某跨海大橋節段模型風洞試驗

許宏兵,張亮亮

(重慶大學,重慶 400045)

某跨海大橋節段模型風洞試驗

許宏兵,張亮亮

(重慶大學,重慶 400045)

通過某跨海大橋節段模型靜力試驗和動力試驗獲得了主梁的靜力三分力系數隨攻角的變化規律,主梁的顫振特性以及識別了主梁的 8個顫振導數,并對試驗獲得的結果進行了詳細的分析。其分析評價的結果直接用于指導該橋的設計與施工,也可為同類橋梁提供理論參考。

跨海大橋; 風洞試驗; 節段模型; 靜力三分力; 顫振; 渦激振

某跨海大橋采用跨徑布置為(67+72+76+720+76+ 72+67)m,全長 1 150m,共 7跨。主跨為 720m的鋼-混組合雙塔斜拉橋,主跨主梁采用扁平流線形鋼箱梁,主梁全寬30m(包括風嘴)。該橋所在地每年平均受 4～5次臺風的影響,且多集中在 7～9月份。所以,必須對該橋進行風洞試驗研究以確保其施工和運營階段的抗風穩定性、安全性和適用性。

1 靜力試驗

風洞靜力試驗的目的是測試主梁在不同攻角下的三分力系數,為靜風響應、抖振響應、靜風穩定性及施工監控分析等提供依據,并初步評價主梁發生馳振的可能性。按風軸坐標系的阻力系數 CD、升力系數 CL、扭矩系數 CM表達式分別見式(1)～式(3)。

式中:FD、FL、MT為風軸系下的空氣阻力、升力和扭矩;α為來流攻角;U為風速;ρ為空氣密度;B、L分別為節段模型的寬度和長度(圖1)。

圖1 體軸坐標系和風軸坐標系

1.1 靜力試驗模型設計

該橋的主梁模型縮尺比為1∶60,長為 1.25m,寬 0.5 m,長寬比 2.5。其主梁斷面如圖 2所示。模型用紅松木和層板等制作,人行道欄桿按實橋結構進行模擬,為避免微小桿件引起的氣動粘性效應,對欄桿中較細的豎向桿按透風率等效的原則進行模擬。包括有、無欄桿兩種情況,其幾何參數見表 1所列。

圖 2 該橋方案模型斷面形狀

節段模型試驗在中國空氣動力研究與發展中心低速所1.4m×1.4m風洞進行,該風洞為閉口試驗段直流式風洞,試驗段截面尺寸為1.4 m(寬)×1.4m(高)的矩形,穩定風速為5～40m/s。

模型豎直安裝于天平及風洞轉盤上,通過由計算機控制調整機構實現模型姿態角 α的變化。試驗中 α的范圍為±12°,變化間隔最小為3°,在均勻流場中試驗風速為 15m/s。

1.2 靜力試驗結果

該橋風軸系下主梁節段模型(有欄桿和無欄桿)的三分力系數如圖 3、圖 4。

圖3 主梁(有欄桿)靜力三分力系數曲線

圖4 主梁(無欄桿)靜力三分力系數曲線

1.3 靜力試驗結果分析

(1)圖3(有欄桿)和圖4(無欄桿)對比,有欄桿時,阻力系數變大,升力系數變小,扭矩系數在負攻角時基本不變,在正攻角變小。因此,要得出可靠的橋梁設計風荷載,模型模擬欄桿是必要的。

2 動力試驗

2.1 動力試驗模型

試驗模型縮尺比均為 1∶60,各模型分為有欄桿、無欄桿兩種配置。模型采用五層板及輕木制作,欄桿采用竹篾和有機玻璃制成,為避免微小桿件引起的氣動粘性效應,對欄桿中較細的豎向桿按透風率等效的原則進行模擬。各模型外形與靜態試驗的模型相同,模型的兩端還設置有端板,以保證主梁斷面氣動繞流的二維特性。

模型安裝在橋梁節段模型動態試驗專用裝置上。該裝置通過鋁制連接件,使風洞外的兩根水平端桿分別與模型兩端固接,端桿的上下兩端共懸掛有 8根彈簧,可實現模型作豎向和扭轉二自由度運動。鋁制連接件可調節模型的迎角,調節范圍為 -12°～12°(試驗中模型的迎角為-3°、0°、3°)。整個模型的懸掛支架置于洞壁外,以避免對流場干擾。

模型除了滿足外形幾何相似外,同時還滿足了動力相似律,即模型與原型(實橋)之間保持下列三組無量綱參數一致[3]:

2.2 顫振臨界風速的測定及分析

本研究試驗風速為U=2～15 m/s,ΔU=0.5m/s,流場為均勻流,模型迎角α=-3°、0°和 3°三種。通過主梁動力節段模型風洞試驗,直接測量主梁在不同攻角下發生顫振的臨界風速,根據結果以及模型、原型(實橋)之間的風速比,可以推算出實橋的顫振臨界風速。其結果見表 2。

2.3 顫振導數的識別

根據Scanlan的橋梁顫振導數理論豎向和扭轉運動的微分方程為:

由此可對實橋作三維顫振分析。此外,顫振導數也是抖振分析中必不可少的氣動力參數。

基于最小二乘理論[2],將橋梁節段模型的自由衰減振動信號分解為豎向和扭轉振動的信號,再分別對豎向和扭轉振動信號進行非線性最小二乘擬合,一次識別主梁斷面不同攻角下的 8個顫振導數,并可得到各顫振導數隨 V/Bn的變化曲線.限于篇幅這里僅給出A＊2隨V/Bn的變化曲線(見圖5)。圖中的空心圖例表示均勻流試驗結果,實心圖例為紊流試驗結果,○、○表示無欄桿,◆、□表示有欄桿。

由圖 5可以得出:對于同一工況下,紊流場和均勻流場中識別的顫振導數差別小,但有、無欄桿的顫振導數差別較大。

2.4 渦激振動試驗

當氣流繞過物體時在物體兩側及尾流中會產生周期性脫落的漩渦,這種周期性的激勵會使物體發生限幅振動,這種振動稱為渦激振,它通常發生在較低的風速下,其振動形式通常為豎向渦振和扭轉渦振。本試驗目的是通過節段模型試驗,測定渦激振動的發振風速、振幅以及主梁截面的斯脫羅哈數,對主梁的渦激振動特性作出評價。

本次渦激振動試驗模型同表 6中所列,風速 U為 2～5 m/s,ΔU=0.25m/s,流場分為均勻流和紊流,模型迎角α為 -3°、0°和 3°三種。

表 3給出了本次渦激振動試驗結果。根據試驗結果推算到實橋狀態下發生豎向渦激振動風速分別見表 3。

圖 5 α為-3°、+3°、0°時顫振導數曲線A＊2

由表3可以得出:在試驗中,除均勻流場(α=0°)和紊流場中,有、無欄桿時,均出現了比較明顯的渦激振動。根據試驗結果推算,實橋狀態下發生豎向渦激振動的風速在 18.1～40.86m/s。

3 結 論

(1)橋梁試驗模型應該配置模擬欄桿,這樣才能給出可靠的設計風速。

(2)根據試驗結果表明,該橋的顫振臨界風速遠高于顫振檢驗風速,在設計風速范圍內沒有出現渦激共振現象,且在試驗攻角范圍內不會發生弛振失穩。綜上所述,該跨海大橋主梁具有良好的氣動穩定性。

[1] 埃米爾·希繆,羅伯特·斯坎倫.風對結構的作用—風工程導論[M].劉尚培,項海帆,謝霽明,譯.上海:同濟大學出版社,1992

[2] 李永樂,廖海黎,強士中.橋梁斷面顫振導數識別的加權整體最小二乘法[J].土木工程學報,2004(3)

[3] 項海帆.公路橋梁抗風設計指南[M].北京:人民交通出版社,1996

U446.1

B

2010-03-02

重慶大學“211工程”三期建設項目(S-09105)

許宏兵(1984～),男,碩士研究生,主要從事橋梁工程設計及橋梁抗風研究;張亮亮(1956～),男,教授,主要從事橋梁及高層建筑結構抗風研究。