞试验
　　颤振节段模型试验在某风工程实验中心进行。主桁架梁节段模型外形（包括附属装置）与实桥相似，采用1:47.5的几何缩尺比，模型长L=2.1 m，宽B=0.7534 m，高H=0.3164 m，长宽比L／B=2.38。模型用红松木和层板制作，人行道栏杆按实桥设计结构进行模拟。为避免微小杆件引起的气动粘性效应，对栏杆中较细的竖向管按透风率等效的原则进行合并。图2为风洞中的节段试验模型。通过对结构动力特性计算，结果显示，结构颤振状态由对称竖弯基频和对称扭转基频控制。因此，颤振节段模型试验按主梁第1阶正对称竖弯频率fh=0.1573 Hz和主梁第1阶正对称扭转 fa=0.2726 Hz 2个模态组合来确定模型系统的扭弯频率比，即ε= fa/fh=1.73。根据设计单位提供，成桥状态主梁的设计基准风速为：Vd=25.90 m／s。该桥的颤振检验风速振检验风速Vcr=KufVd=1.2×1.29×25.90=40.09 m／s。考虑该桥地处山区峡谷，受峡谷风气流加速和风场复杂影响，确定该桥节段模型颤振试验风速范围为0.5～45.0 m／s，进行a=0o、+3o、一3o、+6o、-6 o 5种攻角情况下的试验。
　　为了探讨研究各种气动控制措施在各个来流攻角下对颤振临界风速的影响，试验采用了在桥面板中央开槽（见图3）、增设裙板（布置方式如图4）和气动翼板（布置方式如图5）等优化措施进行测试。通过对比试验显示，一种气动控制措施不能促使各个来流攻角下颤振临界风速增大，有时，某种措施能促使部分来流攻角下颤振临界风速增大，而对其余部分来流攻角效果不大，甚至可能引起相反的效果。为了达到最好的效果，使之在各个来流攻角下颤振临界风速都大于颤振检验风速，需要采用多种气动措施组合作用。因此，试验又采用了几种气动措施优化组合方式，进行对比试验，最终确定一种气动措施优化组合方案，推荐给该桥梁设计单位。
　　1.1 桥面板中央开槽
　　在桥面板中央开槽，开槽宽度为1.0 m，见图3。进行桥面板中央开槽、不开槽对比试验，探讨桥面板中央开槽与不开槽两种情况对颤振临界风速的影响，试验结果见表1。
　　从表1表可以看出：（1）在0 o攻角下，桥面板中央是否开槽对颤振临界风速并无多大影响；（2）在来流风为正攻角的情况下，在桥面板中央开槽相对于不开槽的状况，颤振临界风速有显着提高，在a=+3 o、+6 o下分别提高40.4％ 和48.6％ ；（3）在-6 o攻角下，中央开槽相对于不开槽的状况，颤振临界风速也有小幅提高，提高6.9％，而在-3 o攻角下，颤振临界风速却降低24.4％，且小于颤振检验风速41.3m／s。
　　1.2 裙板
　　在桥面板边端与加劲梁上弦杆间设置裙板，裙板宽1.6 m，厚0.2m，其布置示意图见图4。进行增设裙板下桥面板中央开槽、不开槽对比试验，探讨裙板与桥面板开槽和不开槽两种气动优化措施组合对桥梁颤振临界风速的影响。
　　从表2可以看出：（1）对桁架断面增设裙板后，在00攻角下，颤振临界风速在桥面板中央开槽和不开槽的状况下分别提高17.5％和21.5％。（2）在桥面板中央不开槽的情况下，增设裙板后，颤振临界风速在来流风为负攻角时基本上没有变化；在+60攻角时，增大明显，提高44.0％；然而在来流风为+3o攻角时，颤振临界风速降低17.5％。从整体来看，方案3在各种来流攻角下，颤振临界风速都达到了41.9m／s以上，满足颤振检验风速的要求。（3）方案4桥面板中央开槽，增设裙板后，颤振临界风速在+60攻角下提高幅度很大，然而在+30、-60攻角下降低9.3％和12.2％；在来流风为-30攻角时，颤振临界风速基本无变化，小于颤振检验风速41.3 m／s。
　　1.3 气动翼板
　　增设气动翼板，翼板尺寸为：宽1.4 m，厚0.2in。支撑翼板的支架高3 m，间隔为5 rn，固定于上弦杆，笔耕论文，见图5。进行增设气动翼板下桥面板中央开槽不开槽对比试验，探讨气动翼板与桥面板开槽不开槽两种气动优化措施组合对桥梁颤振临界风速的影响。
　　由表3可以看出： （1）在桁架上增设气动翼板后，在00攻角下，颤振临界风速有所提高，在桥面板中央开槽和不开槽的状况下分别提高24.8％ 和23.6％；方案5桥面板中央不开槽，增设气动翼板后，在来流风为负攻角时，颤振临界风速有小幅提高，在攻角为-30攻角时，基本没有变化。在来流风攻角为+60时，颤振临界风速有所提高，提高26.9％ ；（3）方案6桥面中央开槽，增设气动翼板后，颤振临界风速除在攻角为+3。时略有减小外，其余各试验来流风攻角下都增幅明显，+6o、0o、-3o、-60攻角时分别提高76.1％、24.8％、65.1％、25.1％。
　　1.4 最终设计气动措施组合方案
　　经过3组不同气动优化措施组合对比试验探讨，确定桥面板中央开槽同时增设气动翼板的组合方案6为推荐气动优化断面。出于施工方面的考虑，设计单位将气动翼板由方案6中的上弦杆的位置移到了下检修道外侧，见图6。进行最终设计气动措施组合方案试验，验证最终设计气动措施组合方案在各个来流攻角下的颤振临界风速是否高于颤振检验风速，结果见表4。
　　由表4可以看出，最终设计气动措施组合方案在各个来流攻角下的颤振临界风速都高于颤振检验风速，可以满足抗风设计要求。但是由于将气动翼板由方案6中的上弦杆的位置移到了下检修道外侧，致使+30、+60来流攻角下的颤振临界风速比方案6有较大幅度减小，分别降低26.5％和50.5％。
　　2 颤振机理分析
　　目前，许多学者对颤振发生机理作了许多富有成效的探索和研究（周志勇，2001年；杨泳昕，2002年）。常用的定量分析方法是将系统阻尼和系统刚度解析为包含有断面气动外形参数的气动导数的函数形式，并通过气动导数变化规律研究断面气动外形同颤振发生规律的关系。对于类似坝陵河大桥这种断面较钝的桁架梁而言，颤振现象表现为扭转形态的分离流颤振。其机理认为是由气动阻尼驱动，且激励扭转颤振的气动负阻尼来自与气动导数A 2有关的扭转气动阻尼力。
　　3 气动优化措施试验结果分析
　　（1）桥面板中央开槽可以提高桁架加劲梁悬索桥正攻角下的颤振临界风速，但是对00攻角的影响并不明显，甚至在-30攻角下出现颤振临界风速降低的情况。这说明桁架加劲梁桥面板中央开槽与钢箱加劲梁开槽颤振稳定控制机理不同，钢箱加劲梁开槽，上下空气流通，可以减小桥面板上下面的压力差，从而有效提高桥梁的颤振稳定性。而桁架加劲梁和桥面板边端是钝体，桁架透风性能好，桥面板中央开槽，抑制颤振作用有限，所以只能提高部分攻角下的颤振临界风速，对部分攻角的影响不明显，甚至个别攻角下出现颤振临界风速降低的情况。
　　（2）在桥面板外缘和上弦杆外缘设置裙板，使气动外型钝化截面趋向于流线形，改善了气流绕流的流态，减少了漩涡脱落，所以能够提高00及正攻角的颤振临界风速。然而，在桁架上沿增设裙板，并不能完全改变桁架加劲梁的钝体断面，气流经过桁架钝化断面，还有漩涡脱落。因此，增设裙板对负攻角会产生负作用，并且负角度越大，颤振临界风速降低越多，特别是当桥面板中央开槽和裙板组合时，这种现象愈加显着。
　　（3）增设气动翼板以后，各个攻角下的颤振临界风速都有所提高，对正攻角下的颤振临界风速有明显的增加，对负攻角增加较少。其原因是在桥面板两侧增设气动翼板，有效地降低了气动桥梁断面的升力矩，对以扭转颤振形态为主的桁架加劲梁桥的颤振临界风速有显着的提高。气动翼板是一种耗能装置，翼板上的气动力，能够有效耗散气流由主架输入系统的能量，从而使系统的颤振稳定性得到改善。当气动翼板和桥面板中央开槽组合时，多数攻角下的颤振临界风速的提高都达到了一半以上，高于颤振检验风速36.2％以上。气动翼板和桥面板中央开槽组合气动措施，是最优化气动措施，是设计推荐方案，对其他桁架加劲梁的抗风设计有很高的参考价值。

 

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