某跨海大桥节段模型风洞试验

许宏兵,张亮亮

(重庆大学,重庆 400045)

某跨海大桥节段模型风洞试验

许宏兵,张亮亮

(重庆大学,重庆 400045)

通过某跨海大桥节段模型静力试验和动力试验获得了主梁的静力三分力系数随攻角的变化规律,主梁的颤振特性以及识别了主梁的 8个颤振导数,并对试验获得的结果进行了详细的分析。其分析评价的结果直接用于指导该桥的设计与施工,也可为同类桥梁提供理论参考。

跨海大桥; 风洞试验; 节段模型; 静力三分力; 颤振; 涡激振

某跨海大桥采用跨径布置为(67+72+76+720+76+ 72+67)m,全长 1 150m,共 7跨。主跨为 720m的钢-混组合双塔斜拉桥,主跨主梁采用扁平流线形钢箱梁,主梁全宽30m(包括风嘴)。该桥所在地每年平均受 4～5次台风的影响,且多集中在 7～9月份。所以,必须对该桥进行风洞试验研究以确保其施工和运营阶段的抗风稳定性、安全性和适用性。

1 静力试验

风洞静力试验的目的是测试主梁在不同攻角下的三分力系数,为静风响应、抖振响应、静风稳定性及施工监控分析等提供依据,并初步评价主梁发生驰振的可能性。按风轴坐标系的阻力系数 CD、升力系数 CL、扭矩系数 CM表达式分别见式(1)～式(3)。

式中:FD、FL、MT为风轴系下的空气阻力、升力和扭矩;α为来流攻角;U为风速;ρ为空气密度;B、L分别为节段模型的宽度和长度(图1)。

图1 体轴坐标系和风轴坐标系

1.1 静力试验模型设计

该桥的主梁模型缩尺比为1∶60,长为 1.25m,宽 0.5 m,长宽比 2.5。其主梁断面如图 2所示。模型用红松木和层板等制作,人行道栏杆按实桥结构进行模拟,为避免微小杆件引起的气动粘性效应,对栏杆中较细的竖向杆按透风率等效的原则进行模拟。包括有、无栏杆两种情况,其几何参数见表 1所列。

图 2 该桥方案模型断面形状

节段模型试验在中国空气动力研究与发展中心低速所1.4m×1.4m风洞进行,该风洞为闭口试验段直流式风洞,试验段截面尺寸为1.4 m(宽)×1.4m(高)的矩形,稳定风速为5～40m/s。

模型竖直安装于天平及风洞转盘上,通过由计算机控制调整机构实现模型姿态角 α的变化。试验中 α的范围为±12°,变化间隔最小为3°,在均匀流场中试验风速为 15m/s。

1.2 静力试验结果

该桥风轴系下主梁节段模型(有栏杆和无栏杆)的三分力系数如图 3、图 4。

图3 主梁(有栏杆)静力三分力系数曲线

图4 主梁(无栏杆)静力三分力系数曲线

1.3 静力试验结果分析

(1)图3(有栏杆)和图4(无栏杆)对比,有栏杆时,阻力系数变大,升力系数变小,扭矩系数在负攻角时基本不变,在正攻角变小。因此,要得出可靠的桥梁设计风荷载,模型模拟栏杆是必要的。

2 动力试验

2.1 动力试验模型

试验模型缩尺比均为 1∶60,各模型分为有栏杆、无栏杆两种配置。模型采用五层板及轻木制作,栏杆采用竹篾和有机玻璃制成,为避免微小杆件引起的气动粘性效应,对栏杆中较细的竖向杆按透风率等效的原则进行模拟。各模型外形与静态试验的模型相同,模型的两端还设置有端板,以保证主梁断面气动绕流的二维特性。

模型安装在桥梁节段模型动态试验专用装置上。该装置通过铝制连接件,使风洞外的两根水平端杆分别与模型两端固接,端杆的上下两端共悬挂有 8根弹簧,可实现模型作竖向和扭转二自由度运动。铝制连接件可调节模型的迎角,调节范围为 -12°～12°(试验中模型的迎角为-3°、0°、3°)。整个模型的悬挂支架置于洞壁外,以避免对流场干扰。

模型除了满足外形几何相似外,同时还满足了动力相似律,即模型与原型(实桥)之间保持下列三组无量纲参数一致[3]:

2.2 颤振临界风速的测定及分析

本研究试验风速为U=2～15 m/s,ΔU=0.5m/s,流场为均匀流,模型迎角α=-3°、0°和 3°三种。通过主梁动力节段模型风洞试验,直接测量主梁在不同攻角下发生颤振的临界风速,根据结果以及模型、原型(实桥)之间的风速比,可以推算出实桥的颤振临界风速。其结果见表 2。

2.3 颤振导数的识别

根据Scanlan的桥梁颤振导数理论竖向和扭转运动的微分方程为:

由此可对实桥作三维颤振分析。此外,颤振导数也是抖振分析中必不可少的气动力参数。

基于最小二乘理论[2],将桥梁节段模型的自由衰减振动信号分解为竖向和扭转振动的信号,再分别对竖向和扭转振动信号进行非线性最小二乘拟合,一次识别主梁断面不同攻角下的 8个颤振导数,并可得到各颤振导数随 V/Bn的变化曲线.限于篇幅这里仅给出A＊2随V/Bn的变化曲线(见图5)。图中的空心图例表示均匀流试验结果,实心图例为紊流试验结果,○、○表示无栏杆,◆、□表示有栏杆。

由图 5可以得出:对于同一工况下,紊流场和均匀流场中识别的颤振导数差别小,但有、无栏杆的颤振导数差别较大。

2.4 涡激振动试验

当气流绕过物体时在物体两侧及尾流中会产生周期性脱落的漩涡,这种周期性的激励会使物体发生限幅振动,这种振动称为涡激振,它通常发生在较低的风速下,其振动形式通常为竖向涡振和扭转涡振。本试验目的是通过节段模型试验,测定涡激振动的发振风速、振幅以及主梁截面的斯脱罗哈数,对主梁的涡激振动特性作出评价。

本次涡激振动试验模型同表 6中所列,风速 U为 2～5 m/s,ΔU=0.25m/s,流场分为均匀流和紊流,模型迎角α为 -3°、0°和 3°三种。

表 3给出了本次涡激振动试验结果。根据试验结果推算到实桥状态下发生竖向涡激振动风速分别见表 3。

图 5 α为-3°、+3°、0°时颤振导数曲线A＊2

由表3可以得出:在试验中,除均匀流场(α=0°)和紊流场中,有、无栏杆时,均出现了比较明显的涡激振动。根据试验结果推算,实桥状态下发生竖向涡激振动的风速在 18.1～40.86m/s。

3 结 论

(1)桥梁试验模型应该配置模拟栏杆,这样才能给出可靠的设计风速。

(2)根据试验结果表明,该桥的颤振临界风速远高于颤振检验风速,在设计风速范围内没有出现涡激共振现象,且在试验攻角范围内不会发生弛振失稳。综上所述,该跨海大桥主梁具有良好的气动稳定性。

[1] 埃米尔·希缪,罗伯特·斯坎伦.风对结构的作用—风工程导论[M].刘尚培,项海帆,谢霁明,译.上海:同济大学出版社,1992

[2] 李永乐,廖海黎,强士中.桥梁断面颤振导数识别的加权整体最小二乘法[J].土木工程学报,2004(3)

[3] 项海帆.公路桥梁抗风设计指南[M].北京:人民交通出版社,1996

U446.1

B

2010-03-02

重庆大学“211工程”三期建设项目(S-09105)

许宏兵(1984～),男,硕士研究生,主要从事桥梁工程设计及桥梁抗风研究;张亮亮(1956～),男,教授,主要从事桥梁及高层建筑结构抗风研究。