串列雙幅斷面顫振穩定性氣動干擾試驗研究

劉志文 呂建國 劉小兵 陳政清

摘要： 針對大跨雙幅橋面橋梁氣動干擾效應問題，采用風洞試驗方法，在均勻流場、零度風攻角條件下研究了不同間距比時串列雙幅典型斷面（矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面）的顫振穩定性氣動干擾效應。研究表明：串列雙幅典型斷面發生顫振失穩時，下游斷面先失穩，上游斷面后失穩；串列雙幅鈍體斷面（矩形斷面、Π型斷面），當間距比D/B為0.2，0.5（D為串列雙幅斷面凈間距，B為單幅斷面寬度）時，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風速低于單幅鈍體斷面顫振臨界風速；當D/B為1，2，4，6時，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風速高于單幅鈍體斷面顫振臨界風速；串列雙幅流線型斷面顫振臨界風速隨間距比D/B增加而增加，在試驗間距比范圍內（D/B的值為0.3，0.6，1，2，4，5）均小于單幅流線型斷面顫振臨界風速，氣動干擾效應降低了雙幅流線型斷面顫振臨界風速。關鍵詞： 橋梁工程； 顫振穩定性； 氣動干擾效應； 風洞試驗； 串列雙幅斷面

中圖分類號： U441+.3文獻標志碼： A文章編號： 1004-4523（2016）03-0403-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.03.005

引言

在工程實踐中為了提高橋梁通行能力，可采用兩座平行且鄰近的橋梁，即雙幅橋面橋梁。大跨度雙幅橋面橋梁上下游主梁之間存在氣動干擾效應，隨著橋梁跨度增大，其抗風性能干擾效應不容忽視。串列圓柱、方柱及建筑結構氣動干擾效應很早就受到關注，并已進行了大量研究[1]。Takeuchi等針對串列矩形斷面氣動干擾效應進行了風洞試驗研究，研究表明串列雙幅矩形斷面氣動干擾效應與單幅斷面寬高比及間距等因素有關[2]。Honda對日本大板關西國際機場聯絡大橋（兩公路梁橋之間夾有一與其平行的鐵路橋梁）氣動穩定性干擾效應進行了主梁節段模型風洞試驗研究[3]。Rowan等針對新塔科馬橋進行了雙幅橋面橋梁氣動干擾效應研究，通過主梁節段模型和全橋模型試驗研究了兩座橋之間的氣動干擾效應[4]。Kimura等研究了凈間距對雙橋面橋梁氣動干擾效應的影響，研究顯示雙幅橋面橋梁氣動干擾問題十分復雜，當凈間距與主梁寬之比達到8以上仍存在一定的干擾效應[5]。朱樂東、郭震山等對既有橋梁與新建橋梁主梁之間三分力系數、渦振性能和顫振穩定性氣動干擾效應進行了試驗研究[67]。研究表明：氣動干擾效應使得箱形斷面雙幅橋與單幅橋相比，顫振臨界風速明顯降低；雙幅橋梁豎彎和扭轉渦激共振最大幅值和風速鎖定區間都有顯著增加。劉志文等針對串列雙幅典型斷面渦激振動氣動干擾效應進行了風洞試驗研究[89]，研究表明：串列雙幅斷面渦振振幅與雙幅斷面凈間距密切相關。Seo等針對雙幅斜拉橋氣動干擾效應進行了試驗研究，研究表明：上游主梁斷面渦振振幅由于氣動干擾效應而增大，采取相應氣動措施控制效果并不理想，試驗發現增加結構阻尼可以有效降低渦振振幅[10]。英國橋梁氣動效應設計規范（BD 49/01）規定雙幅橋面橋梁抗風性能必須予以特別關注，并給出不同間距比條件下雙幅橋面橋梁抗風設計需關注的重點[11]。

綜上所述，大跨度雙幅橋面橋梁氣動干擾效應不容忽視，并受到許多學者關注。考慮到實際橋梁斷面形狀較多，從系統研究的角度考慮，對實際橋梁主梁斷面進行適當簡化，從而對串列雙幅典型斷面氣動干擾效應進行研究對于大跨度雙幅橋面橋梁抗風設計具有重要意義。本文對串列雙幅典型斷面（矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面）顫振穩定性氣動干擾效應進行試驗研究，以得到不同斷面顫振穩定性氣動干擾規律。

1試驗簡介

對實際橋梁主梁斷面進行適當簡化，設計了三類典型斷面，即矩形斷面、Π型斷面和流線型斷面。為了使串列雙幅斷面氣動干擾試驗研究工況中D/B（D為雙幅斷面凈間距，B為單幅斷面寬度）變化范圍盡量涵蓋實際橋梁雙幅主梁之間的間距范圍，擬定矩形斷面、Π型斷面及流線型斷面幾何參數如下：單幅斷面模型寬為B=300 mm（流線型斷面不計入風嘴寬度），高為H=60 mm，具體典型雙幅斷面如圖1所示。

鑒于影響串列雙幅斷面顫振穩定性的因素較多，如來流紊流度、風攻角、間距比以及斷面形狀等，本文僅針對影響串列雙幅斷面顫振穩定性的主要因素——斷面形狀及間距比進行研究。串列雙幅斷面顫振穩定性氣動干擾效應試驗是在湖南大學風工程試驗研究中心HD2邊界層風洞中進行。該風洞試驗段截面尺寸為3.0 m（寬）×2.5 m（高）×17 m（長），試驗段風速范圍為0.5～58 m/s，該試驗段的風速方向不均勻性均小于0.5°，空風洞湍流度小于0.5%，速度不均勻性小于1%，試驗斷面流場品質滿足試驗要求。采用專門開發的串列雙幅斷面彈性懸掛節段模型試驗裝置，該試驗裝置通過置于風洞頂、底板上的槽鋼可方便實現上下游斷面間距的改變，如圖2所示。采用固定在彈簧端部的力傳感器進行模型振動響應測試。表1給出了串列雙幅典型斷面顫振穩定性氣動干擾效應試驗參數， 表 2 給出了串列雙幅典型斷面顫振穩定性氣動干擾效應試驗研究工況。需要說明的是，在進行顫振穩定性氣動干擾效應試驗研究時，所有試驗工況顫振臨界風速均是由來流風直接激勵而產生，未進行人工激勵。

2試驗結果

圖3所示分別為單幅矩形斷面、П型斷面和流線型斷面扭轉位移根方差隨折算風速變化曲線。從圖3中可以看出，П型斷面顫振臨界風速最低，矩形斷面顫振臨界風速略大于П型斷面顫振臨界風速，流線型斷面顫振臨界風速最高。

3結論

在均勻流場、零度風攻角下，針對三類典型斷面分別進行了串列雙幅斷面顫振穩定性氣動干擾效應風洞試驗研究，得到如下主要研究結論：

（1）串列雙幅典型斷面（矩形斷面、П型斷面及流線型斷面）發生顫振失穩時，下游斷面先發生顫振失穩，隨后上游斷面發生顫振失穩。

（2）當間距比D/B=0.2，0.5時，串列雙幅鈍體斷面（矩形斷面、П型斷面）顫振臨界風速低于單幅鈍體斷面顫振臨界風速；當D/B=1，2，4，6時，串列雙幅鈍體斷面顫振臨界風速高于單幅鈍體斷面顫振臨界風速。

（3）當間距比D/B=0.3，0.6，1，2，4，6時，串列雙幅流線型斷面顫振臨界風速低于單幅流線型斷面顫振臨界風速，即氣動干擾效應降低了雙幅流線型斷面顫振臨界風速，在工程實踐中值得注意。

參考文獻：

[1]Khanduri A C， Stathopoulos T， Bedard C. Windinduced interference effects on buildings—a review of the stateoftheart[J]. Engineering Structures，1998，20（7）：617—630.

[2]Takeuchi T， Matsumoto M. Aerodynamic response characteristics of rectangular cylinders in tandem arrangement[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1992，41（13）：565—575.

[3]Honda Akihiro， Shiraishi Naruhito， Matsumoto Masaru， et al. Aerodynamic stability of Kansai International Airport access bridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1993，49（13）：533—542.

[4]Rowan A I， Stoyan S， XIE J M， et al. Tacoma narrows 50 years later wind engineering investigations for parallel bridges[J]. Bridge Structures： Assessment， Design and Construction，2005，1（1）：3—17.

[5]Kimura K， Shima K， Sano K， et al. Effects of separation distance on windinduced response of parallel box girders[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2008，96：954—962.

[6]朱樂東，周奇，郭震山，等.箱形雙幅橋氣動干擾效應對顫振和渦振的影響[J].同濟大學學報（自然科學版），2010，38（5）：632—638.

Zhu Ledong， Zhou Qi， Guo Zhenshan， et al. Aerodynamic interference effects on flutter and vortexexcited resonance of bridges with twinseparate parrallel box decks[J]. Journal of Tongji University （Natural Science），2010，38（5）：632—638.

[7]郭震山，孟曉亮，周奇，等.既有橋梁對鄰近新建橋梁三分力系數氣動干擾效應[J].工程力學，2010，27（9）：181—186.

Guo Zhenshan， Meng Xiaoliang， Zhou Qi， et al. Aerodynamic interference effects of an existed bridge on aerodynamic coefficients of and adjacent new bridge[J]. Engineering Mechanics， 2010，27（9）：181—186.

[8]劉志文，栗小祜，陳政清.均勻流場串列雙矩形斷面渦激振動氣動干擾試驗研究[J].中國公路學報，2010，23（5）：44—50.

Liu Zhiwen， Li Xiaohu， Cheng Zhengqing. Experiment of aerodynamic interference effects on vortexinduced vibration of two rectangular cylinders in tandem in smooth flow field[J]. China Journal of Highway and Transport， 2010，23（5）：44—50.

[9]劉志文，陳政清，栗小祜，等.串列雙流線型斷面渦激振動氣動干擾試驗[J].中國公路學報，2011，24（3）：51—57.

Liu Zhiwen， Chen Zhengqing， Li Xiaohu， et al. Experiment of aerodynamic interference effects on VIV of two streamlined cylinders in tandem[J]. China Journal of Highway and Transport， 2011，24（3）：51—57.

[10]Seo J W， Kim H K， Park J， et al. Interference effect on vortexinduced vibration in a parallel twin cablestayed bridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2013，116：7—20.

[11]The Highways Agency. Design rules for aerodynamic effects on bridges[S]. Design Manual for Roads and Bridges Volume 1 Section 3 Part 3， BD 49/01， 2001.

[12]Irwin P A， Xie J， Duun G. Wind tunnel studies for the Golden Gate Bridge[R]. Final Rep.93144F4（June） Prepared for T.Y.Lin International， Rowan， Williams， Davies and Irwin， Guelph， Ont.， Canada， 1995.

[13]Li C G， Chen Z Q， Zhang Z T. Effect of turbulence on the aerodynamic stability of long span bridges[J]. Advanced Materials Research， 2013，（639640）：452—455.