氣動干擾對平行雙幅斷面氣動導納影響研究

周 奇，朱樂東，任鵬杰，劉文江

(1．汕頭大學 土木工程系，廣東 汕頭 515063；2.同濟大學 橋梁工程系，上海 200092；3.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海 200092；4.中交第一公路勘察設計研究院有限公司，西安 710065，5.天津市政工程設計研究院，天津 300051)

隨機抖振為大跨度橋梁在風荷載作用下產生的主要振動形式之一，準確預測大跨度橋梁抖振響應至關重要。迄今，除風洞試驗方法外已有多種抖振響應預測方法，如Davenport基于準定常假設推導出抖振力表達式，并引入氣動導納函數考慮抖振力非定常效應及紊流風沿橋橫向的不完全相關性。因此氣動導納準確與否直接決定抖振響應的預測精度。氣動導納可通過實測或風洞試驗測試方法及經驗算式[1-7]獲得。基于機翼理論推導的解析解-Sears函數為常用氣動導納表達式。

平行雙幅橋梁因通行能力大已在實際工程中廣泛應用，但平行雙幅橋梁上下游斷面之間存在顯著氣動干擾現象，導致平行雙幅橋梁的氣動特性與單幅橋梁明顯不同。氣動干擾與上下游斷面之間距離有直接關系[8-10]，可使雙幅斷面氣動導數與單幅斷面明顯不同，更易發生渦激共振，渦振幅度會更大[11-12]，氣動干擾效應亦會影響氣動導納。此外，紊流據其產生原因可分為來流紊流與特征紊流，特征紊流結構外形依賴性較高，平行雙幅橋的氣動干擾會增強氣流中特征紊流成分，加大特征紊流對氣動導納的貢獻。由于氣動導納經驗公式與Sears函數均基于來流紊流給出，對平行雙幅橋梁已不再適用。為此，本文以平行雙幅橋梁實際工程-天津塘沽海河大橋為背景，采用節段模型測力方法對雙幅斷面氣動導納進行測試，研究不同斷面間距、不同斷面外形的氣動干擾效應對氣動導納影響。

1 風洞試驗

天津塘沽海河大橋(簡稱既有橋)為獨塔雙索面混合斜拉橋，全長500 m，其中主跨為310 m的分離雙箱鋼箱梁，邊跨為190 m的分離雙箱混凝土箱梁，橋面寬23 m(不含風嘴)，主梁高3 m，主塔高167.2 m。拓寬擴建中新橋(簡稱新建橋)與既有橋呈對稱分布，主跨為310 m，邊跨為180 m，沿縱橋向分布與既有橋類似，兩幅橋縱軸線距離35 m，橋面凈距12 m即D/B=0.52。新建橋亦為混合斜拉橋，主跨為分離雙箱鋼箱梁，邊跨為預應力混凝土箱梁，橋面寬22 m(不含風嘴)，主梁高3 m，主塔高166.2 m，見圖1。

圖1 天津塘沽海河大橋總體布置圖(單位：m)

圖2 節段模型中開、閉口箱梁測量段(單位：mm)

本文采用剛體節段模型測力方法進行氣動導納測試，試驗在同濟大學TJ-2大型邊界層風洞中進行，該風洞試驗段尺寸為3.0 m(寬)×2.5 m(高)×15 m(長)，最大風速68 m/s。試驗中兩種外形的主梁斷面-閉、開口箱梁斷面分別模擬新建橋與既有橋，其中前者長0.4 m，高0.05 m，寬0.41 m，重1.42 kg；后者長0.4 m，高0.05 m，寬0.424 m，重1.01 kg，見圖2。模型幾何縮尺比L=1/50，試驗風攻角為0°，試驗風速12 m/s，試驗風場紊流度15%。為研究不同斷面產生的氣動干擾對氣動導納影響，本文設計的試驗工況模型狀態見表1。為研究不同斷面間距產生的氣動干擾對氣動導納影響，對工況SSB七種間距的氣動導納進行測試，試驗中斷面間距與斷面寬度比值(D/B)分別為0，0.25，0.5，0.75，1，1.5，2。

表1 試驗工況及簡稱

圖3 TJ-2風洞中節段模型

節段模型由測量段與補償段組成，見圖3。測量段位于下部，補償段位于上部。試驗開始前先安裝固定于風洞地板的方形鋼框架，并在框架橫梁中間垂直安裝一根鋁制橫梁用以固定補償段模型；將兩五分量天平分別固定于鋁制導軌上，鋁制導軌固定于風洞地板表面。測力天平可通過導軌中間滑槽滑動，便于改變上下游主梁斷面間距。為減少風洞地面邊界層效應及氣流三維擾流影響，在模型與測力天平間安裝橢圓形塑料分離板，其下表面略低于測力天平上表面，且在分離板中間開形狀與主梁斷面外形一致、尺寸略大的洞口，以確保試驗中分離板洞口邊緣與測力天平無接觸；將兩測量段模型垂直安裝在測力天平之上并確保模型與分離板無接觸。測量段安裝后將補償段固定于鋁制橫梁下，與測量段平行并保留不大于2 mm的空隙。模型安裝后經測試開口斷面模型平面內基本頻率為58 Hz，平面外基本頻率33 Hz，扭轉基本頻率82 Hz；閉斷面模型平面內基本頻率50 Hz，平面外基本頻率33 Hz，扭轉基本頻率71 Hz。所有頻率均遠大于15 Hz，可確保主梁斷面氣動導納有效換算頻率超過實橋第三階豎彎頻率。

2 等效氣動導納識別方法

在多種氣動導納識別方法[13-17]中等效氣動導納因識別方法簡單被廣泛應用。本文給出的氣動導納測試結果均為等效氣動導納(簡稱氣動導納或EAA)。據準定常理論，等效氣動導納可由作用在橋梁斷面的抖振阻力譜、升力譜及扭矩譜反算獲得，表達式[13]為

(1)

(2)

(3)

3 不同結構外形對氣動導納影響

3.1 相同斷面對不同斷面氣動干擾效應

圖4 不同氣動外形上游橋等效氣動導納對比

圖5 不同氣動外形下游橋等效氣動導納對比

綜合圖4、圖5比較結果知，氣動干擾效應的存在使雙幅斷面中上游斷面與下游斷面氣動導納均與單幅狀態有一定差別，表現在阻力氣動導納實測值尤其顯著。相同斷面產生氣動干擾效應相似，會迫使不同斷面呈現相似的氣動導納分布特征。

3.2 不同斷面對相同斷面的氣動干擾效應

圖6 下游橋斷面不同時開口箱梁斷面等效氣動導納對比

綜合圖6、圖7比較結果知，斷面不同產生氣動干擾效應不同，即使受干擾的為相同斷面亦會呈現不同的氣動導納分布特征，而不同斷面對上游斷面影響主要體現在阻力氣動導納上，對下游斷面影響主要體現在升力氣動導納上。

4 不同間距對氣動導納影響

4.1 對上游斷面氣動導納影響

圖8 不同間距下工況SSB上游橋等效氣動導納對比

圖9 不同間距時工況SSB上游橋等效氣動導納對比

4.2 對下游斷面氣動導納的影響

綜合圖8、圖9對比結果，由于氣動干擾效應對上游斷面的氣動導納影響不顯著，不同間距下氣動導納未表現出明顯的變化規律。而對下游斷面氣動導納而言，隨間距的增大氣動干擾效應影響減弱，且間距足夠大時氣動干擾效應可忽略不計。此現象在阻力及升力矩氣動導納上表現較明顯。

5 結 論

本文采用節段模型測力方法對平行雙幅橋上下游斷面等效氣動導納進行風洞實測，通過對比分析不同結構外形產生的氣動干擾對上下游斷面等效氣動導納影響及不同斷面間距時氣動干擾對上下游斷面等效氣動導納影響規律，結論如下：

(1) 氣動干擾的存在，使雙幅橋中上下游斷面的氣動導納均與單幅斷面有一定差別，阻力氣動導納差別尤其顯著。

(2) 相同斷面產生氣動干擾效應相似，會迫使不同斷面呈現相似的氣動導納分布特征。不同斷面產生氣動干擾效應不同，即使相同斷面亦會呈現不同的氣動導納分布特征。

(3) 由于下游斷面產生氣動干擾對上游斷面影響較弱，不同間距的上游斷面氣動導納無明顯變化規律。

(4) 隨間距的增大氣動干擾對下游斷面氣動導納影響逐漸減弱；間距足夠大時該影響可忽略不計。阻力、升力矩氣動導納的變化規律較明顯。

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