大跨度橋梁主梁風雨致渦激振動試驗研究

辛大波，張明晶，王亮，歐進萍，2，李惠

(1.哈爾濱工業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱150090;2.大連理工大學土木水利學院，遼寧大連116024)

大跨橋梁是重要的基礎設施工程.近年來，隨著科學技術的進步以及經濟的不斷發展，大跨橋梁建設發展迅速，橋梁跨度不斷增長，橋梁結構在自然風的作用下敏感度增加，風致顫振、抖振、渦激振動等典型風致振動成為影響大跨橋梁服役壽命的重要因素.渦激振動是大跨度橋梁在低風速下常見的一種風致振動現象，是一種帶有自激振蕩性質的風致限幅振動.盡管渦激振動不像顫振、馳振是發散的毀滅性的振動，但其對橋梁行車安全具有一定影響，并容易引起結構疲勞破壞［1］.長期以來，關于大跨橋梁渦激振動的研究都是基于橋梁處于均勻來流風場或紊流風場中，沒有考慮降雨效應的影響.實際上，風和雨常常是同時存在的，特別是對于臺風天氣，強風和暴雨耦合更是其主要特征.大跨橋梁結構處于風雨聯合作用時，單一考慮風場進行風致作用分析得出的結論與實際有一定的偏差，其原因在于雨場的存在以及雨場和風場之間的相互影響.因此，考慮降雨效應對橋梁風致作用的影響對于精確地分析大跨橋梁的最不利荷載環境以及準確地評價大跨橋梁渦激振動特性至關重要，且分析方法更符合客觀實際.

目前，關于大跨橋梁風雨聯合作用的研究主要集中在斜拉索風雨激振［2-12］，而針對大跨橋梁主梁風雨致渦激振動的研究還是空白.本文以某一分離式雙箱主梁橋梁及其閉口主梁型式橋梁為研究對象，通過在哈爾濱工業大學閉口回流大氣邊界層風洞(湍流度小于3%，平均速度偏差小于5%)中安裝降雨模擬裝置進而搭建風雨聯合作用環境試驗系統，對橋梁風雨致渦振特性進行了試驗研究.

1 渦激振動基本原理

當漩渦脫落頻率接近結構某一階自振頻率時，將會引起渦激共振現象.Strouhal最先指出漩渦脫落現象可以用一個斯托羅哈數(Strouhal數)來描述:

式中:f是漩渦脫落一個完整的頻率，Hz;D是物體垂直于平均流速的平面上的投影特征尺寸，m;U是來流的平均速度，m/s.

圖1 渦激振動鎖定現象Fig.1 The locking phenomenon of vortex induced vibration

當漩渦脫落頻率接近于橋梁結構某一階自振頻率時，將引起橋梁結構較大的運動.橋梁結構和流體之間開始劇烈的相互作用，物體的固有頻率控制了旋渦脫落現象，甚至當風速的變化使名義斯特羅哈頻率已經偏離固有頻率百分之幾時，旋渦脫落仍被控制住.這種機械力對一種現象的控制通常稱為鎖定.鎖定對旋渦脫落的影響見圖1.

2 風雨聯合作用下橋梁主梁渦激振動試驗

2.1 試驗環境及試驗系統

試驗在哈爾濱工業大學風洞與浪槽聯合實驗室完成.通過在閉口回流大氣邊界層風洞中安裝降雨系統，進而實現風雨聯合作用環境，整個風雨聯合作用系統還包括實驗裝置、測試系統、數據采集系統、擋雨防水裝置、排水管道、進風口以及出風口.試驗段風雨聯合作用環境如圖2所示.

圖2 風雨聯合作用環境Fig.2 Surroundings of simultaneous actions of wind and rain

如圖2所示，風雨聯合作用降雨系統包括3個進水管以及15個噴水管，降雨系統模擬雨強連續變化范圍10～200 mm/h，降雨影響面積4×5 m2，雨滴直徑0.1～6 mm，降雨調節精度7 mm/h.節段模型的兩端用螺栓連接到試驗框架上，并由彈簧系統支撐，彈簧系統豎向剛度為10 N/mm.試驗使用3個DeltaTron?Type 4507 B加速度計，分別測量加速度計最大量程為±700 m·s－2，為了防水，在加速度計貼防水保護膜一層.本試驗給定的雨強分別為0、30、60、90、120、150、180 mm/h.

2.2 試驗模型

試驗選取某一分離式雙箱懸索橋為研究對象.試驗采用的節段模型縮尺比為1∶40，同時為了方便進行對比研究，試驗還增加了針對該懸索橋節段模型開孔槽的閉口模型，2個模型具有相同的外輪廓尺寸，節段模型采用輕質木材制作，模型質量約16 kg.開口主梁節段模型和閉口節段模型分別如圖3、4所示.

圖3 開口主梁節段模型Fig.3 Slotted section model

圖4 閉口節段模型Fig.4 Closed section model

本試驗針對開口閉口2個主梁節段模型的主要結構參數如下表1所示.

表1 節段模型系統的主要參數Table 1 Parameters of the section model system

3 風雨聯合作用下渦激振動試驗結果與分析

3.1 振動時程

在不同雨強作用下，通過加速度傳感器獲得開、閉口節段模型加速度時程曲線如圖5所示.圖5(a)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、8～10 s分別對應的來流風速為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 m/s.圖5 (b)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、10～12 s分別對應的來流風速為2.0、4.2、4.8、6.0、7.6、9.3 m/s.

圖5 開、閉口模型加速度時程Fig.5 Acceleration time histories for the slotted model and the closed model

由圖5可知，開口節段模型產生了明顯的渦激振動.不同雨強下，起振風速及鎖定風速基本一致.不同雨強下，最大加速度峰值有一定差別.閉口節段模型產生的是隨機振動，且隨著風速增大，加速度峰值增大.不同雨強下，閉口節段模型加速度振動時程有一定差別.試驗表明開、閉口節段模型在抵抗渦激振動方面差別顯著，當氣流流過所開的凹槽時，會產生較大的漩渦脫落，加劇了模型來流尾部的漩渦脫落.

對圖5中的開、閉口節段模型的加速度時程進行頻域積分得到各自相應的位移時程.不同雨強作用下，開、閉口節段模型位移時程曲線如圖6所示.圖6(a)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、8～10 s，分別對應的來流風速為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 m/s.圖6(b)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、8～10 s、10～12 s分別對應的來流風速為2.0、4.2、4.8、6.0、7.6、9.3 m/s.

圖6 開、閉口模型振動時程Fig.6 Displacement time histories for the slotted model and the closed model

由圖6可以看出，開口節段模型產生了明顯的渦激振動.不同雨強下，最大位移峰值有一定差別.閉口節段模型產生的是隨機振動，且隨著風速增大，位移峰值增大.不同雨強下，閉口節段模型位移振動時程有一定差別.

3.2 功率譜密度

通過對圖5振動加速度時程反應進行傅里葉變換，可以得到不同雨強作用下的橋梁主梁節段模型的功率譜特性曲線.開、閉口節段模型的功率譜密度如圖7所示.

由圖7可以看出，對于開口節段模型，不同雨強作用下，功率譜特性曲線有一定差別，在頻率為3.9 Hz時，各條曲線達到最大值.功率最大值可達0.86 dB.對于閉口節段模型，不同雨強作用下，功率譜特性曲線有一定差別，在頻率為3.9 Hz附近時，各條曲線達到最大值.功率最大值為0.22 dB.通過對開、閉口節段模型功率譜特性曲線峰值大小比較，表明閉口模型相對于開口模型具有較低的振動能量.

圖7 開、閉口節段模型功率譜密度Fig.7 Power spectral density for the slotted model and the closed model

3.3 位移幅值

不同的風速作用下，可以得到不同的模型振動幅值.在雨強為150 mm/h時，不同風速下開、閉口模型振動位移幅值如圖8所示.

圖8 位移幅值隨風速變化Fig.8 Displacement amplitude changing with wind velocity

由圖8可以看出，開口節段模型的起振風速為1.4 m/s，鎖定風速區間為1.4～2.5 m/s.最大渦激振動幅值為3.25 mm.閉口節段模型振動幅值較小.這表明渦激振動對于氣動外形的敏感性非常強，在抵抗渦激振動方面，閉口節段模型相對于開口節段模型有著較為優良的性能.

針對開口節段模型不同雨強下的渦激振動最大位移幅值如圖9所示.

圖9 開口模型最大位移幅值Fig.9 Displacement amplitude for the slotted model in different rainfall intensity

由圖9可知，不同雨強下，開口節段模型的渦激振動位移幅值有一定差別.相對于純風作用，開口節段模型在風雨聯合作用下的最大位移幅值較大，最大增量可達25%.當雨滴降落到橋梁節段的表面上，經過沖擊、飛濺、流動等過程，雨水會形成對應于橋梁節段結構條件的一種特定形態，比如橋梁節段表面的水膜.水膜的振動將會產生很大的附加空氣動力作用，這也是渦激振動幅值提高的原因所在.表明風雨致渦激振動要比風致渦激振動危險，考慮降雨作用下的渦激振動顯得十分必要.

4 結論

本文通過在大氣邊界層風洞中安裝人工模擬降雨器進而搭建風雨聯合作用試驗系統，針對某一分離式雙箱橋梁主梁節段模型以及其閉口型式的節段模型，進行了不同雨強作用下的橋梁節段模型渦激振動試驗，獲取橋梁主梁斷面渦激振動特性，通過分析相關試驗結果，得出以下結論:

1)開口節段模型產生了明顯的渦激振動.不同雨強下，起振風速及鎖定風速基本一致.不同雨強下，最大振動幅值有一定差別.閉口節段模型產生的是隨機振動，且隨著風速增大，振動幅值增大.不同雨強下，閉口節段模型振動時程有一定差別.

2)開口節段模型在風雨聯合作用下的位移幅值大于其在單一風作用下的位移幅值，最大增量可達四分之一.說明風雨致渦激振動要比單一風致渦激振動危險，考慮降雨作用下的渦激振動顯得十分必要.

3)渦激振動對于氣動外形的敏感性非常強，在抵抗渦激振動方面，閉口節段模型相對于開口節段模型有著較為優良的性能.

［1］陳政清.橋梁風工程［M］.北京:人民交通出版社，2005: 129-136.CHEN Zhenqing.Bridge wind engineering［M］.Beijing: China Communications Press，2005:129-136.

［2］BLOCKEN B，CARMELIET J.High-resolution wind-driven rain measurements on a low-rise building experimental data for model development and model validation［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2005(93):905-928.

［3］BLOCKEN B，CARMELIET J.On the accuracy of winddriven rain measurements on buildings［J］.Building and Environment，2006(41):1798-l810.

［4］BLOCKEN B，CARMELIET J.Guidelines for the required time resolution of meteorological input data for wind-driven rain calculations on buildings［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008(93):621-639.

［5］WIANECHI J.Cable wind excited vibrations of cable-stayed bridge［M］.［s.l.］.1979.

［6］MATSUMOTO M，SHIRASHI N，SHIRATO H.Rain-windinduced vibration of cables of cable-stayed bridges［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992(41-42):2011-2022.

［7］BOSDOGIANNI A，OLIVER D.Wind and rain induced oscillations of cables of stayed bridges［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1996(64):171-185.

［8］GU M，DU X Q.Experimental investigation of rain-wind-induced vibration of cables in cable-stayed bridges and its mitigation［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003(93):79-95.

［9］MAIN J A，JONES N P.Full-scale measurements of stay cable vibration［C］//Proceedings of 10th Conference on Wind Engineering.Rotterdam，The Netherlands，1999:963-970.

［10］NI Y Q，WANG L Y，CHEN Z Q，KO J M.Field observations of rain-wind-induced cable vibration in cable-stayed Dongting Lake Bridge［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2007(95):303-328.

［11］XU Y L，WANG L Y.Analytical study of wind-rain induced cable vibration:SDOF model［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003(91):27-40.

［12］LI H，LIU M，LI J H，et al.Vibration control of stay cables of the Shandong Binzhou Yellow River highway bridge by using magnetorheological fluid dampers［J］.Journal of Bridge Engineering，2007，12(4):401-409.