王守強(qiáng) 趙 林 葛耀君

(同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092)

0 引 言

渦振是指風(fēng)流經(jīng)各種斷面形狀的鈍體結(jié)構(gòu)時(shí),在其斷面背后都有可能發(fā)生旋渦的交替脫落,產(chǎn)生交替變化的渦激力而引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)[1]。渦振兼有自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)的性質(zhì),它是一種發(fā)生在較低風(fēng)速區(qū)內(nèi)的有限振幅振動(dòng)[2-3]。通常情況下,橋梁渦振不會(huì)帶來毀滅性的破壞,但在反復(fù)荷載作用下會(huì)造成橋梁構(gòu)件疲勞,并會(huì)使行人和行車有不舒適感。

縮尺比對(duì)試驗(yàn)有較大影響[4]。商?hào)|洋[5]研究不同尺寸矩形渦振,發(fā)現(xiàn)不同尺寸的模型渦振得出的結(jié)果不統(tǒng)一;羅東偉[6]研究不同橋面粗糙度下的渦振性能,發(fā)現(xiàn)橋面粗糙度模擬得越低,渦振試驗(yàn)結(jié)果偏差越大;陳海興[7]通過一座鋼箱斜拉橋1∶20節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn),得出不同檢修欄桿對(duì)渦振振幅影響明顯;許福友[8]總結(jié)了影響渦振的主要因素,指出氣動(dòng)外形直接決定了氣流遇到斷面以后流動(dòng)的分離和形成旋渦的特點(diǎn),對(duì)渦振的發(fā)生及振幅至關(guān)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(jìn)行其渦振響應(yīng)影響因素的試驗(yàn)研究。

橋梁渦振研究有理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬四種方法,然而在實(shí)際研究中這四種方法的結(jié)果并不能完全統(tǒng)一[9-11]。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因可能包括:影響現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的因素很多;在風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的過程中影響因素考慮得不夠全面;風(fēng)洞試驗(yàn)不可能完全模擬橋梁風(fēng)環(huán)境,往往引入一些假定,導(dǎo)致和實(shí)際情況相差較大等。

本文通過選取國(guó)內(nèi)典型懸索橋進(jìn)行了不同縮尺比的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)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(yīng),并與實(shí)橋渦振響應(yīng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了比較。

1 橋梁渦振風(fēng)洞試驗(yàn)

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

表1節(jié)段模型主要參數(shù)

Table 1 Main parameters of the segment model

圖1 小尺寸節(jié)段模型Fig.1 Small-scale segmental model

研究加勁梁為薄壁箱形結(jié)構(gòu),小尺寸節(jié)段模型是由鋁合金框架覆以輕質(zhì)木板加工而成,大尺寸節(jié)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(fēng)嘴等均選用ABS材料用電腦雕刻機(jī)雕刻而成。小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的,大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ3邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的。

在節(jié)段模型試驗(yàn)中,主要測(cè)量對(duì)象是風(fēng)速以及模型位移和加速度響應(yīng)。流場(chǎng)測(cè)量采用Dantec公司生產(chǎn)的55P61熱線風(fēng)速儀和Streamline X探頭,布置在節(jié)段模型的前端,探頭離開風(fēng)洞底面的高度是可以自由調(diào)整的。參考風(fēng)速測(cè)量采用皮托管和補(bǔ)償式微壓計(jì),布置在模型的上前方。采用十字探頭Dantec熱線風(fēng)速儀和皮托管風(fēng)速計(jì)對(duì)支架內(nèi)側(cè)的風(fēng)洞流場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試,風(fēng)速不均勻性小于1%,模型高度處的紊流強(qiáng)度小于2.5%,可以認(rèn)為試驗(yàn)條件下流場(chǎng)為均勻流場(chǎng)。

圖2 大尺寸節(jié)段模型Fig.2 Big-scale segmental model

風(fēng)洞試驗(yàn)的位移響應(yīng)測(cè)量采用Mew-Matsuchita公司生產(chǎn)的MLS-LM10激光位移計(jì)。該位移計(jì)量程±50 mm,精度±0.01 mm。在端橫梁兩端布置4個(gè)光學(xué)位移計(jì),通過位移計(jì)測(cè)量值的代數(shù)和可以換算到模型振動(dòng)時(shí)的豎向位移響應(yīng)。為了便于校核,還在端橫梁兩端布置了4個(gè)加速度傳感器。經(jīng)過比較結(jié)果認(rèn)為光學(xué)位移計(jì)的測(cè)量結(jié)果精度較高,因此最后試驗(yàn)結(jié)果采用光學(xué)位移計(jì)實(shí)測(cè)信號(hào),同時(shí)采用HP35670A動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和處理。

2 渦振響應(yīng)影響因素研究

2.1 風(fēng)攻角及導(dǎo)流板對(duì)渦振響應(yīng)影響

為了比較風(fēng)攻角及導(dǎo)流板對(duì)渦振響應(yīng)的影響,選取大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn),對(duì)三種不同風(fēng)攻角下有無導(dǎo)流板的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖3所示。

圖3 風(fēng)攻角及導(dǎo)流板對(duì)渦振響應(yīng)影響Fig.3 The influence of wind attack angle and guide plate on the vortex-induced vibration

由圖3發(fā)現(xiàn):無導(dǎo)流板情況下,+3°攻角、0°攻角和-3°攻角均出現(xiàn)了豎彎渦振,且豎彎位移最大值分別達(dá)到了9.8 cm、20.5 cm和18.6 cm;有導(dǎo)流板情況下,+3°攻角出現(xiàn)了位移最大值為4.4 cm的豎彎渦振,0°攻角出現(xiàn)了位移最大值為9.0 cm的豎彎渦振,但-3°攻角未出現(xiàn)明顯豎彎渦振;不同風(fēng)攻角下,模型發(fā)生渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間不同。設(shè)置導(dǎo)流板之后,豎彎渦振位移有明顯的減少,并使渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間向低風(fēng)速區(qū)遷移。

2.2 模型尺寸對(duì)渦振響應(yīng)影響

為了比較模型尺寸對(duì)渦振響應(yīng)的影響,選取大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)和小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn),對(duì)設(shè)置導(dǎo)流板情況下三種不同風(fēng)攻角的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖4所示。

由圖4發(fā)現(xiàn):小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)在不同風(fēng)攻角條件下均未觀測(cè)到明顯的豎彎渦振現(xiàn)象,但通過仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)疑似渦振點(diǎn):風(fēng)速7.5 m/s和9.0 m/s附近;大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)在+3°攻角和0°攻角均觀測(cè)到了豎彎渦振,渦振風(fēng)速鎖定區(qū)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(duì)渦振響應(yīng)影響Fig.4 The influence of model size on the vortex-induced vibration

對(duì)于小尺寸節(jié)段模型實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)疑似豎彎渦振點(diǎn),而大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)有效測(cè)量出的原因是:兩種節(jié)段模型試驗(yàn)尺寸相差1倍、風(fēng)速比相差0.5倍,造成雷諾數(shù)相差2倍左右;同時(shí)大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)風(fēng)速比為1∶1可以控制風(fēng)速增量,而小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)風(fēng)速跳躍較大。由此可見,尺寸效應(yīng)對(duì)渦振影響大。

2.3 模型阻尼比對(duì)渦振響應(yīng)影響

對(duì)于設(shè)置導(dǎo)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(duì)渦振響應(yīng)的影響,選取大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn),對(duì)未設(shè)置導(dǎo)流板情況下兩種不同阻尼比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,如圖5所示。

圖5 阻尼比對(duì)渦振響應(yīng)影響Fig.5 The influence of the damp ratio on the vortex-induced vibration

由圖5發(fā)現(xiàn),豎彎渦振位移在阻尼比為1.5‰時(shí)為18.6 cm,在阻尼比為4.5‰時(shí)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(jié)段模型渦振試驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)阻尼比對(duì)振幅進(jìn)行調(diào)整;隨著阻尼比的增大渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間也相應(yīng)向高風(fēng)速方向遷移。

3 橋梁渦振實(shí)測(cè)及渦振響應(yīng)比較

3.1 實(shí)橋渦振響應(yīng)監(jiān)測(cè)

實(shí)橋渦振響應(yīng)數(shù)據(jù)來源于國(guó)內(nèi)某典型大跨度懸索橋的橋梁健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng),本文的研究主要是基于對(duì)大橋風(fēng)速和加速度的數(shù)據(jù)處理上,圖6給出橋梁傳感器布置圖。

表2對(duì)于風(fēng)速風(fēng)向儀和加速度傳感器的編號(hào)、類型及位置進(jìn)行了詳細(xì)說明。其中三維風(fēng)速風(fēng)向儀采樣頻率為32 Hz,量程為0～65 m/s,螺旋風(fēng)速儀采樣頻率為1Hz,量程0～100 m/s;主梁上的單向加速度計(jì)采樣頻率為100 Hz。

2009年12月到2015年12月共73個(gè)月的橋梁健康檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,發(fā)現(xiàn)主梁有0.76%的時(shí)間發(fā)生渦振,累計(jì)時(shí)間405.68小時(shí),可見橋梁發(fā)生渦振頻繁。對(duì)實(shí)橋具有代表性的渦振進(jìn)行研究,給出渦振位移最大值隨時(shí)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(fēng)速和加速度傳感器

Table 2 Aerometer and accelerator on the bridge

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

3.2 渦振響應(yīng)比較

匯總小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)、大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)阻尼比為1.5‰設(shè)置導(dǎo)流板情況下、實(shí)橋渦振監(jiān)測(cè)的結(jié)果,如表3所示。

圖7 渦振位移最大值隨時(shí)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(fēng)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(jié)段模型試驗(yàn)沒有明顯的豎彎渦振現(xiàn)象,但可以發(fā)現(xiàn)疑似渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間;大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)在0°攻角下發(fā)生了頻率為0.183 Hz的渦振,渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間、位移最大值與實(shí)測(cè)符合較好;在+3°攻角下發(fā)生了頻率為0.328 Hz的渦振,渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間實(shí)測(cè)符合較好,但渦振位移最大值只有實(shí)測(cè)值的35%。

4 結(jié) 論

本文選取國(guó)內(nèi)典型懸索橋進(jìn)行了不同縮尺比的節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn),多方面比較了典型橋梁斷面豎彎渦振響應(yīng)的影響因素,并將試驗(yàn)渦振響應(yīng)值與實(shí)橋渦振響應(yīng)監(jiān)測(cè)值進(jìn)行了比較,主要結(jié)論如下:

表3橋梁渦振響應(yīng)比較

Table 3 Comparison of the bridge vortex-induced vibration

(1) 風(fēng)攻角對(duì)模型渦振位移最大值和風(fēng)速鎖定區(qū)間影響較大;導(dǎo)流板可以明顯減小豎彎渦振位移,并使渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間向低風(fēng)速區(qū)遷移。

(2) 小尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)不能有效發(fā)現(xiàn)渦振現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)的疑似渦振風(fēng)速鎖定區(qū)間,需要進(jìn)一步試驗(yàn)研究來確認(rèn)。

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

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

(5) 對(duì)于頻率為0.183 Hz下的豎彎渦振,大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)與實(shí)測(cè)結(jié)果相近;對(duì)于頻率為0.328 Hz下的豎彎渦振,大尺寸節(jié)段模型試驗(yàn)得出的風(fēng)速鎖定區(qū)間比實(shí)測(cè)風(fēng)速鎖定區(qū)間稍小,位移最大值相差較大。