斜拉索風雨激振試驗新裝置的設計與應用

劉小兵， 陳 帥， 鄭云飛， 劉慶寬， 馬文勇

(1. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所, 石家莊 050043；2. 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室, 石家莊 050043； 3. 石家莊鐵道大學 土木工程學院, 石家莊 050043)

斜拉索風雨激振試驗新裝置的設計與應用

劉小兵1,2， 陳 帥3， 鄭云飛3， 劉慶寬1,2， 馬文勇1,2

(1. 石家莊鐵道大學 大型結構健康診斷與控制研究所, 石家莊 050043；2. 河北省大型結構健康診斷與控制重點實驗室, 石家莊 050043； 3. 石家莊鐵道大學 土木工程學院, 石家莊 050043)

針對石家莊鐵道大學回直流可變大氣邊界層風洞，設計了一種用于斜拉索風雨激振試驗的新裝置，介紹了該裝置的各組成部分及工作原理。應用該裝置開展了一系列的風雨激振風洞試驗，研究了斜拉索的傾角、降雨強度、來流風偏角和來流風速等參數對斜拉索風雨激振的影響。試驗結果表明，該裝置不僅可以比較方便地調節斜拉索的傾角和斜拉索與來流風之間的偏角，而且可以實現自然雨滴特性的模擬和雨量的控制；針對選定的直徑為155 mm的斜拉索，在傾角為25°、 風偏角為35°、 降雨強度為10 mm/h、 風速為13 m/s左右的條件下，斜拉索風雨激振的幅度最大。

斜拉索； 風雨激振； 試驗裝置； 風洞試驗

斜拉索風雨激振是在特定的風雨條件下斜拉索發生的一種大幅振動。國內外許多大跨度橋梁，如美國的Fred Hartman大橋、日本的明港西(Meiko-nishi)大橋、我國的楊浦大橋、南京長江二橋、岳陽洞庭湖大橋等都曾發生過斜拉索風雨激振現象。由于振幅大、破壞嚴重，風雨激振已經成為近年來大跨度斜拉橋設計中最為關注的問題之一。

近20多年來，國內外許多研究人員分別通過理論分析、現場實測、風洞試驗及數值模擬等手段對斜拉索風雨激振問題進行了研究。由于能夠有效調節各種參數，人工模擬降雨風洞試驗常用來進行斜拉索風雨激振的影響參數研究與振動機理分析。Hikami等[1]利用圖1(a)所示的裝置進行了人工降雨風洞試驗，首次再現了斜拉索風雨激振現象。顧明等[2-4]設計了圖1(b)所示的裝置，在國內率先開展了人工降雨風洞試驗，首先研究了包括斜拉索傾角、來流風偏角、模型系統的頻率和阻尼等多種參數對斜拉索風雨激振的影響，然后進一步研究了降低斜拉索風雨激振的螺旋線方法。研究結果表明，適當設計螺旋線的高度和螺距可消除斜拉索的風雨激振。李文勃等[5-6]沿用圖1(b)所示的裝置開展了人工降雨風洞試驗，并結合人工水線雨振試驗研究了水線的大小和位置、斜拉索動力參數和風偏角對風雨激振的影響。結果表明，斜拉索表面上水線的形成是斜拉索風雨激振發生的必要條件，斜拉索的風雨激振現象只能發生在一定的風偏角內。許林汕等[7]在圖1(b)所示裝置的基礎上，開發了高精度人工模擬降雨裝置，系統研究了風速、雨量以及風雨聯合作用對斜拉索風雨激振的影響。研究發現，斜拉索風雨激振受到風速和雨量的聯合影響，按振動現象不同，可將風速和雨量分為四個區間：小雨量和低風速區間、小雨量和高風速區間、大雨量和低風速區間和大雨量和高風速區間。在小雨量和高風速區間，斜拉索的振幅最強烈。李永樂等[8]以宜賓長江大橋的斜拉索為背景，利用圖1(c)中所示的裝置開展了人工降雨風洞試驗，分析了來流風速、斜拉索傾角和來流風偏角等對斜拉索風雨激振的影響。研究發現，斜拉索在小雨甚至“毛毛雨”的情況下容易發生振動。Zhan等[9]設計了如圖1(d)所示的斜拉索風雨激振試驗裝置，并分析了斜拉索傾角、來流風向角和結構阻尼比等對斜拉索風雨激振的影響。結果表明，斜拉索的風雨激振振幅與各個參數密切相關，當阻尼比大于0.43%或模型纏繞螺旋線后，斜拉索的風雨激振現象消失。

(a) 文獻[1]中的試驗裝置

(b) 文獻[2-4]中的試驗裝置

(c) 文獻[8]中的試驗裝置

(d) 文獻[9]中的試驗裝置

綜合以上文獻及圖1所示圖片可以看到：① 目前已開展的斜拉索風雨激振試驗基本上是在開口直流風洞的射流區進行，試驗裝置的懸掛支架部分體型相對較大，這與開口直流風洞射流區的空間相對寬敞有一定的關系。對于射流區空間受限的回直流可變風洞，這些試驗裝置可能不太適用。② 目前已開展的斜拉索風雨激振試驗中，降雨模擬大多采用等間距普通噴頭灑水，難以保證自然雨滴特性的模擬效果和對雨量的精確調節，因為這個原因，雨量對斜拉索風雨激振影響的定量研究相對不足，還有待于進一步深化。

針對石家莊鐵道大學回直流可變大氣邊界層風洞設計了一種斜拉索風雨激振試驗新裝置，該裝置包括可方便調節斜拉索模型空間姿態的懸掛支架和可高精度調節雨強的人工模擬降雨器。應用該裝置開展了一系列的風雨激振風洞試驗，系統研究了各試驗參數，尤其是降雨強度對斜拉索風雨激振振幅的影響。

1 斜拉索風雨激振試驗新裝置的設計

為了開展斜拉索風雨激振試驗研究，石家莊鐵道大學大氣邊界層風洞在設計伊始即采用了回直流可變方案[10]。如圖2所示，洞體的兩個拐角沿軌道可以移開，變回流風洞為U型直流風洞。本文設計的試驗裝置即放置在U型直流風洞的射流區。

1.1 斜拉索模型懸掛支架

圖3給出了懸掛支架的各組成部分及相關尺寸。圖4為懸掛支架組裝前后的照片。從圖3和圖4可以看到，懸掛支架包括下部支座和上部架體兩部分。

(a) 回流狀態示意圖

(b) 直流狀態示意圖

上部架體包括外鋼圈(5)、內鋼圈(6)、滾軸(7)、限位螺桿(8)、懸掛構件(9)、定位圓柱(10)和限位鋼桿(11)。外鋼圈(5)為內弧面開設滑道的環弧形結構，由兩段彎弧加工的槽鋼連接而成，圓弧的直徑為3.37 m，弧形開口對應的圓心角為30°。外鋼圈(5)的外弧面設置了兩個剛性支腿(51)，用來與下部底座連接。內鋼圈(6)為安裝在外鋼圈(5)滑道內的圓環結構，由兩段彎弧加工后的工字鋼連接而成，直徑為3.18 m。在外鋼圈(5)和內鋼圈(6)之間設置了6個滾軸，內鋼圈(6)的外弧面與滾軸(7)抵觸。在三個滾軸附近位置，在外鋼圈的槽鋼腹板與內鋼圈的工字鋼腹板之間分別設置兩限位螺桿(8)。內鋼圈(6)的內弧面設置四個用于懸掛斜拉索模型的懸掛構件(9)。在外鋼圈(5)頂部的外弧面設置保證架體垂直度的定位圓柱(9)和兩限位鋼桿(10)。兩限位鋼桿(10)大體垂直，一端與定位圓柱(9)鉸接，另外一端與分別與剛性連接。上部架體主要有兩個功能，其一是懸掛斜拉索模型，其二是調節斜拉索模型的傾角。斜拉索模型的傾角調節過程如下：首先，調節限位螺桿，使限位螺桿與內鋼圈的工字鋼腹板不接觸；然后，在外鋼圈(5)的弧形開口處施加外力，內鋼圈、懸掛構件及斜拉索模型便可以通過滾軸的滾動在外鋼圈(5)內作面內轉動；最后，待斜拉索模型旋轉到所需的傾角位置后，調節限位螺桿，使限位螺桿頂緊內鋼圈的工字鋼腹板。

下部支座主要包括底座(1)、中心軸(2)、限位螺栓(3)和轉盤(4)。底座(1)是由橫梁和豎梁焊接而成的方形結構，該方形結構長3 m，寬1 m。在底座(1)的中心安裝豎直的中心軸(2)，轉盤(4)通過軸承套裝于中心軸(2)上可在水平面內旋轉。在轉盤(4)的上表面設置標識旋轉角度的刻度。在軸承外側設置了用于限定轉盤(4)轉動角度的限位螺栓(3)。轉盤(4)又包括軸承套(41)、外圓環(42)、支撐板(43)、剛性套管(44)以及支腿(45)。軸承套(41)配裝在中心軸(2)的軸承上，外圓環(42)是與軸承套(41)同軸的圓環板狀結構，軸承套(41)與外圓環(42)之間連接若干均布的支撐板(43)支撐腿(45)。在轉盤(4)上設置兩個剛性套管(44)，上部架體通過剛性支腿(51)套裝在剛性套管(44)內。下部支座的主要有兩個功能，其一是支撐上部架體。其二是調節斜拉索模型與來流風之間的偏角，調節過程如下：首先，調節限位螺栓，使限位螺栓與中心軸不接觸；然后，在外圓環(42)上施加外力，上部架體、斜拉索模型連同轉盤即可繞中心軸旋轉；最后，待斜拉索模型旋轉到所需的風偏角位置后，調節限位螺桿，使限位螺桿頂緊中心軸。

(a) 支架組裝前

(b) 支架組裝后的上部架體

(c) 支架組裝后的下部支座

1.2 高精度人工模擬降雨器

圖5為人工模擬降雨器的示意圖。圖6為人工模擬降雨器的主要部件。從圖5和圖6可以看到，人工模擬降雨器位于懸掛支架的上方，主要由供水系統、降雨系統、控制采集系統三大部分組成。

供水系統主要包括水箱、水泵和供水管，其主要的功能是為整個系統提供水源。降雨系統主要包括降雨噴頭和電磁閥，其主要的功能是把供水系統提供的水源模擬成自然降雨，噴落到斜拉索模型上。為得到與

自然降雨相似的人工模擬降雨，采用4組旋轉下噴式噴頭組。每個噴頭組由三種不同口徑的下噴式噴頭組成。每種口徑的噴頭對應控制器上的一個開關。通過控制開關，可實現不同口徑噴頭的組合，這樣既可以保證雨滴特性的模擬效果，又可以實現不同雨強的變化。表1列出了降雨器的主要參數。控制采集系統主要包括控制器、雨量計和終端計算機，其主要功能是對供水系統和降雨系統的工作狀態進行控制，將雨量計測量的數據進行采集與處理。

表1 人工模擬降雨器的主要參數指標

圖5 高精度人工模擬降雨器示意圖

2 斜拉索風雨激振試驗新裝置的應用(風雨激振的參數分析)

利用上節所述新裝置，在石家莊鐵道大學回直流可變大氣邊界層風洞射流區開展了一系列斜拉索風雨激振試驗。如圖4(b)所示，斜拉索模型的長度為2.5 m，直徑為155 mm。試驗中通過模型兩端的支撐彈簧來調節模型的頻率，通過彈簧上的橡膠阻尼圈來調整模型的阻尼比。為了記錄模型的振動情況，在懸掛構件與彈簧之間安裝了測力計，通過測得的力信號，經換算可得到模型的振幅。本試驗中斜拉索模型的頻率為1.03 Hz，阻尼比為0.11%。試驗系統的Scruton值約為10左右。來流風速為0～18 m/s，降雨強度為0～70 mm/h，斜拉索模型傾角的變化范圍為25°～35°，來流風偏角的變化范圍為30°～50°。圖7為傾角α和風偏角β的示意圖。圖8為斜拉索傾角為25°，風偏角為35°時，斜拉索模型的振幅隨來流風速和降雨強度的變化關系。圖9為降雨強度為10 mm/h，風偏角為45°，不同傾角條件下斜拉索模型的振幅隨風速的變化曲線。為了便于比較，圖中也給出了傾角為25°，風偏角為35°的結果。圖10為降雨強度為10 mm/h，傾角為35°，不同風偏角條件下斜拉索模型的振幅隨風速的變化曲線。為了便于比較，圖中同樣給出了傾角為25°，風偏角為35°的結果。限于篇幅，其它工況下的試驗結果沒有給出。綜合對比所有試驗工況下的結果發現，在斜拉索傾角為25°、風偏角為35°、降雨強度為10 mm/h、風速為13 m/s左右的條件下，斜拉索風雨激振幅度最大。

(a) 控制器

(b)水箱

(c) 雨量計

(d)供水管(e)降雨噴頭

圖6 高精度人工模擬降雨器的主要部件

Fig.6 Main parts of high precision rainfall system

圖7 斜拉索模型的傾角α和風偏角β

圖8 振幅與風速和雨強的關系(傾角α=25°和風偏角β=35°)

圖9 振幅與斜拉索傾角的關系(雨強10 mm/h)

3 結 論

針對石家莊鐵道大學回直流可變大氣邊界層風洞設計了一種斜拉索風雨激振試驗新裝置，該裝置主要由斜拉索模型懸掛支架和高精度人工模擬降雨器兩部分組成。應用該裝置開展了一系列的風雨激振風洞試驗，研究了各試驗參數，尤其是降雨強度對斜拉索風雨激振振幅的影響，主要得到了以下幾點結論：

圖10 振幅與風偏角的關系(雨強10 mm/h)

(1) 與已有的斜拉索風雨激振試驗裝置相比，該新裝置的適用范圍更廣，不僅可在開口直流風洞的射流區進行試驗，也可在空間受限的回直流可變風洞的射流區進行試驗。

(2) 該裝置不僅可以比較方便地調節斜拉索的傾角和斜拉索與來流風之間的偏角，而且可以實現自然雨滴特性的模擬和雨量的控制，從而提高了試驗的效率和精確度。

(3) 針對選定的直徑為155 mm的斜拉索，在傾角為25°、風偏角為35°、降雨強度為10 mm/h、風速為13 m/s左右的條件下，斜拉索風雨激振的幅度最大。

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LIU Qingkuan. Aerodynamic and structure design of multifunction boundary-layer wind tunnel[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(3): 66-70.

Design and application of a new test rig for stay cables’ rain-wind induced vibration

LIU Xiaobing1,2, CHEN Shuai3, ZHENG Yunfei3, LIU Qingkuan1,2, MA Wenyong1,2

(1. Structural Health Monitoring Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2. Hebei Provincial Key Lab of Structural Health Monitoring and Control, Shijiazhuang 050043, China;3. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Aiming at the variable reflux/DC atmospheric boundary layer wind tunnel in Shijiazhuang Tiedao University, a new test rig for stay cables’ rain-wind induced vibration was designed. Its components and working principle were introduced. A series of wind tunnel tests for stay cables’ rain-wind induced vibration were performed using this test rig. The effects of rainfall intensity, inclination angle of cable, wind yaw angle and wind velocity on stay cables’ rain-wind induced vibration were studied. The test results showed that the designed test rig can meet wind tunnel tests’ requirements for stay cables’ rain-wind induced vibration; for a cable with a diameter of 155 mm under the conditions of inclination angle 25°, wind yaw angle 35°, rainfall intensity 10 mm/h and wind velocity 13 m/s, its rain-wind induced vibration amplitude reaches the maximum..

stay cables; rain-wind induced vibration; test rig; wind tunnel test

國家自然科學基金(51308359; 51378323)；河北省自然科學基金(E2014210138)；河北省高等學校科學技術研究基金(QN2015213)

2016-07-27 修改稿收到日期：2016-11-11

劉小兵 男，博士，副教授，1982年3月生

劉慶寬 男，博士，教授，1971年1月生

E-mail:lqk@stdu.edu.cn

U441.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.034