大跨度懸索橋渦振風洞試驗與現場實測比較

王守強 趙 林 葛耀君

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室,上海 200092)

0 引 言

渦振是指風流經各種斷面形狀的鈍體結構時,在其斷面背后都有可能發生旋渦的交替脫落,產生交替變化的渦激力而引起的結構振動[1]。渦振兼有自激振動和強迫振動的性質,它是一種發生在較低風速區內的有限振幅振動[2-3]。通常情況下,橋梁渦振不會帶來毀滅性的破壞,但在反復荷載作用下會造成橋梁構件疲勞,并會使行人和行車有不舒適感。

縮尺比對試驗有較大影響[4]。商東洋[5]研究不同尺寸矩形渦振,發現不同尺寸的模型渦振得出的結果不統一;羅東偉[6]研究不同橋面粗糙度下的渦振性能,發現橋面粗糙度模擬得越低,渦振試驗結果偏差越大;陳海興[7]通過一座鋼箱斜拉橋1∶20節段模型風洞試驗,得出不同檢修欄桿對渦振振幅影響明顯;許福友[8]總結了影響渦振的主要因素,指出氣動外形直接決定了氣流遇到斷面以后流動的分離和形成旋渦的特點,對渦振的發生及振幅至關重要。分體式鋼箱梁作為大跨度橋梁典型的主梁斷面形式,有必要進行其渦振響應影響因素的試驗研究。

橋梁渦振研究有理論分析、風洞試驗、現場實測和數值模擬四種方法,然而在實際研究中這四種方法的結果并不能完全統一[9-11]。出現這一現象的主要原因可能包括:影響現場實測的因素很多;在風洞試驗和數值模擬的過程中影響因素考慮得不夠全面;風洞試驗不可能完全模擬橋梁風環境,往往引入一些假定,導致和實際情況相差較大等。

本文通過選取國內典型懸索橋進行了不同縮尺比的節段模型風洞試驗研究,從模型尺寸、外形及阻尼比等方面比較了分體式鋼箱梁豎彎渦振響應,并與實橋渦振響應監測值進行了比較。

1 橋梁渦振風洞試驗

本文對橋梁渦振進行了小尺寸節段模型(圖1)試驗和大尺寸節段模型(圖2)試驗,其中小尺寸節段模型采用幾何相似比λL=40,大尺寸節段模型采用幾何相似比λL=20,模型的主要參數如表1所示。

表1節段模型主要參數

Table 1 Main parameters of the segment model

圖1 小尺寸節段模型Fig.1 Small-scale segmental model

研究加勁梁為薄壁箱形結構,小尺寸節段模型是由鋁合金框架覆以輕質木板加工而成,大尺寸節段模型是由鋁合金框架覆以鋁皮加工而成,橋面欄桿、檢修軌道和風嘴等均選用ABS材料用電腦雕刻機雕刻而成。小尺寸節段模型試驗是在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ1邊界層風洞中進行的,大尺寸節段模型試驗是在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ3邊界層風洞中進行的。

在節段模型試驗中,主要測量對象是風速以及模型位移和加速度響應。流場測量采用Dantec公司生產的55P61熱線風速儀和Streamline X探頭,布置在節段模型的前端,探頭離開風洞底面的高度是可以自由調整的。參考風速測量采用皮托管和補償式微壓計,布置在模型的上前方。采用十字探頭Dantec熱線風速儀和皮托管風速計對支架內側的風洞流場進行了測試,風速不均勻性小于1%,模型高度處的紊流強度小于2.5%,可以認為試驗條件下流場為均勻流場。

圖2 大尺寸節段模型Fig.2 Big-scale segmental model

風洞試驗的位移響應測量采用Mew-Matsuchita公司生產的MLS-LM10激光位移計。該位移計量程±50 mm,精度±0.01 mm。在端橫梁兩端布置4個光學位移計,通過位移計測量值的代數和可以換算到模型振動時的豎向位移響應。為了便于校核,還在端橫梁兩端布置了4個加速度傳感器。經過比較結果認為光學位移計的測量結果精度較高,因此最后試驗結果采用光學位移計實測信號,同時采用HP35670A動態信號分析儀進行實時監視和計算機數據采集系統軟件進行數據采樣和處理。

2 渦振響應影響因素研究

2.1 風攻角及導流板對渦振響應影響

為了比較風攻角及導流板對渦振響應的影響,選取大尺寸節段模型試驗,對三種不同風攻角下有無導流板的實驗結果進行了對比,如圖3所示。

圖3 風攻角及導流板對渦振響應影響Fig.3 The influence of wind attack angle and guide plate on the vortex-induced vibration

由圖3發現:無導流板情況下,+3°攻角、0°攻角和-3°攻角均出現了豎彎渦振,且豎彎位移最大值分別達到了9.8 cm、20.5 cm和18.6 cm;有導流板情況下,+3°攻角出現了位移最大值為4.4 cm的豎彎渦振,0°攻角出現了位移最大值為9.0 cm的豎彎渦振,但-3°攻角未出現明顯豎彎渦振;不同風攻角下,模型發生渦振風速鎖定區間不同。設置導流板之后,豎彎渦振位移有明顯的減少,并使渦振風速鎖定區間向低風速區遷移。

2.2 模型尺寸對渦振響應影響

為了比較模型尺寸對渦振響應的影響,選取大尺寸節段模型試驗和小尺寸節段模型試驗,對設置導流板情況下三種不同風攻角的實驗結果進行了對比,如圖4所示。

由圖4發現:小尺寸節段模型試驗在不同風攻角條件下均未觀測到明顯的豎彎渦振現象,但通過仔細觀察可以發現兩個疑似渦振點:風速7.5 m/s和9.0 m/s附近;大尺寸節段模型試驗在+3°攻角和0°攻角均觀測到了豎彎渦振,渦振風速鎖定區間分別為[4.97 m/s,7.71 m/s]和[8.32 m/s,10.24 m/s]。

圖4 尺寸對渦振響應影響Fig.4 The influence of model size on the vortex-induced vibration

對于小尺寸節段模型實驗出現疑似豎彎渦振點,而大尺寸節段模型試驗有效測量出的原因是:兩種節段模型試驗尺寸相差1倍、風速比相差0.5倍,造成雷諾數相差2倍左右;同時大尺寸節段模型試驗風速比為1∶1可以控制風速增量,而小尺寸節段模型試驗風速跳躍較大。由此可見,尺寸效應對渦振影響大。

2.3 模型阻尼比對渦振響應影響

對于設置導流板斷面,阻尼比的增大可以使豎彎渦振消失。為了更加明顯比較模型阻尼比對渦振響應的影響,選取大尺寸節段模型試驗,對未設置導流板情況下兩種不同阻尼比的實驗結果進行了對比,如圖5所示。

圖5 阻尼比對渦振響應影響Fig.5 The influence of the damp ratio on the vortex-induced vibration

由圖5發現,豎彎渦振位移在阻尼比為1.5‰時為18.6 cm,在阻尼比為4.5‰時為7.3 cm,可見阻尼比的增大可以使豎彎渦振位移減小,在節段模型渦振試驗時應根據阻尼比對振幅進行調整;隨著阻尼比的增大渦振風速鎖定區間也相應向高風速方向遷移。

3 橋梁渦振實測及渦振響應比較

3.1 實橋渦振響應監測

實橋渦振響應數據來源于國內某典型大跨度懸索橋的橋梁健康監測系統,本文的研究主要是基于對大橋風速和加速度的數據處理上,圖6給出橋梁傳感器布置圖。

表2對于風速風向儀和加速度傳感器的編號、類型及位置進行了詳細說明。其中三維風速風向儀采樣頻率為32 Hz,量程為0～65 m/s,螺旋風速儀采樣頻率為1Hz,量程0～100 m/s;主梁上的單向加速度計采樣頻率為100 Hz。

2009年12月到2015年12月共73個月的橋梁健康檢測數據,對這些數據進行整理,發現主梁有0.76%的時間發生渦振,累計時間405.68小時,可見橋梁發生渦振頻繁。對實橋具有代表性的渦振進行研究,給出渦振位移最大值隨時間變化情況,如圖7所示。

圖6 橋梁傳感器布置圖Fig.6 Layout of sensors on the bridge

表2橋梁風速和加速度傳感器

Table 2 Aerometer and accelerator on the bridge

圖7(a)發生渦振的頻率為0.328 Hz,對應橋梁第四階正對稱豎彎;圖7(b)發生渦振的頻率為0.183 Hz,對應橋梁第二階反對稱豎彎。將這兩次渦振表示成渦振位移最大值隨風速變化,如圖8。由圖8可知,f=0.183 Hz渦振風速區間為[5.0 m/s,7.7 m/s],f=0.328 Hz渦振風速區間為[9.1 m/s,11.8 m/s]。隨著渦振頻率的增加,渦振發生風速呈增大趨勢。

3.2 渦振響應比較

匯總小尺寸節段模型試驗、大尺寸節段模型試驗阻尼比為1.5‰設置導流板情況下、實橋渦振監測的結果,如表3所示。

圖7 渦振位移最大值隨時間變化Fig.7 Variation of maximum value of the vortex-induced vibration with time

圖8 渦振位移最大值隨風速變化Fig.8 Variation of maximum value of vortex-induced vibration with wind velocity

由表3可以得出:小尺寸節段模型試驗沒有明顯的豎彎渦振現象,但可以發現疑似渦振風速鎖定區間;大尺寸節段模型試驗在0°攻角下發生了頻率為0.183 Hz的渦振,渦振風速鎖定區間、位移最大值與實測符合較好;在+3°攻角下發生了頻率為0.328 Hz的渦振,渦振風速鎖定區間實測符合較好,但渦振位移最大值只有實測值的35%。

4 結 論

本文選取國內典型懸索橋進行了不同縮尺比的節段模型渦振風洞試驗,多方面比較了典型橋梁斷面豎彎渦振響應的影響因素,并將試驗渦振響應值與實橋渦振響應監測值進行了比較,主要結論如下:

表3橋梁渦振響應比較

Table 3 Comparison of the bridge vortex-induced vibration

(1) 風攻角對模型渦振位移最大值和風速鎖定區間影響較大;導流板可以明顯減小豎彎渦振位移,并使渦振風速鎖定區間向低風速區遷移。

(2) 小尺寸節段模型試驗不能有效發現渦振現象,發現的疑似渦振風速鎖定區間,需要進一步試驗研究來確認。

(3) 模型阻尼比增大可使豎彎渦振位移減小,并使渦振風速鎖定區間也相應向高風速方向遷移。

(4) 典型的渦振研究可以確定出兩個主要豎彎渦振:頻率0.183 Hz和0.328 Hz。

(5) 對于頻率為0.183 Hz下的豎彎渦振,大尺寸節段模型試驗與實測結果相近;對于頻率為0.328 Hz下的豎彎渦振,大尺寸節段模型試驗得出的風速鎖定區間比實測風速鎖定區間稍小,位移最大值相差較大。