帶挑臂箱梁渦振氣動措施抑振效果試驗(yàn)研究

元音振是在低速風(fēng)速下發(fā)生的一種有限的振幅振動，只發(fā)生在特定的風(fēng)速范圍內(nèi)。軸振源不是像振動一樣破壞橋的毀滅性，而是頻率很高。頻繁持續(xù)的軸振器會導(dǎo)致橋組件的疲勞和損壞，行人和駕駛的舒適度不舒服。因此，橋的振動控制已成為研究橋梁抗風(fēng)的主題。動態(tài)振動控制措施通常分為抗衰減措施和氣阻力措施，其中動態(tài)措施主要用于增加導(dǎo)波板、干擾流補(bǔ)償板、氣虛板和風(fēng)嘴。宋金忠在中國東部一座傾斜的黃河橋上設(shè)計了干擾板，提高了橋的渦振性能。主橋的主梁采用兩個分開的矩形鋼箱，通過整個橋面板。ala楊樹和gllagov研究了擋板對丹麥大帶東橋、香港昂洲橋和中國西交門橋的渦振控制效果。這三座橋的動力梁是線性的扁平鋼箱。很少有文獻(xiàn)相關(guān)帶臂箱梁的強(qiáng)制破碎措施來控制懸掛梁的東西。由于渦振理論不十分完善,數(shù)值模擬方法也不太成熟,風(fēng)洞試驗(yàn)仍然是目前橋梁渦振最適合的研究手段.本文以一座獨(dú)塔單索面疊合箱梁斜拉橋?yàn)楸尘?進(jìn)行了帶挑臂箱梁渦振控制氣動措施試驗(yàn)研究,包括移動檢修軌道、增設(shè)不同形式的導(dǎo)流板和擾流板等,可以為同類橋梁渦振控制提供技術(shù)先導(dǎo)和理論支持.1橋面以上塔高圖1為某獨(dú)塔單索面疊合箱梁斜拉橋,跨徑布置為138m+138m=276m;主塔為獨(dú)柱形塔,帶有橫撐和風(fēng)纜,總高約120m,其中橋面以上塔高約為98m;主梁為疊合箱梁,全寬40m,中心梁高4m,斷面形狀為梯形,帶翼緣板,其中橋面板采用鋼筋混凝土,下部梯形箱體為鋼箱,梁底安裝檢修軌道,如圖2所示.全橋結(jié)構(gòu)動力分析采用離散結(jié)構(gòu)的有限元方法,主梁、橋塔和橋墩結(jié)構(gòu)離散為空間梁單元,斜拉索采用空間桿單元模擬.橋位所在地區(qū)屬于大陸性季風(fēng)氣候,具有明顯的暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候特征,且橋位瀕臨海域,易受寒流大風(fēng)影響.2主梁節(jié)段模型2.1主梁渦流振節(jié)段模型的建立主梁渦振節(jié)段模型的幾何縮尺比為λL=1∶50,根據(jù)渦振節(jié)段模型設(shè)計相似性要求,可以確定渦振節(jié)段模型的相似比,由此可以進(jìn)一步確定出實(shí)橋主要參數(shù)與節(jié)段模型主要參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系(表1).主梁渦振節(jié)段模型由鋁合金框架與輕質(zhì)木板覆面組成,橋面欄桿、檢修軌道、導(dǎo)流板和擾流板等均選用ABS材料或有機(jī)玻璃用電腦雕刻機(jī)雕刻而成,外形精確模擬實(shí)橋.模型斷面主要尺寸如圖3(a)所示,該圖所示的斷面1是原始斷面,無任何渦振控制氣動措施.2.2種擾流板的布置導(dǎo)流板是一種被廣泛應(yīng)用的渦振控制氣動措施,其基本原理是使氣流經(jīng)過導(dǎo)流板的壓縮后速度得到提高,當(dāng)沖出導(dǎo)流板時這股高速射出的氣流將打碎結(jié)構(gòu)表面形成的旋渦,從而抑制渦振的形成.本文節(jié)段模型設(shè)置了兩種導(dǎo)流板,即窄導(dǎo)流板和寬導(dǎo)流板.窄導(dǎo)流板的斜板和水平板寬度均為20mm,夾角122°(見圖4(a)),斜板與箱梁腹板的距離和水平板與箱梁底板的距離均為5mm,為了避免檢修軌道對導(dǎo)流板沖出氣流的阻擋,將檢修軌道向箱梁中心線移動了8.6mm,形成了斷面2(見圖3(b)),進(jìn)而將檢修軌道去掉,形成了斷面3(見圖3(c)).與窄導(dǎo)流板相比,寬導(dǎo)流板的水平板加寬了10mm,夾角增大了20°(見圖4(b)),這樣可以使更多的氣流被壓縮,而且被壓縮后氣流的沖射距離更遠(yuǎn)一些,水平板與箱梁底板距離仍為5mm,寬導(dǎo)流板的布置見圖3(d)所示的斷面4.擾流板是在安裝在欄桿上有一定水平仰角的具有擾亂氣流、破壞旋渦運(yùn)動作用的氣動措施.本文設(shè)置了兩種擾流板,即窄擾流板和寬擾流板,水平仰角均為14°,寬度分別為31.3mm和41.3mm,如圖4(c)和(d)所示,其布置分別見圖3(e)所示的斷面5和圖3(f)所示的斷面6.3單次試驗(yàn)1∶50主梁節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)是在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行的,該風(fēng)洞試驗(yàn)段高1.8m,寬1.8m,長12m,可調(diào)風(fēng)速1~30m/s.節(jié)段模型由設(shè)在風(fēng)洞外部支架上的上下各4根彈簧組成的懸掛系統(tǒng)懸吊于風(fēng)洞內(nèi)部,整個系統(tǒng)的豎彎和扭轉(zhuǎn)阻尼比分別為0.28%和0.24%,在此阻尼比條件下渦振能夠在各工況廣泛出現(xiàn),并且振幅不會過大以至于對模型系統(tǒng)的安全造成威脅.圖5(a)為洞外彈簧懸掛系統(tǒng),圖5(b)洞內(nèi)節(jié)段模型.試驗(yàn)中采用CA-YD-103型壓電式加速度傳感器測量模型振動,用到的測量儀器還包括YE5866電荷放大器及NI采樣系統(tǒng),數(shù)據(jù)采樣頻率為200Hz.采集的加速度經(jīng)過兩次積分轉(zhuǎn)換為位移,積分初值的影響用高通濾波消除.首先進(jìn)行了斷面1的渦振風(fēng)洞試驗(yàn),攻角包括-3°、0°和+3°,均出現(xiàn)了豎彎渦振和扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象,振幅在+3°攻角時最大.為了嘗試出一種有效的渦振控制措施,針對+3°攻角依次進(jìn)行了斷面2~6的渦振風(fēng)洞試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)斷面6的渦振振幅最小.為了和斷面1試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行全面對比,最后進(jìn)行了斷面6的-3°和0°攻角的渦振風(fēng)洞試驗(yàn).所有工況是在均勻流場中進(jìn)行的.4結(jié)果和分析4.1水平風(fēng)速鎖定區(qū)比較圖6對比了增設(shè)導(dǎo)流板的斷面與原始斷面的渦振振幅-風(fēng)速曲線,可以看出,豎彎渦振和扭轉(zhuǎn)渦振均有兩個或多個鎖定風(fēng)速區(qū)間,但主要集中在兩個風(fēng)速區(qū)域,分別稱為低風(fēng)速鎖定區(qū)和高風(fēng)速鎖定區(qū),窄導(dǎo)流板和寬導(dǎo)流板將豎彎渦振低風(fēng)速鎖定區(qū)的起振風(fēng)速從15.5m/s分別提前到10.7m/s和13.9m/s,對豎彎渦振高風(fēng)速鎖定區(qū)以及扭轉(zhuǎn)渦振風(fēng)速鎖定區(qū)幾乎沒有影響.結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn),與斷面1相比,窄導(dǎo)流板增大了豎彎渦振振幅,而寬導(dǎo)流板將豎彎渦振振幅減小了2.8%;增設(shè)了窄導(dǎo)流板的斷面2和斷面3分別將扭轉(zhuǎn)渦振振幅減小了7.4%和3.4%,增設(shè)了寬導(dǎo)流板的斷面4將扭轉(zhuǎn)渦振振幅減小了10.1%,因此,寬導(dǎo)流板的抑振效果明顯優(yōu)于窄導(dǎo)流板.這是因?yàn)闇u振試驗(yàn)時箱梁腹板表面會形成相對較厚的邊界層,窄導(dǎo)流板斜板浸沒其中,沒有足夠的氣流進(jìn)入導(dǎo)流板間隙,間隙對空氣的壓縮作用就不明顯,有效的沖碎旋渦的高速氣流無法形成.相反,旋渦卻由于窄導(dǎo)流板這一附屬物的存在發(fā)生分離并產(chǎn)生了旋渦脫落,可能使得渦振振幅加大.而寬導(dǎo)流板的夾角較大,水平板較寬,間隙對空氣的壓縮作用明顯,能夠形成有效的沖碎旋渦的高速氣流,并且沖射距離較遠(yuǎn).因此,導(dǎo)流板的夾角和水平板的寬度是影響抑振效果的關(guān)鍵因素.另外,比較斷面2和斷面3渦振試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),在去掉檢修軌道前后渦振振幅和鎖定風(fēng)速幾乎沒有變化,因此,檢修軌道對帶挑臂箱梁渦振性能沒有影響,移動檢修軌道沒有抑振效果.4.2振鎖定風(fēng)速區(qū)間圖7對比示出了增設(shè)擾流板的斷面與原始斷面在+3°攻角時的渦振振幅-風(fēng)速曲線.由圖7(a)可以看出,3個斷面均存在多個豎彎渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,窄擾流板(斷面5)提前了起振風(fēng)速,而寬擾流板(斷面6)推遲了起振風(fēng)速;從圖7(b)可以看出,斷面1存在多個扭轉(zhuǎn)渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,而斷面5和斷面6均只有一個扭轉(zhuǎn)渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,而且起振風(fēng)速均滯后于斷面1.結(jié)合表2可以發(fā)現(xiàn),窄擾流板和寬擾流板將+3°攻角豎彎渦振振幅分別減小了55.1%和66.0%,將+3°攻角扭轉(zhuǎn)渦振振幅分別減小了32.2%和51.0%,抑振效果明顯,而且寬擾流板優(yōu)于窄導(dǎo)流板.圖8對比了增設(shè)了寬擾流板的斷面6與原始斷面在-3°和0°攻角時的渦振振幅-風(fēng)速曲線.從圖8(a)可以看出,斷面1在-3°攻角時存在兩個豎彎渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,在0°攻角時存在3個緊鄰的豎彎渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,而斷面6在-3°和0°攻角時均沒有發(fā)生豎彎渦振;從圖8(b)可以看出,斷面1在-3°攻角時存在兩個扭轉(zhuǎn)渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,在0°攻角時存在多個扭轉(zhuǎn)渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間,而斷面6在-3°攻角時沒有發(fā)生豎彎渦振,在0°攻角時存在一個扭轉(zhuǎn)渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間.斷面6相對斷面1在各攻角下渦振振幅減小幅度如表3所示,豎彎渦振和扭轉(zhuǎn)渦振振幅減小幅度分別在+3°攻角和0°攻角時最大,因此(寬)擾流板在不同攻角下的抑振效果不同,即設(shè)置擾流板對渦振的控制效果同風(fēng)攻角有密切關(guān)系.5帶挑臂箱梁1)帶挑臂箱梁渦振振幅隨著風(fēng)攻角增大而增大,渦振性能對風(fēng)攻角比較敏感.2)導(dǎo)流板可能會增大帶挑臂箱梁渦振振幅,導(dǎo)流板的夾角和水平板的寬度是影響抑振效果的關(guān)鍵因素,夾角越大,水平板越寬,抑振效果越好.3)在設(shè)有導(dǎo)流板的情況下,檢修軌道對帶挑臂箱梁渦振性能沒有影響,移動檢修軌