穩定板對邊主梁斷面懸索橋渦振的影響研究

莊欠國

（核工業西南勘察設計研究院有限公司）

穩定板對邊主梁斷面懸索橋渦振的影響研究

莊欠國

（核工業西南勘察設計研究院有限公司）

本文以某邊主梁斷面的大跨度懸索橋為工程背景，采用節段模型風洞試驗方法研究了穩定板對橋梁渦激振動的影響。通過增設不同位置的穩定板（開口中央、四分之一位置處的不同組合），在保持結構阻尼等參數相同的情況下進行風洞試驗，獲得各工況下的渦激振動的幅值和渦振區間。結果表明，設置不同位置的穩定板對橋梁渦激振動的影響是不同的，合適的穩定板位置能有效的抑制橋梁的渦激振動。

懸索橋；鋼－混組合梁斷面；穩定板；渦激振動

1 引言

隨著設計和施工水平的不斷提高，現代橋梁的跨度記錄不斷被刷新，而大跨橋梁的結構特點是大、輕、柔，因此對風的作用相當敏感。對于大跨度橋梁設計中，在必須保證顫振穩定性的基礎上，在低風速下很容易出現的渦激振動現象，同樣是我們必須考慮的問題。盡管渦激振動不像顫振、馳振一樣是發散的毀滅性的振動，但是由于是在低風速下常容易發生的振動，且振幅之大足以影響行車安全，振動過于頻繁容易導致橋梁主梁發生疲勞而發生損壞，因而在施工或者成橋階段避免渦激共振或限制其振幅在可接受的范圍內具有很重要的意義。

在橋梁設計中，因為開口斷面的鋼－混組合梁因為具有良好的經濟性，開始在大跨橋梁中出現。一般而言，開口箱梁在斜拉橋中出現較多，而在懸索橋中應用很少。例如，主跨380m的柳州紅光大橋為國內首次采用邊主梁斷面的懸索橋，目前正在建設的三塔四跨體系的鸚鵡洲懸索橋的加勁梁也采用了這類斷面。邊主梁斷面具有扭轉剛度小、氣動穩定性欠佳的特點，作為加勁梁用于大跨度懸索橋時容易引起大橋的顫振及渦激共振問題。對于開口箱梁懸索橋，通過節段模型試驗表明，通過增設風嘴、導流板以及調整檢修軌道位置并不能改變箱梁開口處的風場流動，從而也就達不到改善橋梁的渦振性能的目的，而通過增設不同位置的穩定板，不僅可以提高橋梁的顫振臨界風速，同時對抑制橋梁渦激共振幅值同樣有很好的作用。本文以某大跨度懸索橋的節段模型風洞試驗入手，研究不同位置的穩定板對橋梁渦激振動性能的影響，從而初步探索穩定板氣動控制措施的控制效果和控制機理。

2 試驗概況

表1 節段模型試驗參數

本文以某大跨度開口箱梁懸索橋為背景，橋梁主跨為838m。節段模型試驗采用的縮尺比為1:50。表1給出了節段模型的主要試驗參數。豎向及扭轉的模態阻尼比均取為0.7%。

節段模型風洞試驗在邊界層風洞內進行，采用二元剛體彈性懸掛系統，試驗時加勁梁節段模型由8根彈簧懸掛在特定的裝置上，模型振動參數通過彈簧剛度、模型質量及附加阻尼進行調節。穩定板的設置位置如圖2所示，通過不同位置的組合，來發現和探索穩定板位置對渦激振動的控制效果和控制機理。

3 氣動措施對渦振的影響

在開口箱梁橋中，由于引起渦振的主要原因是在來流風在邊主梁尾部發生漩渦脫落現象，從而產生周期性變化的渦激力，而周期性的渦激力就會引起橋梁結構的渦激振動，并且在我渦脫落頻率與結構的自振頻率相一致。在風洞試驗中發現，增設穩定板能改善對此橋梁斷面的抗渦振性能，據此，研究的穩定板氣動措施包括：（a）設置中央上穩定板，穩定板高度為 1.02m（與欄桿齊平）；（b）設置下穩定板，其下緣高度與檢修軌道齊平，穩定板的位置包括1/4橫梁寬度、1/2橫梁寬度和3/4橫梁寬度。圖2給出了加勁梁斷面各種氣動措施示意。

根據上述穩定板位置，設計的試驗工況為:

工況1：僅在1/2橫梁寬度處設置下穩定板；

工況2：在1/4和3/4橫梁寬度處設置兩道下穩定板；

工況3：在1/4、1/2和3/4橫梁寬度處設置三道下穩定板；

工況4：在1/4、1/2和3/4橫梁寬度處設置三道下穩定板以及中央上穩定板。

在試驗中發現，在-3°攻角時，各工況均未出現渦激共振現象，在0°攻角時僅在工況1出現渦激共振現象，工況2、工況3和工況4未出現渦激共振現象，而在+3°攻角下，所有的工況均出現了渦渦激共振現象，因而在試驗結果中，我們主要以+3°攻角的渦振試驗數據來進行對比分析。+3°攻角下個工況的渦振實驗結果如圖2～圖5所示，其中虛線為橋梁抗風設計的規范限值。

圖3 工況1

圖4 工況2

圖5 工況3

圖6 工況4

由圖3～圖6的試驗結果中，可以發現：

工況1：僅出現了扭轉振動，振動幅值超過規范限值；

工況2：豎彎振動和扭轉振動均都出現，且都在規范限值以內；

工況3：豎彎振動和扭轉振動均都出現，豎彎幅值比工況2略低，但扭轉幅值增大，接近規范限值；

工況4：豎彎振動和扭轉振動均都出現，豎彎幅值與工況3相近，但扭轉幅值超過規范限值。

通過以上的試驗現象，我們可以發現的規律如下：

1. 通過工況1、工況2和工況3，可以得知，1/2橫梁寬度處的穩定板對主梁扭轉振動產生不利影響，但對主梁豎彎振動產生有利影響。

2. 通過工況3和工況4的對比，可以發現，中央上穩定板對主梁扭轉振動產生不利影響，而對主梁豎彎振動的影響很小。

3. 雖然各工況的渦振幅值有較大變化，但是產生渦振的風速區間變化不大。

4 結論

鈍體結構的渦激振動現象是由斷面尾部的氣流漩渦引起的。盡管此開口箱梁線性設計采用了流線型設計，但是由于底部開口，來流風在邊主梁處很容易發生渦脫現象，而產生渦激力，從而造成開口箱梁極易發生渦激振動。風洞試驗發現，通過設置穩定板可以使主梁斷面的氣動性能得到優化，是一種經濟有效的抑振措施。導流板會將邊主梁尾部產生下的漩渦阻擋打散，從而抑制了主梁的渦激振動。

該結論是基于試驗結果的一種推斷，準確的控制機理研究還需要通過粒子成像技術（PIV）或者數值模擬來實現。

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1007-6344（2016）03-0090-01

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