風驅雨作用下橋梁主梁顫振節段模型試驗研究

雷旭 陳政清 華旭剛 牛華偉 韓艷

摘 要：針對風驅雨作用下橋梁主梁的顫振問題，依據風驅雨作用和主梁振動特點，給出了分別考慮雨滴沖擊和表面積水后的降雨相似關系，并探討了其選取原則。選取大跨度橋梁較常采用的典型斷面，通過節段模型試驗模擬了風驅雨對主梁斷面的顫振導數和顫振發生過程的影響。試驗結果表明：主梁斷面的顫振氣動導數隨雨強的變化無明顯規律，各導數的變化量值相當，隨風速增加，降雨引起的導數變化有所加大，但基本沒有改變其隨風速變化的整體趨勢，試驗雨強120 mm/h時，模型顫振臨界風速會有20%～30%左右的提高，但考慮雨強相似比后可以認為降雨對橋梁主梁的風致顫振失穩特征的影響基本可以忽略。

關鍵詞：橋梁主梁;風驅雨;相似比;顫振導數;臨界風速

中圖分類號：U441.3

文獻標志碼：A? 文章編號：2096-6717（2019）02-0106-10

Abstract：Regarding the problem of bridge girders flutter under influence of wind-driven rain， the rainfall similarity laws are firstly established in terms of raindrop impact and surface ponding respectively， according to the characteristics of wind-driven rain and bridge main girders vibration， besides， the selection principle is also discussed. Then， several typical main girder sections， which are frequently used in long-span bridges， are selected as examples to investigate the influence of wind-driven rain on flutter derivatives and flutter occurrence process by sectional model tests. Results show that there is no significant regularity? between the flutter aerodynamic derivatives of the main girder and the rainfall intensity， as the variation of each derivative is almost the same. Comparatively， the variation of derivative caused by rainfall is increased with the wind speed. However， the general variation trend of the flutter aerodynamic derivatives with wind speed is not changed. When the test rain intensity is 120 mm/h， the critical wind speed of the flutter model raises about 20%～30%. Considering the similarity law proposed in this paper， the effect of rainfall on wind-induced flutter characteristics can be ignored.

Keywords：bridge main grider; wind-drived rain; similarity law; flutter derivative; critical wind velocity

隨著新材料、新工藝的涌現和結構計算理論的不斷完善，未來橋梁將會朝著超大跨方向發展，如剛建成不久的杭州灣和港珠澳跨海工程，就包含一批超大跨度橋梁。這類結構柔度較大，以致其風振效應可能成為影響結構安全的關鍵因素。目前，純風作用下的橋梁振動特性研究已經非常成熟[1]，而實際工程中，特別是沿海和峽谷地區，大風一般伴隨降雨，風雨耦合對結構產生作用，若要精確考慮這類動力敏感結構的風振響應，以確保其抗風穩定性，對降雨影響做仔細研究十分必要。

風驅雨對結構影響的研究雖早有開展，但主要集中于建筑結構和航空航天[2-4]以及拉索風雨振[1，5]研究領域，較少涉及其對主梁這一橋梁主要構件的影響，由于主梁構造和受力的特殊性，使得風驅雨對其氣動特性的影響需專門研究，特別對于大跨橋梁中跨高比較大的柔性主梁，更具有必要性。近年來，已有一些學者開展此類工作，顧明等[6]模擬了風驅雨作用于薄平板的試驗，依據試驗結果，其初步認為，降雨對阻尼項氣動導數有較明顯的影響。辛大波等[7-8]進行了風驅雨對主梁的試驗和數值分析，結果表明：與扭轉氣動阻尼密切相關的顫振導數受降雨影響明顯，隨雨強增大，臨界風速先增大，后減小，但即使空氣含水量達到65 g/m3， 臨界風速僅提高約6.8%。胡俊[9]將風驅雨作用以力和阻尼形式代入有限元進行分析，結果表明：200 mm/h的雨強下，臨界風速僅增大5.86%，但其對抖振影響比較顯著。趙林等[10]依據風驅雨主梁模型試驗，認為雨滴沖擊力對定常氣動力的影響相比積水而言可以忽略。鈍體斷面氣動性能受降雨的影響比流線斷面更加明顯，其會改變頻率、阻尼與氣動導數，并在一定程度上降低顫振臨界風速。以上研究表明：風驅雨試驗是此類研究的重要手段，相比數值模擬，其更接近實際，但目前最大的問題是，對于雨荷載的相似關系沒有得到解決，使得上述各結論的正確性難以相互比較驗證和換算至原型以指導實際。針對這一問題，雖然已有學者對其進行研究，如Bilanin[11]和Cao等[4]假設雨滴大小和間隙可調，并依據含水量不變的原則，利用量綱分析法得到了理論的雨強相似關系，但現有的降雨設備難以達到其要求。Surry等[12]和唐順勇等[13]人依據弗勞德數一致得到了風驅雨作用于建筑迎風面時的雨滴密度相似比為1：1，但對于豎向受載不可忽略的主梁斷面，此相似關系顯然不能適用。針對以上研究的不足，本文首先推導了主梁風驅雨試驗的雨強簡化相似比，然后在試驗室實施了風驅雨條件下對橋梁危害最大的主梁斷面顫振試驗，獲得顫振導數與臨界風速隨雨強的變化規律，依據雨強相似比對試驗結果進行了分析，為大跨橋梁抗風研究的精細化提供了一定的參考。