縱向肋條對(duì)斜拉索氣動(dòng)力和渦激振動(dòng)特性影響的試驗(yàn)研究

常 幸, 孫一飛, 邵林媛, 劉慶寬,2,3

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,石家莊 050043;2. 石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050043;3. 河北省風(fēng)工程和風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心,石家莊 050043)

隨著斜拉橋跨度的逐漸增大,斜拉索上的風(fēng)荷載對(duì)全橋的貢獻(xiàn)也越來(lái)越大。例如蘇通長(zhǎng)江公路大橋,斜拉索的風(fēng)荷載對(duì)于主梁位移及內(nèi)力的貢獻(xiàn),占到全橋風(fēng)荷載的60%～70%[1]。同時(shí),由于斜拉索的阻尼低、質(zhì)量輕、剛度小,極易發(fā)生不同種類的風(fēng)致振動(dòng)。頻繁發(fā)生的風(fēng)致振動(dòng)可能造成斜拉索連接件的疲勞損傷,嚴(yán)重時(shí)甚至影響斜拉索的正常使用壽命。因此,如何有效地抑制斜拉索的風(fēng)致振動(dòng),成為橋梁抗風(fēng)研究的重要課題[2-4]。

斜拉索風(fēng)雨振由于振幅大、危害嚴(yán)重,受到學(xué)者和工程界的廣泛關(guān)注,采用的振動(dòng)控制措施有三類,分別是結(jié)構(gòu)措施、機(jī)械措施和氣動(dòng)措施,其中,氣動(dòng)措施效果較好,造價(jià)較低,應(yīng)用廣泛。氣動(dòng)措施施主要是通過(guò)調(diào)整斜拉索的截面形狀和表面狀態(tài),從而改變斜拉索的繞流狀態(tài)和氣動(dòng)特性,進(jìn)而減小風(fēng)致振動(dòng)。目前最常采用的氣動(dòng)措施有斜拉索表面纏繞螺旋線、設(shè)置縱向肋條、設(shè)置凹坑等[5]。

與其他氣動(dòng)措施相比,設(shè)置縱向肋條具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、方便安裝和耐久性良好等優(yōu)點(diǎn)。針對(duì)縱向肋條的作用,國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究,Matsumoto等[6]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),縱向肋條措施可以阻礙近尾流區(qū)二次軸向流的產(chǎn)生,從而保持斜拉索的穩(wěn)定性;胡圣江等[7]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),縱向肋條可以把斜拉索表面的水膜分割成許多小水線,從而阻礙風(fēng)雨振的產(chǎn)生;李文勃等[8]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),螺旋線和縱向肋條的減振效果優(yōu)于橢圓環(huán);Hung等[9]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn),縱向肋條措施可以同時(shí)有效地抑制風(fēng)雨激振和干索馳振;畢繼紅等[10-11]通過(guò)數(shù)值模擬的研究發(fā)現(xiàn),縱向肋條通過(guò)阻礙上水線的形成,從而抑制斜拉索的大幅度振動(dòng),但當(dāng)拉索表面縱向肋條數(shù)量過(guò)少時(shí),反而會(huì)增大拉索振幅。

目前針對(duì)縱向肋條的研究,主要集中在控制風(fēng)雨振方面。最近研究發(fā)現(xiàn),無(wú)氣動(dòng)措施或采用了氣動(dòng)措施的斜拉索,其渦激振動(dòng)的問(wèn)題受到越來(lái)越多的關(guān)注,Lankin等[12-13]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)觀察到在無(wú)雨中等風(fēng)速下,斜拉索存在明顯的高階渦激振動(dòng);劉志文等[14]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)證明在低阻尼條件下雙螺旋線斜拉索存在明顯的渦激振動(dòng)現(xiàn)象;Chen等[15]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了6.08 m長(zhǎng)的斜拉索在不同風(fēng)廓線下的渦激振動(dòng)特性,結(jié)果表明在不同的風(fēng)廓線下,斜拉索經(jīng)常發(fā)生單模態(tài)或者多模態(tài)渦激振動(dòng)。

同時(shí),設(shè)置縱向肋條后斜拉索的氣動(dòng)力特性如何,如何找到既能抑制振動(dòng)(既包括風(fēng)雨振,也包括渦激振動(dòng))、氣動(dòng)阻力又小的肋條參數(shù),對(duì)于研究和工程設(shè)計(jì)均具有參考意義。基于上述問(wèn)題,本研究通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn),研究了不同肋條參數(shù)對(duì)斜拉索氣動(dòng)力和渦激振動(dòng)的影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)介紹

根據(jù)實(shí)際斜拉橋斜拉索的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明:斜拉索直徑一般在100～200 mm內(nèi),同時(shí)考慮風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸、阻塞度和邊界層等方面的要求,確定風(fēng)洞試驗(yàn)采用直徑D為150 mm,長(zhǎng)度L為1 700 mm斜拉索作為試驗(yàn)?zāi)Ｐ?分別進(jìn)行了測(cè)壓、測(cè)力和測(cè)振試驗(yàn)。

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心STU-1風(fēng)洞進(jìn)行,其中的測(cè)振試驗(yàn)在低速試驗(yàn)段進(jìn)行,其試驗(yàn)段寬4.4 m,高3.0 m,長(zhǎng)24.0 m,空風(fēng)洞最大風(fēng)速≥30 m/s,湍流度≤0.4%;測(cè)壓和測(cè)力試驗(yàn)在高速試驗(yàn)段進(jìn)行,其試驗(yàn)段寬2.2 m,高3.0 m,長(zhǎng)5.0 m,空風(fēng)洞最大風(fēng)速≥80 m/s,湍流度≤0.2%[16]。

如上三類試驗(yàn)的模型尺寸相同,采用有機(jī)玻璃管加工而成,保證表面的光滑程度與實(shí)際工程中新架設(shè)的斜拉索接近。在模型中心設(shè)置了具有足夠剛度的鋼管,鋼管和有機(jī)玻璃管之間通過(guò)系列環(huán)向加勁肋連接,保證使模型具有足夠的剛度。模型沿軸向布置5圈測(cè)壓孔,分別為A,B,C,D,E,每圈均勻布置36個(gè)測(cè)壓點(diǎn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y(cè)壓孔布置圖如圖1和圖2所示。

圖1 展向測(cè)壓孔位置示意圖(mm)Fig.1 Diagram of spanwise pressure hole position (mm)

圖2 環(huán)向測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.2 Diagram of circular measuring points

縱向肋條沿斜拉索模型布置情況如圖3所示,肋條高度和寬度均為5 mm,長(zhǎng)度為1 700 mm。試驗(yàn)分為兩部分:其一是預(yù)試驗(yàn),在較大的肋條角度變化范圍內(nèi)尋找可以控制渦激振動(dòng)的角度范圍,預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明大于60°夾角時(shí),肋條已經(jīng)無(wú)法很好的控制斜拉索的渦激振動(dòng);其二是精確測(cè)試試驗(yàn),在預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,對(duì)可以控制斜拉索渦激振動(dòng)的肋條角度范圍進(jìn)行精細(xì)化研究。因此,此次試驗(yàn)選取α變化范圍為0°～60°,每次間隔5°。為方便描述試驗(yàn)結(jié)果,用“位置”的方式對(duì)工況進(jìn)行簡(jiǎn)化表示,例如5°即代表肋條位置α=5°。

圖3 肋條位置示意圖Fig.3 Position diagram of ribs

測(cè)力和測(cè)壓試驗(yàn)在高速試驗(yàn)段進(jìn)行,模型兩端安裝了補(bǔ)償模型和5倍斜拉索模型直徑的圓形端板,在模型兩端各安裝一個(gè)測(cè)力天平,模型通過(guò)內(nèi)置鋼管連接到風(fēng)洞外部的剛臂上。補(bǔ)償模型位于斜拉索模型兩端,直徑與斜拉索模型相同,同斜拉索模型之間留有2 mm 左右的空隙,作用一是和端板共同作用,減弱端部效應(yīng)[17-18],作用二是支撐端板,可以保證補(bǔ)償模型和端板的氣動(dòng)力不會(huì)傳遞到斜拉索模型上。高速試驗(yàn)段阻塞度為5.8%,測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果采用改進(jìn)的Maskell法進(jìn)行阻塞度修正。斜拉索受到的橫風(fēng)向力和順風(fēng)向力通過(guò)測(cè)力天平測(cè)得,天平量程為±330 N,測(cè)量精度為滿量程的0.125%,采樣頻率為1 500 Hz,采樣時(shí)間30 s。模型表面通過(guò)電子壓力掃描閥測(cè)得,掃描閥量程為±2 500 Pa,測(cè)量精度為滿量程的0.15%,采樣頻率為330 Hz,采樣時(shí)間60 s。高速試驗(yàn)段的模型實(shí)物圖和示意圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 高速試驗(yàn)段模型安裝情況Fig.4 Installation of high-speed test section model

圖5 高速試驗(yàn)段模型安裝示意圖Fig.5 Installation diagram of high-speed test section model

圖6是無(wú)肋條索的平均阻力系數(shù)修正前后的對(duì)比。由圖6可得,阻塞度會(huì)使無(wú)肋條索的平均阻力系數(shù)增大,且在低雷諾數(shù)下阻塞度對(duì)平均阻力系數(shù)的影響更為明顯,有必要對(duì)測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行阻塞度修正。因此,后文中的測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果均進(jìn)行了阻塞度修正。

圖6 無(wú)肋條索的平均阻力系數(shù)修正前后對(duì)比Fig.6 Comparison of mean drag force coefficients of non-ribbed cable before and after modification

測(cè)振試驗(yàn)在低速試驗(yàn)段進(jìn)行,使用的端板與高速試驗(yàn)段一致。模型兩端分別通過(guò)4根豎向彈簧連接在剛性框架上,兩側(cè)框架對(duì)稱布置,如圖7所示。模型、端板、連接件和彈簧等組成振動(dòng)系統(tǒng)。在連接件端部位置處安裝激光位移計(jì)測(cè)試振動(dòng)位移,量程為120±6 mm,采樣頻率為1 000 Hz,采樣時(shí)間30 s。振動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)如表1所示。

表1 振動(dòng)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of vibration system

圖7 低速試驗(yàn)段模型安裝情況Fig.7 Installation of low-speed test section model

2 縱向肋條對(duì)斜拉索平均風(fēng)壓分布的影響

測(cè)壓試驗(yàn)中采用平均風(fēng)壓系數(shù)作為風(fēng)荷載描述的無(wú)量綱參數(shù),其表達(dá)式為

(1)

式中:Cp,mean為模型表面i號(hào)測(cè)壓孔平均風(fēng)壓系數(shù);p(i)(t)為i號(hào)測(cè)壓孔在t時(shí)刻的平均壓力;i為測(cè)壓孔編號(hào),1～36;P為來(lái)流靜壓;U為來(lái)流平均風(fēng)速,通過(guò)安裝在斜拉索模型上游的眼鏡蛇風(fēng)速儀測(cè)得。

試驗(yàn)中雷諾數(shù)為流體黏性力與慣性力之比,其表達(dá)式為

(2)

式中:D為模型特征尺寸,文中取為斜拉索直徑,150 mm;μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù);ν為運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù); 通過(guò)溫濕度計(jì)和壓強(qiáng)計(jì)讀取溫度、濕度以及壓強(qiáng)算出μ和ν; 此次試驗(yàn)通過(guò)改變風(fēng)速來(lái)改變雷諾數(shù)。

將模型表面的5圈測(cè)壓點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比,確認(rèn)結(jié)果的一致性,驗(yàn)證模型的二維性、風(fēng)場(chǎng)的均一性等指標(biāo)。選用模型中間C圈測(cè)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

圖8是無(wú)肋條索(光索)的平均風(fēng)壓系數(shù)與已有研究結(jié)果[19-20]的對(duì)比。整體而言,無(wú)肋條索的環(huán)向平均風(fēng)壓分布變化趨勢(shì)基本相同,由于風(fēng)洞阻塞率、雷諾數(shù)和模型參數(shù)等方面的影響,其數(shù)值大小略有差異。

圖8 無(wú)肋條索的平均風(fēng)壓系數(shù)對(duì)比Fig.8 Comparison of average wind pressure coefficient of non-ribbed cable

圖9是無(wú)肋條索環(huán)向平均風(fēng)壓系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。隨著雷諾數(shù)的增大,無(wú)肋條索周圍流體流動(dòng)依次經(jīng)歷了亞臨界區(qū)(見圖9中Re=1.05×105～2.04×105),單分離泡區(qū)(見圖9中Re=3.29×105～3.71×105)和雙分離泡區(qū)(見圖9中Re=4.16×105)[21]。在不同流動(dòng)狀態(tài)下,無(wú)肋條索的環(huán)向風(fēng)壓分布呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn):在亞臨界區(qū),平均風(fēng)壓分布基本對(duì)稱,尾部壓力系數(shù)約為-1.5;在單分離泡區(qū),平均風(fēng)壓分布不再對(duì)稱,一側(cè)最小風(fēng)壓系數(shù)急劇降低,且在該側(cè)產(chǎn)生分離泡,尾部壓力系數(shù)增大至-0.7左右,尾流區(qū)逐漸變窄,此時(shí)出現(xiàn)非零的平均升力系數(shù),且平均阻力系數(shù)急劇減小;在雙分離泡區(qū),另一側(cè)也出現(xiàn)轉(zhuǎn)捩形成的分離泡,平均風(fēng)壓分布再次回歸對(duì)稱分布,尾部壓力系數(shù)增大至-0.5左右。

圖9 無(wú)肋條索的平均風(fēng)壓系數(shù)Fig.9 Average wind pressure coefficient of non-ribbed cable

圖10是不同肋條位置下斜拉索的平均風(fēng)壓系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律。整體來(lái)看,隨著肋條位置α的增大,雷諾數(shù)對(duì)斜拉索模型表面平均風(fēng)壓分布影響逐漸減小,即雷諾數(shù)效應(yīng)逐漸消失。

圖10 不同肋條位置下斜拉索的平均風(fēng)壓系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律Fig.10 The variation law of average wind pressure coefficient of stay cable with Re under different rib’s positions

不同位置的肋條,導(dǎo)致對(duì)斜拉索模型環(huán)向風(fēng)壓分布產(chǎn)生不同的影響。肋條位置α=5°～20°時(shí),斜拉索平均風(fēng)壓系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律與無(wú)肋條索的結(jié)果基本一致。對(duì)于斜拉索環(huán)向平均風(fēng)壓系數(shù)不對(duì)稱狀態(tài)開始的雷諾數(shù)數(shù)值,有肋條的比無(wú)肋條的小,大位置的比小位置的小,例如,無(wú)肋條索在Re=3.29×105時(shí)環(huán)向平均風(fēng)壓分布開始不對(duì)稱,5°位置風(fēng)壓不對(duì)稱開始的Re=2.50×105,而15°位置為Re=2.05×105。

肋條位置大于25°時(shí),雷諾數(shù)對(duì)平均風(fēng)壓系數(shù)沒有明顯影響,可能是因?yàn)榱黧w在模型表面的分離位置被肋條固定導(dǎo)致的;肋條位置α=25°～45°時(shí),肋條對(duì)周圍測(cè)壓孔的影響范圍比較大,表現(xiàn)為肋條周圍的風(fēng)壓會(huì)產(chǎn)生突變,肋條前后約10°位置處,平均風(fēng)壓系數(shù)有所增大。

3 縱向肋條對(duì)斜拉索氣動(dòng)力特性的影響

在測(cè)力試驗(yàn)中,斜拉索的升力和阻力直接通過(guò)測(cè)力天平測(cè)得,然后無(wú)量綱處理為升、阻力系數(shù),計(jì)算公式為

(3)

(4)

式中:CD(t)和CL(t)分別為阻力系數(shù)和升力系數(shù)時(shí)程;FD(t)和FL(t)分別為阻力和升力時(shí)程。將CD(t)和CL(t)的平均值定義為平均阻力系數(shù)和平均升力系數(shù),分別記為CD,mean和CL,mean。

圖11是肋條位置α=5°～30°時(shí)斜拉索和無(wú)肋條索平均氣動(dòng)力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化。對(duì)于無(wú)肋條索,隨著雷諾數(shù)的增大,平均阻力系數(shù)曲線經(jīng)歷了一次劇烈的下降。在亞臨界雷諾數(shù)區(qū)(Re≈1.00×105～1.80×105)無(wú)肋條索的平均阻力系數(shù)約為1.1,由于流場(chǎng)的對(duì)稱性,這時(shí)平均升力系數(shù)基本為0。

圖11 當(dāng)肋條位置α=5°～30°時(shí)斜拉索和無(wú)肋條索平均氣動(dòng)力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化Fig.11 Variation of mean aerodynamic coefficients of stay cables and non-ribbed cables with Re when rib’s position α=5°-30°

隨著雷諾數(shù)的增大,當(dāng)Re≈1.90×105～3.25×105時(shí),阻力系數(shù)急劇下降,這時(shí)模型出現(xiàn)非零的升力系數(shù); 當(dāng)Re≈3.30×105～4.05×105時(shí),平均氣動(dòng)力系數(shù)出現(xiàn)一段穩(wěn)定的平臺(tái)區(qū),模型的阻力和升力均值會(huì)持續(xù)穩(wěn)定。

當(dāng)肋條位置α=5°～30°時(shí),斜拉索的平均氣動(dòng)力系數(shù)整體變化趨勢(shì)與無(wú)肋條索基本一致,但平均阻力系數(shù)均小于無(wú)肋條索;隨著位置α增大,阻力衰減提前出現(xiàn),并且在低雷諾數(shù)下出現(xiàn)平均升力系數(shù);同時(shí),隨著位置的增大,平均阻力系數(shù)和平均升力系數(shù)的穩(wěn)定范圍逐漸變寬,且平均阻力系數(shù)的穩(wěn)定值逐漸增大,平均升力系數(shù)的逐漸穩(wěn)定至0左右,例如當(dāng)肋條位置α由20°增大至30°時(shí),平均阻力系數(shù)的穩(wěn)定值由0.5增大至0.6左右;平均升力系數(shù)的穩(wěn)定數(shù)值則由0.3減小至0附近。

圖12是肋條位置α=35°～60°時(shí)斜拉索和無(wú)肋條索平均氣動(dòng)力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化。整體來(lái)看,平均氣動(dòng)力系數(shù)不隨雷諾數(shù)發(fā)生改變,與平均風(fēng)壓系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化特點(diǎn)一致。

圖12 當(dāng)肋條位置α=35°～60°時(shí)斜拉索和無(wú)肋條索平均氣動(dòng)力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化Fig.12 Variation of mean aerodynamic coefficients of stay cables and non-ribbed cables with Re when rib’s position α=35°-60°

當(dāng)肋條位置α=35°～60°時(shí),隨著位置的增大,平均阻力系數(shù)由0.6增大至1.7左右;當(dāng)位置為60°時(shí)平均阻力系數(shù)達(dá)到最大值。在肋條位置α=40°,α=50°和α=60°時(shí),斜拉索平均升力系數(shù)分別約為0.2和0.3,0.1,而在其他位置下,平均升力系數(shù)均穩(wěn)定在0附近,這些結(jié)果同斜拉索表面風(fēng)壓系數(shù)的分布規(guī)律是一致的。

4 縱向肋條對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)特性的影響

圖13是無(wú)肋條索的渦激振動(dòng)無(wú)量綱振幅A/D(A為振動(dòng)位移時(shí)程的根方差,D為斜拉索模型直徑)隨折減風(fēng)速U/fD的變化,無(wú)肋條索的渦激振動(dòng)發(fā)生在U/fD=4.63～7.03內(nèi),在此鎖定區(qū)間內(nèi),最大無(wú)量綱振幅約為A/D=0.123,對(duì)應(yīng)的折減風(fēng)速為5.84。

圖13 無(wú)肋條索的渦激振動(dòng)無(wú)量綱位移隨折減風(fēng)速的變化Fig.13 Variation of dimensionless displacement of vortex-induced vibration of non-ribbed cable with reduced wind speed

圖14是典型折減風(fēng)速下無(wú)肋條索渦激振動(dòng)的位移時(shí)程和功率譜密度(power spectral density,PSD),分別為剛進(jìn)入渦激鎖定區(qū)間時(shí)、最大振幅和剛退出渦激鎖定區(qū)間時(shí),對(duì)應(yīng)圖13中的分析點(diǎn)1～3。從圖14中可以看出: 當(dāng)U/fD=5.84時(shí),振動(dòng)位移隨著時(shí)間變化非常穩(wěn)定,接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線;而當(dāng)U/fD=4.63和U/fD=7.03時(shí),振動(dòng)位移的幅值隨時(shí)間發(fā)生明顯的變化,三個(gè)折減風(fēng)速下的PSD均保持著相同的卓越頻率3.29 Hz,與振動(dòng)系統(tǒng)的自振頻率一致。同時(shí),可以觀察到,除了卓越頻率3.29 Hz外,在4.2 Hz和5.3 Hz處也有兩個(gè)小的頻譜峰值(在U/fD=5.84時(shí)更為明顯),Raghavan等[22-25]在風(fēng)洞試驗(yàn)中均觀察到該現(xiàn)象,并分析其原因認(rèn)為是由于振動(dòng)系統(tǒng)非線性特性的振動(dòng)頻率引起的。

圖14 典型折減風(fēng)速下無(wú)肋條索渦激振動(dòng)位移時(shí)程與PSDFig.14 Displacement time history and PSD of vortex-induced vibration of non-ribbed cable under typical reduced wind speed

為了定量分析肋條位置對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)的控制效果,定義最大振幅降低率NE1和鎖定區(qū)間減小率NE2如下

(5)

(6)

式中:AM為無(wú)肋條索振動(dòng)位移時(shí)程的根方差最大值;AGM為不同肋條位置下斜拉索模型振動(dòng)位移時(shí)程的根方差最大值;IM為無(wú)肋條索鎖定區(qū)間的范圍;IGM為不同肋條位置下斜拉索鎖定區(qū)間的范圍。由式(5)和式(6)可以得到,無(wú)肋條索的NE1和NE2均為0,NE1或NE2>0代表肋條對(duì)斜拉索的渦激振動(dòng)有抑制作用,NE1或NE2<0則表示肋條對(duì)渦激振動(dòng)有放大作用。

圖15分別是肋條位置α=5°～30°時(shí),斜拉索渦激振動(dòng)無(wú)量綱位移隨折減風(fēng)速的變化、肋條位置對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)最大振幅的影響和肋條位置對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間的影響。

圖15 當(dāng)肋條位置α=5°～30°時(shí)斜拉索渦激振動(dòng)的變化情況Fig.15 Variation of vortex-induced vibration of stay cables with rib’s position α=5°-30°

由圖15(a)可知,有肋條斜拉索的渦激振動(dòng)響應(yīng)與無(wú)肋條索較為接近:未進(jìn)入振動(dòng)區(qū)間時(shí),無(wú)量綱振幅A/D基本為零;進(jìn)入振動(dòng)區(qū)間后,A/D隨U/fD的增大逐漸增大,達(dá)到最大振幅后,A/D隨U/fD的增大逐漸減小;退出振動(dòng)區(qū)間后,A/D再次回歸至零附近。

由圖15(b)和圖15(c)可知,在肋條位置α=5°～30°時(shí),布置肋條后斜拉索渦激振動(dòng)的最大振幅均有所減小,其中20°時(shí)最大振幅減小最少,約為5.7%,在其他肋條位置下,最大振幅均減小約為20%。同時(shí),肋條位置為15°時(shí),肋條放大了斜拉索渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間,其余位置下的肋條均在一定程度上縮短了斜拉索渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間。在此類肋條位置下斜拉索的渦激振動(dòng)變化范圍并不太明顯。

圖16分別是肋條位置α=35°～60°時(shí),斜拉索渦激振動(dòng)無(wú)量綱位移隨折減風(fēng)速的變化、肋條位置對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)最大振幅的影響和肋條位置對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間的影響。

圖16 當(dāng)肋條位置α=35°～60°時(shí)斜拉索渦激振動(dòng)的變化情況Fig.16 Variation of vortex-induced vibration of stay cables with rib’s position α=35°-60°

由圖16(a)可知,在肋條位置α=35°～50°時(shí),隨著位置的增大,斜拉索渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間逐漸向低風(fēng)速方向移動(dòng),當(dāng)55°時(shí),渦激振動(dòng)被完全抑制。

由圖16(a)和圖16(c)可知,在肋條位置α=35°～60°時(shí),肋條的出現(xiàn)均對(duì)斜拉索渦激振動(dòng)的最大振幅均有所抑制。其中55°時(shí)完全不會(huì)振動(dòng),40°最大振幅減小約為40%,在其他肋條位置下,最大振幅均減小約為22%。在35°和40°時(shí),渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間有所放大,在45°和50°時(shí),渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間均有減小,在60°時(shí)渦激振動(dòng)的鎖定區(qū)間范圍被擴(kuò)大約116%。

5 結(jié) 論

針對(duì)設(shè)置不同參數(shù)縱向肋條的斜拉索,通過(guò)測(cè)壓試驗(yàn)、測(cè)力試驗(yàn)和渦激振動(dòng)試驗(yàn),研究了不同肋條位置下斜拉索的氣動(dòng)力和渦激振動(dòng)變化情況,得到如下結(jié)論:

(1) 當(dāng)布置的肋條位置α<25°時(shí),斜拉索平均風(fēng)壓系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律與無(wú)肋條索的結(jié)果基本一致;而當(dāng)布置的肋條位置α≥25°時(shí),雷諾數(shù)對(duì)斜拉索的風(fēng)壓分布基本沒有影響。

(2) 當(dāng)布置的肋條位置α=5°～30°時(shí),斜拉索的平均阻力系數(shù)均小于無(wú)肋條索,隨著位置α的增大,阻力衰減提前出現(xiàn),并且在低雷諾數(shù)下出現(xiàn)平均升力系數(shù)。

(3) 當(dāng)布置的肋條位置α=35°～60°時(shí),斜拉索平均氣動(dòng)力系數(shù)不隨雷諾數(shù)發(fā)生改變,隨著位置α的增大,當(dāng)位置為60°時(shí)斜拉索平均阻力系數(shù)達(dá)到最大值,約為1.7。

(4) 與無(wú)肋條索相比,設(shè)置縱向肋條的斜拉索渦激振動(dòng)最大振幅均有所降低,其中當(dāng)肋條位置為55°時(shí),斜拉索的渦激振動(dòng)被完全抑制,可以運(yùn)用在實(shí)際工程以抑制斜拉索及相關(guān)細(xì)長(zhǎng)柱體結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng);但當(dāng)位置為60°時(shí),斜拉索的渦激振動(dòng)鎖定區(qū)間會(huì)被放大,在實(shí)際工程中應(yīng)充分考慮這一現(xiàn)象。

(5) 目前針對(duì)0°風(fēng)攻角下縱向肋條對(duì)斜拉索氣動(dòng)力和渦激振動(dòng)特性的影響進(jìn)行了研究,可為實(shí)際工程中特定來(lái)流下的結(jié)構(gòu)減振提供參考。同時(shí),在實(shí)際工程中來(lái)流可能來(lái)自任意角度,為此,后續(xù)繼續(xù)研究任意風(fēng)向下縱向肋條對(duì)斜拉索氣動(dòng)特性影響是有必要的。