大跨度鋼桁梁懸索橋顫振穩(wěn)定措施試驗(yàn)研究

李 明， 孫延國， 李明水

(1.西南交通大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，成都 610031； 2. 西南交通大學(xué) 風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031； 3.西南交通大學(xué) 橋梁工程系，成都 610031)

目前桁架加勁梁作為大跨度橋梁常用的斷面形式，因其抗扭剛度大，透風(fēng)性能好，特別是具有運(yùn)輸方便、施工靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)，在我國大跨度橋梁建設(shè)中(特別是山區(qū)跨越峽谷時(shí))應(yīng)用廣泛。

自然風(fēng)流經(jīng)峽谷時(shí)發(fā)生放大與縮小、抬升與回彈，這使得山區(qū)峽谷的風(fēng)特性以及風(fēng)環(huán)境變得尤為復(fù)雜，對建于山區(qū)峽谷大跨度鋼桁梁橋的風(fēng)場環(huán)境以及抗風(fēng)性能研究[1-3]十分重要，其中確保大橋氣動安全的顫振穩(wěn)定性是控制性因素。目前顫振氣動穩(wěn)定措施主要是通過氣動措施來提高主梁的顫振臨界風(fēng)速，和結(jié)構(gòu)措施與機(jī)械措施相比，氣動措施可以從根源上抑制主梁振動，控制效果更為明顯，成本和代價(jià)也相對較小[4]。常用的顫振穩(wěn)定氣動措施包括設(shè)置中央穩(wěn)定板、中央開槽或封槽、導(dǎo)流板、翼板、抗風(fēng)纜、優(yōu)化風(fēng)嘴和欄桿等。

對于桁架梁橋的顫振穩(wěn)定措施研究，陳政清等[5]根據(jù)能量原理研究了中央穩(wěn)定板提高桁架梁懸索橋顫振穩(wěn)定性的氣動機(jī)理，發(fā)現(xiàn)中央穩(wěn)定板降低了氣動負(fù)阻尼，并提高了彎扭耦合程度，降低了顫振頻率，從而提高了顫振臨界風(fēng)速。歐陽克儉等[6]利用CFD數(shù)值模擬以及PIV風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究了中央穩(wěn)定板對桁架梁斷面的繞流細(xì)觀作用機(jī)理，結(jié)果表明中央穩(wěn)定板促進(jìn)了在橋面中央附近形成位于上下橋面的旋渦對，使顫振過程中豎向自由度參與作用增強(qiáng)。白樺等[7]等通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了采取中央穩(wěn)定板、導(dǎo)流板、封閉防撞欄桿等氣動措施組合對鋼桁梁懸索橋顫振穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)設(shè)置下中央穩(wěn)定板或在桁架外側(cè)設(shè)置水平導(dǎo)流板可以提高主梁負(fù)攻角的顫振臨界風(fēng)速，上、下穩(wěn)定板同時(shí)使用的效果優(yōu)于單獨(dú)使用，加高并封閉防撞欄可以起到中央穩(wěn)定板的效果，并提高不同攻角下主梁的顫振臨界風(fēng)速。Wang等[8-9]利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了封槽、翼板、上下中央穩(wěn)定板、水平穩(wěn)定板對桁架主梁顫振性能的影響，并對抑振措施進(jìn)行了優(yōu)化，研究發(fā)現(xiàn)上中央穩(wěn)定板和水平穩(wěn)定板對板-桁組合式的桁架梁橋顫振臨界風(fēng)速提高明顯，而下穩(wěn)定板的作用效果不明顯；穩(wěn)定板的高(寬)度對顫振發(fā)散風(fēng)速影響較大。李春光等[10]結(jié)合矮寨大橋工程實(shí)例，對桁式加勁梁懸索橋橋面板中央開槽、中央穩(wěn)定板、水平穩(wěn)定板三種氣動措施以及不同橋面板形式的抑振效果進(jìn)行了風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，研究結(jié)果表明，分離式的混凝土橋面板槽口越寬，顫振穩(wěn)定性越差，封閉槽口可提高加勁梁顫振穩(wěn)定性，穩(wěn)定板高度越高，主梁的顫振穩(wěn)定性越好，但對于下穩(wěn)定板存在一個(gè)最優(yōu)值，且分離式的中央穩(wěn)定板抑振效果優(yōu)于整體式，在鋼桁梁底部設(shè)置水平穩(wěn)定板對加勁梁顫振穩(wěn)定性基本沒有作用。劉慶寬等[11]通過風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)考察了上下中央穩(wěn)定板、下橫梁穩(wěn)定板、導(dǎo)流板、雙中央穩(wěn)定板、雙下穩(wěn)定板等氣動措施對小寬高比桁架梁顫振臨界風(fēng)速的影響，結(jié)果表明，安裝上中央穩(wěn)定板可較大幅度提高0°和3°攻角的顫振臨界風(fēng)速，而安裝下中央穩(wěn)定板可較大幅度提高0°和-3°的顫振臨界風(fēng)速，同時(shí)安裝上、下中央穩(wěn)定板可提高不同攻角下的顫振穩(wěn)定性，在下橫梁上安裝一定尺寸的雙穩(wěn)定板，可在一定程度上提高0°和-3°攻角的顫振臨界風(fēng)速，但降低了3°攻角的顫振臨界風(fēng)速。

以上針對鋼桁梁顫振穩(wěn)定措施的研究，主要考察了不同尺寸規(guī)格的單一抑振措施對主梁顫振性能的影響，雖然對不同的抑振措施進(jìn)行了組合，但是一般給出的工況較少，難以評估在某一抑振措施與其他措施組合時(shí)的參數(shù)變化對主梁顫振性能的影響。研究表明，在聯(lián)合使用不同的抑振措施時(shí)，其制振效果要明顯優(yōu)于單一抑振措施。因此有必要針對在聯(lián)合使用抑振措施的情況下，研究其中某一抑振措施的參數(shù)變化對主梁顫振性能的影響。

為了研究不同抑振措施的參數(shù)變化(高度及封隔率)在不同組合措施中的敏感程度，本文以赤水河大橋(大跨度鋼桁梁懸索橋)為研究背景，對上中央穩(wěn)定板、下中央穩(wěn)定板以及中央封槽三種抑振措施在單獨(dú)作用以及聯(lián)合使用的情況下，進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

1 工程概況及橋位風(fēng)參數(shù)

赤水河大橋?yàn)榻?渝黔界)經(jīng)習(xí)水至古藺(黔川界)高速公路的重要通道，是一座跨越深谷(谷深314 m)主跨為1 200 m的特大懸索橋，加勁梁采用板-桁組合體系，桁寬27.0 m，桁高7.0 m，中央開槽寬0.67 m，加勁梁立面如圖1所示。

圖1 加勁梁立面圖

大橋橋址為西南地區(qū)典型的峽谷地貌，與平原地區(qū)的自然風(fēng)相比，山區(qū)峽谷具有陣風(fēng)強(qiáng)烈、湍流強(qiáng)度及風(fēng)攻角大、風(fēng)速沿橋軸線分布不均勻等特點(diǎn)。為了準(zhǔn)確把握橋址處的風(fēng)環(huán)境，依據(jù)我國《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]選取了橋位200 km范圍內(nèi)八個(gè)地區(qū)的最大風(fēng)速和對應(yīng)的百年風(fēng)速，利用風(fēng)速和平均海拔高度的擬合公式計(jì)算得到橋位基本風(fēng)速為24.7 m/s，同時(shí)根據(jù)氣象學(xué)分析方法[13](擬合極值Gumbel Type I型分布方法)計(jì)算得到橋位處基本風(fēng)速為24.18 m/s，兩種方法分析得到的基本風(fēng)速差別不大，從結(jié)構(gòu)安全角度考慮，橋址處基本風(fēng)速取為24.7 m/s。考慮到山區(qū)峽谷對橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的影響，需要借鑒以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式來對山區(qū)峽谷的基本風(fēng)速進(jìn)行修正[14]

(1)

式中：Vd為建于峽谷上口處橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速；U10為大橋橋址“虛擬”標(biāo)準(zhǔn)氣象站的基本風(fēng)速；H為峽谷深度；B1為峽谷上口處寬度；B2為峽谷下底面寬度；z為峽谷中計(jì)算點(diǎn)處高度；b為峽谷中計(jì)算點(diǎn)處寬度；μ為調(diào)整系數(shù)，當(dāng)z≤2H/3時(shí)，μ=1，當(dāng)z>2H/3時(shí)時(shí)，μ=1.5。

對于赤水河大橋，取U10=24.7 m/s，H=314 m，B1=2 002 m，B2=129 m，z=314 m，b=2 002 m，由式(1)求得大橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為27.2 m/s。對于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，根據(jù)文獻(xiàn)[12]可按下式進(jìn)行計(jì)算

[Vcr]=1.2μfVd

(2)

式中：μf為風(fēng)速脈動修正系數(shù)，按D類地表選取，對于1 200 m跨徑，μf=1.31，計(jì)算得到該大橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為42.8 m/s。

2 主梁顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)

由于顫振是一種危險(xiǎn)的自激發(fā)散振動，為了保證大橋的氣動安全，必須使橋梁的顫振臨界風(fēng)速高于相應(yīng)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。在西南交通大學(xué)XNJD-1風(fēng)洞第二試驗(yàn)段對赤水河大橋進(jìn)行了主梁動力節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，直接測量在不同的攻角下主梁發(fā)生顫振的臨界風(fēng)速，通過比較橋梁的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，初步評估大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性能[15]。圖2為安裝在風(fēng)洞中的節(jié)段模型，節(jié)段模型縮尺比為1∶50.4，其設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 節(jié)段模型主要試驗(yàn)參數(shù)

由表1可以發(fā)現(xiàn)，對于實(shí)橋的扭彎頻率比，反對稱扭彎模態(tài)組合值大于正對稱扭彎模態(tài)組合值。因此，為了更好地反應(yīng)大橋的實(shí)際顫振性能，試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖到y(tǒng)的扭彎頻率比按照較低的正對稱模態(tài)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。在均勻流場中進(jìn)行顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)，通過風(fēng)速比將試驗(yàn)觀測到的顫振臨界風(fēng)速換算到實(shí)橋，顫振臨界風(fēng)速見表2。

圖2 主梁節(jié)段模型

由表2可知，大橋在+5°、0°、-3°以及-5°攻角下，顫振臨界風(fēng)速高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，但是當(dāng)攻角為+3°時(shí)，顫振臨界風(fēng)速較低，小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，原設(shè)計(jì)方案不滿足顫振穩(wěn)定性要求，需要對主梁進(jìn)行氣動優(yōu)化，從而改善大橋的氣動穩(wěn)定性。

表2 赤水河大橋顫振臨界風(fēng)速

3 顫振穩(wěn)定性措施研究

由節(jié)段模型顫振穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果可知，主梁在+3°攻角的顫振臨界風(fēng)速小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。為了使大橋的顫振特性滿足山區(qū)條件下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求，避免因風(fēng)致顫振引起結(jié)構(gòu)破壞事件發(fā)生，需要對橋梁安裝適當(dāng)?shù)念澱穹€(wěn)定措施，本研究分別對不同尺寸的上中央穩(wěn)定板、下中央穩(wěn)定板以及封槽板三種抑振措施在單獨(dú)作用以及聯(lián)合使用的情況下，進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，并考察了封隔率的影響。擬采用的抑振措施如圖3所示，圖中還示出了上中央穩(wěn)定板及封槽板的的三種布置形式，圖中a為上穩(wěn)定板及封槽板沿橋梁跨向通長布置；b為封槽板通長設(shè)置，上穩(wěn)定板采用“隔一封一”方式間隔布置；c為上穩(wěn)定板和封槽板同時(shí)采用“隔一封一”方式間隔布置。試驗(yàn)選擇最不利的+3°攻角進(jìn)行優(yōu)化，系統(tǒng)參數(shù)和主梁顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)相同。

3.1 單一穩(wěn)定措施研究

中央開槽對主梁的顫振穩(wěn)定性具有一定的影響。一般而言，對于流線型扁平鋼箱梁，采用適當(dāng)寬度的中央開槽可以在一定程度上提高結(jié)構(gòu)的顫振穩(wěn)定性能[16-18]。而對于鋼桁梁橋，中央開槽可能會對主梁的顫振穩(wěn)定性造成不利的影響，李春光等研究了不同槽寬以及封閉槽口對矮寨大橋顫振穩(wěn)定性的影響，研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)封閉槽口時(shí)，主梁的顫振臨界風(fēng)速得到明顯提高，提高幅度接近20%。

圖3 主梁顫振穩(wěn)定措施示意圖

為了考察封閉開槽對赤水河大橋顫振穩(wěn)定性的影響，將原方案0.67 m寬的槽口沿主梁通長封閉，試驗(yàn)測得主梁的顫振臨界風(fēng)速為35.4 m/s，和原方案相比，顫振臨界風(fēng)速提高幅度為28%，由此可見，封閉中央開槽可以在一定程度上增強(qiáng)鋼桁梁橋的顫振穩(wěn)定性。但是和顫振檢驗(yàn)風(fēng)速相比，主梁的顫振臨界風(fēng)速仍然較低，不滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。

單獨(dú)通長布置不同高度的上中央穩(wěn)定板和下中央穩(wěn)定板，試驗(yàn)測得的主梁顫振臨界風(fēng)速見表3。由表3可知，對于下中央穩(wěn)定板，當(dāng)其高度達(dá)到主梁高度的30%時(shí)，顫振臨界風(fēng)速仍然低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，其抑振效果不明顯。對于上中央穩(wěn)定板，當(dāng)其高度達(dá)到主梁高度的17.1%時(shí)，顫振臨界風(fēng)速已大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，且顫振臨界風(fēng)速隨著其高度的增加逐漸提高。若定義顫振臨界風(fēng)速增長率β如下

β=(Ucr-Uco)/Uco

(3)

式中：Ucr為設(shè)置顫振穩(wěn)定措施后桁架梁的顫振臨界風(fēng)速，Uco為原斷面的顫振臨界風(fēng)速。顫振臨界風(fēng)速增長率隨下穩(wěn)定板高度的變化曲線如圖4所示。

表3 單獨(dú)設(shè)置中央穩(wěn)定板后主梁顫振臨界風(fēng)速

綜合表3數(shù)據(jù)以及圖4曲線變化規(guī)律可知，顫振臨界風(fēng)速增長率隨著上穩(wěn)定板高度的增加首先緩慢提升，當(dāng)h/H達(dá)到0.157左右時(shí)，臨界風(fēng)速急劇增長，當(dāng)h/H達(dá)到0.171至0.214中間的某一數(shù)值后，增長速率開始變緩。由此可以判斷，在單獨(dú)使用不同高度的上穩(wěn)定板抑振措施時(shí)，顫振臨界風(fēng)速隨著上穩(wěn)定板高度的增加成非線性變化，并且存在一個(gè)“敏感區(qū)間”。

圖4 上穩(wěn)定板高度對臨界風(fēng)速增長率的影響

為了考察中央穩(wěn)定板的封隔率對顫振臨界風(fēng)速的影響，沿橋梁縱向，對1.5 m高上穩(wěn)定板采用“隔一封三”即封隔率為75%時(shí)進(jìn)行了研究，試驗(yàn)測得顫振臨界風(fēng)速為35.9 m/s，遠(yuǎn)低于全部封閉時(shí)的顫振臨界風(fēng)速(68.2 m/s)。由此可知，在單獨(dú)設(shè)置上穩(wěn)定板抑振措施時(shí)，封隔率對其影響十分顯著。

3.2 組合措施研究

研究表明，在聯(lián)合使用不同的抑振措施時(shí)，其制振效果要明顯優(yōu)于單一抑振措施。因此有必要針對聯(lián)合使用抑振措施的情況下，研究其中某一抑振措施的參數(shù)變化對主梁顫振性能的影響。

在全封閉中央開槽的基礎(chǔ)上，設(shè)置不同高度的上中央穩(wěn)定板或下中央穩(wěn)定板，試驗(yàn)測得的主梁顫振臨界風(fēng)速見表4。根據(jù)表4，可繪制出相應(yīng)顫振臨界風(fēng)速增長率隨穩(wěn)定板高度的變化曲線，如圖5所示。

表4 全封閉中央開槽設(shè)置中央穩(wěn)定板后主梁的顫振臨界風(fēng)速

圖5 穩(wěn)定板高度對臨界風(fēng)速增長率的影響

通過對比表3和4數(shù)據(jù)可知，全封閉中央開槽和中央穩(wěn)定板聯(lián)合使用的抑振效果明顯優(yōu)于單獨(dú)使用中央穩(wěn)定板。由圖5可以看出，對于下中央穩(wěn)定板，顫振臨界風(fēng)速增長率隨著穩(wěn)定板高度的增加而逐漸提升，且增長過程可近似視為線性變化；對于上中央穩(wěn)定板，首先顫振臨界風(fēng)速增長率隨著中央穩(wěn)定板高度的增加迅速提升，當(dāng)h/H達(dá)到0.13后，增長速率開始變緩，當(dāng)達(dá)到0.17以后，增長率基本不變。在封閉中央開槽的前提下，對比上、下中央穩(wěn)定板可知，當(dāng)兩者處在相同高度時(shí)，上中央穩(wěn)定板的抑振效果要明顯優(yōu)于下中央穩(wěn)定板，但過高的上中央穩(wěn)定板對進(jìn)一步提高顫振臨界風(fēng)速是無宜的。

為了研究封槽板以及穩(wěn)定板封隔率對顫振臨界風(fēng)速的影響，分別測試了當(dāng)全封閉開槽以及間隔封閉開槽時(shí)，1.5 m高上穩(wěn)定板(與中央防撞欄桿等高)不同封隔率對主梁顫振臨界風(fēng)速的影響，其中間隔封閉開槽和間隔設(shè)置上穩(wěn)定板沿主梁縱向同步進(jìn)行。測試結(jié)果見表5。相應(yīng)的顫振臨界風(fēng)速增長率曲線見圖6。

表5封閉中央開槽間隔設(shè)置中央穩(wěn)定板后主梁的顫振臨界風(fēng)速

Tab.5Criticalflutterwindspeedsofmaingirderaftersettingthecentralstabilizeratintervalsandsealingcentralslot

氣動措施封槽板封隔率上穩(wěn)定板封隔率顫振臨界風(fēng)速/(m·s-1)全封閉開槽+間隔設(shè)置1.5 m上中央穩(wěn)定板間隔封閉開槽+間隔設(shè)置1.5 m上中央穩(wěn)定板100%50%60%75%50%46.160%54.775%67.7100%73.750%34.160%41.675%51.5

圖6 中央開槽及上穩(wěn)定板封隔率對臨界風(fēng)速增長率的影響

由表5可知，封槽板以及上穩(wěn)定板的封隔率均對顫振臨界風(fēng)速具有一定的影響。封槽率越高，主梁的顫振穩(wěn)定性能越好。從圖6可以看出，同時(shí)間隔封閉開槽和間隔封閉上穩(wěn)定板時(shí)，顫振臨界風(fēng)速的增長率隨著封隔率的提高幾乎成線性變化，而對于全封閉開槽情況，且上穩(wěn)定板的封槽率小于75%時(shí)，顫振臨界風(fēng)速的增長率成線性變化，當(dāng)超過75%后，其增長速率開始逐漸變緩。

針對全封閉中央開槽、不同高度的上中央穩(wěn)定板以及下中央穩(wěn)定板三種抑振措施組合開展研究。具體試驗(yàn)工況及結(jié)果見表6所示。根據(jù)表6結(jié)果繪制出下穩(wěn)定板為0.7 m時(shí)，不同高度的上穩(wěn)定板對應(yīng)的顫振臨界風(fēng)速增長率曲線，并將其結(jié)果和只加封槽板以及上穩(wěn)定板而無下穩(wěn)定板的情況相比較，如圖7所示。

表6封閉中央開槽設(shè)置上下中央穩(wěn)定板后主梁的顫振臨界風(fēng)速

Tab.6Criticalflutterwindspeedsofmaingirderafterusingtheupperandlowercentralstabilizerandsealingcentralslot

氣動措施下穩(wěn)定板高度/mh1/H上穩(wěn)定板高度/mh2/H顫振臨界風(fēng)速/(m·s-1)全封閉開槽+上中央穩(wěn)定板+下中央穩(wěn)定板0.710.0%0.57.1%0.45.7%41.10.57.1%48.90.68.6%56.80.710.0%64.30.57.1%47.20.68.6%54.7注:h1為下中央穩(wěn)定板高度,h2為上中央穩(wěn)定板高度

圖7 上穩(wěn)定板高度對臨界風(fēng)速增長率的影響

由表6可知，當(dāng)下穩(wěn)定板高度一定時(shí)，上穩(wěn)定板的高度對顫振臨界風(fēng)速影響十分顯著。對比圖7數(shù)據(jù)可知，當(dāng)加入0.7 m的下穩(wěn)定板后，顫振臨界風(fēng)速增長率較無下中央穩(wěn)定板時(shí)增長變快，兩者都近似呈線性變化，且下穩(wěn)定板措施的加入較大程度地提高了主梁的顫振穩(wěn)定性，且提高幅度隨著上穩(wěn)定板高度的增加逐漸變大。

為了研究三種氣動措施聯(lián)合使用時(shí)，中央穩(wěn)定板封隔率對顫振臨界風(fēng)速的影響，將中央開槽全封閉，通長設(shè)置1.0 m高下中央穩(wěn)定板，間隔設(shè)置不同封隔率的上穩(wěn)定板，試驗(yàn)結(jié)果見表7。由表7可知，在三種穩(wěn)定措施組合使用時(shí)，上穩(wěn)定板的封隔率對顫振臨界風(fēng)速的影響仍然很大。

圖8繪制了相應(yīng)的顫振臨界風(fēng)速增長率試驗(yàn)結(jié)果，并和無下中央穩(wěn)定板時(shí)全封閉開槽以及間隔設(shè)置不同封隔率的上中央穩(wěn)定板的試驗(yàn)結(jié)果相比較，由圖8可以看出，當(dāng)聯(lián)合使用1.0 m下穩(wěn)定板后，會在一定程度上削弱上穩(wěn)定板封隔率對主梁顫振穩(wěn)定性的影響。不同封隔率下顫振臨界風(fēng)速增長率均有一定的提高，但提高幅度會隨著上穩(wěn)定板的封隔率發(fā)生變化，當(dāng)上穩(wěn)定板的封隔率為60%時(shí)，提高幅度最大。

表7三種措施聯(lián)合使用時(shí)不同上穩(wěn)定板封隔率對應(yīng)的主梁顫振臨界風(fēng)速

Tab.7Criticalflutterwindspeedsofmaingirderwithdifferentsealingrateofuppercentralstabilizerwhensettingthreetypesofaerodynamicmeasurestogether

氣動措施上穩(wěn)定板封隔率顫振臨界風(fēng)速/(m·s-1)全封閉開槽+通長設(shè)置1.0 m下中央穩(wěn)定板+間隔設(shè)置1.5 m高上中央穩(wěn)定板50%48.360%61.275%71.0100%>75.3

圖8 上穩(wěn)定板封隔率對臨界風(fēng)速增長率的影響

4 顫振性能的驗(yàn)證

與節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)相比，全橋氣動彈性模型試驗(yàn)?zāi)軌蜉^為真實(shí)地模擬實(shí)橋的三維特性和結(jié)構(gòu)在大氣邊界層中的風(fēng)振響應(yīng)。為了驗(yàn)證以上穩(wěn)定措施節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果，綜合風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)構(gòu)及大橋的設(shè)計(jì)和施工等因素，以“全封閉開槽+通長設(shè)置1.0 m下中央穩(wěn)定板+間隔設(shè)置1.5 m上中央穩(wěn)定板(封隔率50%)”優(yōu)化方案為研究對象，進(jìn)行全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)。試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞進(jìn)行，模型縮尺比為1∶100，圖9為全橋氣彈模型。

在均勻流場中，分別對原斷面以及優(yōu)化斷面主梁成橋態(tài)進(jìn)行了顫振臨界風(fēng)速測試，并與節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

圖9 全橋氣彈模型

表8 不同試驗(yàn)方法對應(yīng)的主梁顫振臨界風(fēng)速

由表8可知，原斷面主梁成橋態(tài)，0°攻角的顫振臨界風(fēng)速大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，而+3°攻角下主梁顫振臨界風(fēng)速小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速；加入穩(wěn)定措施后，在0°和+3°攻角下，主梁顫振臨界風(fēng)速均有所提升，高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，滿足抗風(fēng)要求。全橋氣彈模型試驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

從表8中還可看出，全橋氣彈模型試驗(yàn)測得的顫振臨界風(fēng)速比節(jié)段模型試驗(yàn)值偏高，特別是在+3°攻角下兩者相差較多。產(chǎn)生該結(jié)果的原因可能是：全橋氣彈模型試驗(yàn)中存在多個(gè)模態(tài)參與振動，并且和節(jié)段模型試驗(yàn)相比較，其氣動力的跨向相關(guān)性也相對較低；此外，在接近顫振臨界風(fēng)速時(shí)風(fēng)速較高，在平均風(fēng)的作用下，主梁會產(chǎn)生較大并沿跨向發(fā)生變化的靜力扭轉(zhuǎn)角(附加攻角)，這將改變來流風(fēng)相對于橋面的有效攻角，進(jìn)一步地影響了橋梁的顫振臨界風(fēng)速。

5 結(jié) 論

本文通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對鋼桁梁懸索橋的顫振穩(wěn)定措施進(jìn)行了研究，并得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)封閉中央開槽時(shí)，會在一定程度上改善鋼桁梁的氣動穩(wěn)定性；單獨(dú)設(shè)置下中央穩(wěn)定板的制振效果不如單獨(dú)設(shè)置上中央穩(wěn)定板明顯。

(2) 單獨(dú)設(shè)置上中央穩(wěn)定板時(shí)，主梁顫振臨界風(fēng)速隨著上穩(wěn)定板高度的增加成非線性變化，并存在一個(gè)較為“敏感”的區(qū)間，上穩(wěn)定板的封隔率對其制振效果影響十分顯著。

(3)當(dāng)封閉中央開槽后，聯(lián)合上中央穩(wěn)定板的制振效果明顯優(yōu)于聯(lián)合下中央穩(wěn)定板；封槽板以及上穩(wěn)定板的封隔率均對顫振臨界風(fēng)速具有一定的影響，同時(shí)間隔封閉中央開槽和設(shè)置上中央穩(wěn)定板時(shí)，顫振臨界風(fēng)速增長率和封隔率幾乎成正比。

(4)當(dāng)三種抑振措施聯(lián)合使用時(shí)，下穩(wěn)定板措施的加入較大程度地提高了主梁的顫振穩(wěn)定性，且提高幅度隨著上穩(wěn)定板高度的增加逐漸變大；同時(shí)下穩(wěn)定板的加入在一定程度上削弱了上穩(wěn)定板封隔率對主梁顫振穩(wěn)定性的影響，其提高幅度會隨著上穩(wěn)定板的封隔率發(fā)生變化。