氣動(dòng)干擾對平行雙幅斷面氣動(dòng)導(dǎo)納影響研究

周 奇，朱樂東，任鵬杰，劉文江

(1．汕頭大學(xué) 土木工程系，廣東 汕頭 515063；2.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海 200092；3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；4.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065，5.天津市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

隨機(jī)抖振為大跨度橋梁在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的主要振動(dòng)形式之一，準(zhǔn)確預(yù)測大跨度橋梁抖振響應(yīng)至關(guān)重要。迄今，除風(fēng)洞試驗(yàn)方法外已有多種抖振響應(yīng)預(yù)測方法，如Davenport基于準(zhǔn)定常假設(shè)推導(dǎo)出抖振力表達(dá)式，并引入氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)考慮抖振力非定常效應(yīng)及紊流風(fēng)沿橋橫向的不完全相關(guān)性。因此氣動(dòng)導(dǎo)納準(zhǔn)確與否直接決定抖振響應(yīng)的預(yù)測精度。氣動(dòng)導(dǎo)納可通過實(shí)測或風(fēng)洞試驗(yàn)測試方法及經(jīng)驗(yàn)算式[1-7]獲得。基于機(jī)翼理論推導(dǎo)的解析解-Sears函數(shù)為常用氣動(dòng)導(dǎo)納表達(dá)式。

平行雙幅橋梁因通行能力大已在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用，但平行雙幅橋梁上下游斷面之間存在顯著氣動(dòng)干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致平行雙幅橋梁的氣動(dòng)特性與單幅橋梁明顯不同。氣動(dòng)干擾與上下游斷面之間距離有直接關(guān)系[8-10]，可使雙幅斷面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)與單幅斷面明顯不同，更易發(fā)生渦激共振，渦振幅度會(huì)更大[11-12]，氣動(dòng)干擾效應(yīng)亦會(huì)影響氣動(dòng)導(dǎo)納。此外，紊流據(jù)其產(chǎn)生原因可分為來流紊流與特征紊流，特征紊流結(jié)構(gòu)外形依賴性較高，平行雙幅橋的氣動(dòng)干擾會(huì)增強(qiáng)氣流中特征紊流成分，加大特征紊流對氣動(dòng)導(dǎo)納的貢獻(xiàn)。由于氣動(dòng)導(dǎo)納經(jīng)驗(yàn)公式與Sears函數(shù)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(shí)際工程-天津塘沽海河大橋?yàn)楸尘埃捎霉?jié)段模型測力方法對雙幅斷面氣動(dòng)導(dǎo)納進(jìn)行測試，研究不同斷面間距、不同斷面外形的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對氣動(dòng)導(dǎo)納影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

天津塘沽海河大橋(簡稱既有橋)為獨(dú)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(fēng)嘴)，主梁高3 m，主塔高167.2 m。拓寬擴(kuò)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(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面寬22 m(不含風(fēng)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(jié)段模型中開、閉口箱梁測量段(單位：mm)

本文采用剛體節(jié)段模型測力方法進(jìn)行氣動(dòng)導(dǎo)納測試，試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-2大型邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為3.0 m(寬)×2.5 m(高)×15 m(長)，最大風(fēng)速68 m/s。試驗(yàn)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(yàn)風(fēng)攻角為0°，試驗(yàn)風(fēng)速12 m/s，試驗(yàn)風(fēng)場紊流度15%。為研究不同斷面產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾對氣動(dòng)導(dǎo)納影響，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況模型狀態(tài)見表1。為研究不同斷面間距產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾對氣動(dòng)導(dǎo)納影響，對工況SSB七種間距的氣動(dòng)導(dǎo)納進(jìn)行測試，試驗(yàn)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(yàn)工況及簡稱

圖3 TJ-2風(fēng)洞中節(jié)段模型

節(jié)段模型由測量段與補(bǔ)償段組成，見圖3。測量段位于下部，補(bǔ)償段位于上部。試驗(yàn)開始前先安裝固定于風(fēng)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(bǔ)償段模型；將兩五分量天平分別固定于鋁制導(dǎo)軌上，鋁制導(dǎo)軌固定于風(fēng)洞地板表面。測力天平可通過導(dǎo)軌中間滑槽滑動(dòng)，便于改變上下游主梁斷面間距。為減少風(fēng)洞地面邊界層效應(yīng)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(yàn)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(bǔ)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(jīng)測試開口斷面模型平面內(nèi)基本頻率為58 Hz，平面外基本頻率33 Hz，扭轉(zhuǎn)基本頻率82 Hz；閉斷面模型平面內(nèi)基本頻率50 Hz，平面外基本頻率33 Hz，扭轉(zhuǎn)基本頻率71 Hz。所有頻率均遠(yuǎn)大于15 Hz，可確保主梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納有效換算頻率超過實(shí)橋第三階豎彎頻率。

2 等效氣動(dòng)導(dǎo)納識別方法

在多種氣動(dòng)導(dǎo)納識別方法[13-17]中等效氣動(dòng)導(dǎo)納因識別方法簡單被廣泛應(yīng)用。本文給出的氣動(dòng)導(dǎo)納測試結(jié)果均為等效氣動(dòng)導(dǎo)納(簡稱氣動(dòng)導(dǎo)納或EAA)。據(jù)準(zhǔn)定常理論，等效氣動(dòng)導(dǎo)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(dá)式[13]為

(1)

(2)

(3)

3 不同結(jié)構(gòu)外形對氣動(dòng)導(dǎo)納影響

3.1 相同斷面對不同斷面氣動(dòng)干擾效應(yīng)

圖4 不同氣動(dòng)外形上游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對比

圖5 不同氣動(dòng)外形下游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對比

綜合圖4、圖5比較結(jié)果知，氣動(dòng)干擾效應(yīng)的存在使雙幅斷面中上游斷面與下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納均與單幅狀態(tài)有一定差別，表現(xiàn)在阻力氣動(dòng)導(dǎo)納實(shí)測值尤其顯著。相同斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)相似，會(huì)迫使不同斷面呈現(xiàn)相似的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征。

3.2 不同斷面對相同斷面的氣動(dòng)干擾效應(yīng)

圖6 下游橋斷面不同時(shí)開口箱梁斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納對比

綜合圖6、圖7比較結(jié)果知，斷面不同產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)不同，即使受干擾的為相同斷面亦會(huì)呈現(xiàn)不同的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征，而不同斷面對上游斷面影響主要體現(xiàn)在阻力氣動(dòng)導(dǎo)納上，對下游斷面影響主要體現(xiàn)在升力氣動(dòng)導(dǎo)納上。

4 不同間距對氣動(dòng)導(dǎo)納影響

4.1 對上游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納影響

圖8 不同間距下工況SSB上游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對比

圖9 不同間距時(shí)工況SSB上游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對比

4.2 對下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納的影響

綜合圖8、圖9對比結(jié)果，由于氣動(dòng)干擾效應(yīng)對上游斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納影響不顯著，不同間距下氣動(dòng)導(dǎo)納未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。而對下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納而言，隨間距的增大氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響減弱，且間距足夠大時(shí)氣動(dòng)干擾效應(yīng)可忽略不計(jì)。此現(xiàn)象在阻力及升力矩氣動(dòng)導(dǎo)納上表現(xiàn)較明顯。

5 結(jié) 論

本文采用節(jié)段模型測力方法對平行雙幅橋上下游斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)測，通過對比分析不同結(jié)構(gòu)外形產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾對上下游斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納影響及不同斷面間距時(shí)氣動(dòng)干擾對上下游斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納影響規(guī)律，結(jié)論如下：

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

(2) 相同斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)相似，會(huì)迫使不同斷面呈現(xiàn)相似的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征。不同斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)不同，即使相同斷面亦會(huì)呈現(xiàn)不同的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征。

(3) 由于下游斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾對上游斷面影響較弱，不同間距的上游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納無明顯變化規(guī)律。

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

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