多孔擾流板參數(shù)對鋼箱梁斜拉橋渦振減振效果影響的研究

0控制措施頻激共振是一種強迫和自激雙重特征的振動現(xiàn)象。由于選定的固定時間間隔內(nèi)的氣流，它受到了規(guī)律地降低的漩渦的影響。渦激共振雖然不會直接導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)破壞,但對于質(zhì)量輕、阻尼低的鋼結(jié)構(gòu)大跨度橋梁主梁斷面,它在較低風(fēng)速下就很容易發(fā)生。當(dāng)渦振振幅較大時,會影響橋面行車舒適性、縮短橋梁構(gòu)件的疲勞壽命等,因此在必要時需要采取適當(dāng)措施將其振幅限制在容許值以內(nèi)。目前在實踐中應(yīng)用的渦激共振控制措施主要有機械措施和氣動措施。機械措施一般是通過安裝機械控制裝置來消耗振動能量、提高橋梁結(jié)構(gòu)阻尼等方式達到對主結(jié)構(gòu)的減振目的。如丹麥大海帶東橋引橋等就采用了TMD作為渦振控制措施。氣動措施是利用風(fēng)致振動對結(jié)構(gòu)斷面氣動外形非常敏感的特點,通過適當(dāng)調(diào)整結(jié)構(gòu)斷面外形達到改善其空氣動力特性,從而減輕渦振的目的。常見的氣動措施有調(diào)整檢修車軌道等橋梁附屬設(shè)施,增設(shè)擾流板、導(dǎo)流板等。機械措施的實質(zhì)是消耗渦振發(fā)生后的振動能量,而對渦激力本身并沒有產(chǎn)生直接影響;氣動措施則是通過減小或消除渦激力,從而達到減振甚至消振目的。與機械措施相比,氣動措施無論是從控制效果、實施可能性還是從經(jīng)濟性方面都占有優(yōu)勢,因而在實際工程中得到了廣泛應(yīng)用。如丹麥大海帶橋東橋渦振控制措施是在箱梁底部兩側(cè)轉(zhuǎn)折處安裝導(dǎo)流板;英國塞文二橋是通過在主梁下安裝擾流板來控制渦振等。封閉流線型箱梁由于外形美觀等優(yōu)點,自從英國塞文二橋使用以來,已經(jīng)越來越多地應(yīng)用到大跨度橋梁實踐中。但如前所述,大跨度橋梁常采用的鋼主梁斷面由于質(zhì)量輕、阻尼低,在低風(fēng)速下就很容易發(fā)生渦振,封閉流線型箱梁也不例外。因此本文提出了一種新的針對于這類斷面的渦振減振氣動措施——多孔擾流板(下文簡稱為多孔板),通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗,就多孔板寬度、透風(fēng)率、孔徑以及風(fēng)攻角對其渦振減振效果的影響規(guī)律進行了初步研究。1試驗總結(jié)1.1模型建立與模型修正本文以寧波象山港大橋初步設(shè)計階段主橋的主推方案五跨斜拉橋為工程背景,該橋主跨688m,鋼箱主梁寬32.0m、高3.5m。該主梁模型在顫振改良后鋼箱梁方案成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的渦激共振試驗中均發(fā)現(xiàn)振幅超過規(guī)范限值的豎彎和扭轉(zhuǎn)渦激共振。模型的縮尺比為1:55,主梁寬0.5818m。為了減少節(jié)段模型端部三維流動的影響,模型的總長度取為1.7000m,長寬比約2.9,模型高0.0636m,寬高比為9.1,總質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩分別為10.6280kg和0.3906kg·m2。剛體節(jié)段模型的骨架由金屬構(gòu)成,金屬框架長1.7000m,采用三夾板和豪適板模擬橋面,以保證外形的幾何相似性。模型還模擬了橋面的防撞欄、檢修道護欄及主梁底部的檢修車軌道。圖1給出了象山港大橋1:55的主梁模型示意圖。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中有關(guān)橋梁阻尼比取值建議,各階模態(tài)阻尼比均取0.5%,由試驗結(jié)果計算渦振幅值時按模型實測阻尼值進行阻尼修正。試驗用的多孔板孔洞均為圓形,交錯排列,總寬度有4cm、5cm兩種,其中有1cm的寬度沒有開孔,用于與模型主梁黏結(jié),因此有效寬度分別為3cm、4cm,長度與節(jié)段模型等長,均為1.7m。透風(fēng)率(即開孔率)有40%、50%、60%三種,孔徑有4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、7.0mm6種。圖2給出了其中一種多孔板的孔距、孔洞排列方式。1.2測振設(shè)備與測振方案節(jié)段模型測振試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ-1邊界層風(fēng)洞中進行。模型通過8根彈簧懸掛在風(fēng)洞外置式支架上,可以產(chǎn)生豎向以及繞節(jié)段模型重心轉(zhuǎn)動的兩自由度運動。因此可以模擬豎向與扭轉(zhuǎn)兩個自由度方向的振動特性,但水平流方向的振動特性沒有模擬。試驗中主要的測振設(shè)備有:(1)TJ-1邊界層風(fēng)洞:低速直流式風(fēng)洞,試驗段寬1.8m、高1.8m、長14m,空風(fēng)洞試驗風(fēng)速范圍為1.0～30m/s連續(xù)可調(diào);(2)風(fēng)致振動信號采用加速度傳感器;(3)YE5866電荷放大器;(4)美國NI公司的PCI-6052E數(shù)據(jù)采集A/D板;(5)個人計算機和相應(yīng)的信號采集以及處理軟件。1.3-3風(fēng)攻角下的3、3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333試驗時,首先去除檢修車軌道模擬施工狀態(tài),結(jié)果表明,模型在0°、+3°、-3°三個風(fēng)攻角下均沒有發(fā)生渦振現(xiàn)象。然后其他條件不變,在模型上安裝檢修車軌道模擬成橋運營狀態(tài),結(jié)果模型在這三個風(fēng)攻角下均發(fā)生了渦振,這說明模型斷面的渦振主要來源是檢修車軌道處的旋渦脫落。1.3.1風(fēng)攻角的影響首先在+3°、0°、-3°風(fēng)攻角下對主梁模型不加多孔板時的渦振性能進行了測試。表1給出了不加多孔板時模型豎彎與扭轉(zhuǎn)渦激共振響應(yīng)。由表1可以看出,模型在+3°風(fēng)攻角下的豎彎與扭轉(zhuǎn)位移均比較顯著,因此主要在這個風(fēng)攻角下考察多孔板各參數(shù)對其渦振減振效果的影響。將多孔板不開孔的區(qū)域(1cm寬)通過沿縱橋向一定間距布置的有機玻璃墊塊與主梁斜腹板黏結(jié)固定,多孔板位于斜腹板兩側(cè)且與斜腹板平行。此時,多孔板與主梁底板的銳角夾角為35°(下文中統(tǒng)一用“傾角35°”表示多孔板與主梁斜腹板平行),多孔板與斜腹板之間的距離與檢修車軌道底部到主梁底板的距離相同。圖3給出了其中一種工況的照片。1.3.2減振措施設(shè)置前評價為直觀地反映渦振控制措施的減振效果,有必要將渦振控制措施設(shè)置后與設(shè)置前的渦振響應(yīng)進行比較。為此,定義減振系數(shù)λ:(1)λ=1時,減振措施設(shè)置前有渦振,設(shè)置后沒有渦振,這種情況下減振措施最有效。(2)0<λ<1時,減振措施減小了渦振,有效;(3)λ=0時,減振措施設(shè)置前與設(shè)置后渦振位移相同,無效;(4)λ<0時,減振措施放大了渦振,無效。表2給出了設(shè)置多孔板后各工況下的渦激共振減振效果。1.3.3單因素對醫(yī)院黨內(nèi)減振效果的影響在+3°風(fēng)攻角下,比較了3cm、4cm這兩種多孔板寬度(指的是打孔區(qū)域?qū)挾?下文同)對渦振減振效果的影響。由表2中Case4～5可以看出:在+3°風(fēng)攻角下當(dāng)多孔板其它參數(shù)相同時,對扭轉(zhuǎn)渦振的減振效果隨著其寬度的減小而提高,且都只是稍微放大了模型的豎彎渦振。1.3.4透風(fēng)率對減振效果的影響從多孔板的寬度比選試驗中發(fā)現(xiàn)其它條件相同時,寬度為3cm時的效果比其為4cm時的好。因此在+3°風(fēng)攻角下考察多孔板透風(fēng)率對其減振效果的影響時,寬度均取為3cm,孔徑均為5mm,透風(fēng)率分別為60%、50%、40%。由表2中Case4、Case6～7可以看出:在+3°風(fēng)攻角下,當(dāng)多孔板其它參數(shù)相同時,對扭轉(zhuǎn)渦振的減振效果均隨著透風(fēng)率的增大而提高,且均只稍微放大了模型的豎彎渦振。1.3.5多孔板孔徑對減振效果的影響根據(jù)多孔板寬度與透風(fēng)率比選試驗成果,在+3°風(fēng)攻角下考察孔徑對其減振效果的影響時,多孔板透風(fēng)率取為60%,寬度取為3cm。由表2中Case4、Case8～12可以看出:在+3°風(fēng)攻角下,當(dāng)多孔板其它參數(shù)相同時,對渦振的減振效果與孔徑?jīng)]有必然聯(lián)系;6種孔徑的多孔板雖稍微放大了模型的豎彎渦振,但都不同程度地減小了扭轉(zhuǎn)渦振。其中孔徑為5mm時,對豎彎渦振的放大程度居中,對扭轉(zhuǎn)渦振的減小程度最大,因此選擇這一孔徑進行后續(xù)試驗。1.3.6風(fēng)攻角對多孔板方案的影響由前面的試驗結(jié)果可知,透風(fēng)率為60%、寬度為3cm、孔徑為5mm、傾角35°的多孔板方案效果相對較好。為研究風(fēng)攻角對這種多孔板方案的影響,在0°、-3°風(fēng)攻角進行了試驗。由表2中Case4、Case13～14可以看出:在+3°風(fēng)攻角下這種多孔板方案在0°風(fēng)攻角下,使模型的豎彎渦振與扭轉(zhuǎn)渦振都被放大;在一3°風(fēng)攻角下使模型的豎彎與扭轉(zhuǎn)渦振都得到了較好的控制。2結(jié)論和結(jié)論2.1有張力的多孔板方案主要試驗結(jié)論(1)在+3°風(fēng)攻角下當(dāng)多孔板其它參數(shù)相同時,對扭轉(zhuǎn)渦振的減振效果均隨著其寬度的減小而提高;隨著透風(fēng)率的增大而提高,與孔徑的尺寸沒有必然聯(lián)系。且這些措施都只是稍微放大了模型的豎彎渦振,比較有效地減小了扭轉(zhuǎn)渦振。(2)透風(fēng)率為60%、寬度為3cm、孔徑為5mm、傾角35°的這種多孔板方案效果相對較好。在+3°風(fēng)攻角下,雖然稍微放大了模型的豎彎渦振,但很有效地減小了扭轉(zhuǎn)渦振;在0°風(fēng)攻角下,使模型的豎彎渦振與扭轉(zhuǎn)渦振都被放大,為無效措施。在-3°風(fēng)攻角下使模型的豎彎渦振消失,且比較有效地減小了扭轉(zhuǎn)渦振,為有效措施。綜合來看,這種措施可以考慮與其他渦振減振措施組合使用。2.2多孔板抗混疊力的影響其他參數(shù)相同時,隨著多孔板寬度的增加,一方面可能使得模型的氣動外形變差,另一方面可能使得氣流流經(jīng)多孔板區(qū)域時旋渦脫落的規(guī)律性得到增強,從而加劇了渦激振動的程度;而隨著透風(fēng)率的提高,單位面積內(nèi)的孔數(shù)增多,可能對旋渦能量的消減作用也更強,從而其它條件相同時,多孔板的渦振減振效果也越好;當(dāng)透風(fēng)率等其他參數(shù)相同,僅孔徑不同時,一方面因為多孔板的透風(fēng)率相同,對旋渦能量的消減能力不會有質(zhì)的差別,從而各種孔徑的多孔板對渦振減振效果只是在程度上有所不同;另一方面,由于孔洞的布置方式不同,其對氣流繞流狀態(tài)的影響規(guī)律也不同,導(dǎo)致其對模型渦振的減振效果與孔徑的尺寸關(guān)系具有一定的隨機性;此外,在某個風(fēng)攻角下比較有效的多孔板方案不一定在其他風(fēng)攻角下仍然有效。因為風(fēng)攻角不同時,盡管多孔板各參數(shù)都沒變,但斷面的氣動外形已經(jīng)隨著風(fēng)攻角的改變而發(fā)生了改變?？偟膩碚f,多孔板對主梁斷面氣動性能的影響具有雙重性。只有當(dāng)多孔板寬度、透風(fēng)率等