氣動(dòng)措施對(duì)加勁梁顫振臨界風(fēng)速的影響

0板板下中央穩(wěn)定板及板板板防風(fēng)固載技術(shù)自20世紀(jì)以來(lái)，懸索橋已成為大型橋梁中的一座常見(jiàn)橋之一。例如，日本明石海岸橋的主要跨距為1890米。其常用的主梁形式有扁平鋼箱和桁梁兩種。扁平箱梁外形為流線型,具有較好的空氣動(dòng)力學(xué)性能,已修建的公路懸索橋中應(yīng)用較多。對(duì)于交通不便的山區(qū)以及多線合一(如公鐵兩用橋梁)時(shí),考慮施工、車(chē)輛荷載等因素的影響,需采用鋼桁加勁梁。但鋼桁加勁梁斷面形式較鈍,抗風(fēng)性能尤其是顫振性能往往是控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素之一。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)方程看,質(zhì)量、阻尼、剛度及外荷載這四個(gè)方面均可改變結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。但對(duì)已設(shè)計(jì)的大跨度橋梁結(jié)構(gòu),氣動(dòng)措施是常采用的一種方法,該方法通過(guò)改變結(jié)構(gòu)外形實(shí)現(xiàn)改變外荷載。常用的氣動(dòng)措施有風(fēng)嘴、氣動(dòng)翼板、上下中央穩(wěn)定板,裙板,導(dǎo)流板、抑流板或擾流板以及中央開(kāi)槽等。日本明石海峽大橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為78m/s,設(shè)計(jì)中在上橋中央位置、人行道位置的橋面采用開(kāi)槽柵格,并在上橋面設(shè)置下中央穩(wěn)定板,顯著地提高顫振臨界風(fēng)速。新建的塔科馬海峽大橋采用桁架加勁梁,其橋面板采用開(kāi)槽格柵的措施,提高了橋梁氣動(dòng)特性。國(guó)內(nèi)劉家峽大橋通過(guò)設(shè)置桁架梁下中央穩(wěn)定板,封閉橋梁兩側(cè)部分防撞欄(起到上中央穩(wěn)定板的作用),同時(shí)加上水平導(dǎo)流板等措施使顫振臨界風(fēng)速合格。湖南矮寨大橋通過(guò)結(jié)合橋面板中央封槽和上下安裝高1m的中央穩(wěn)定板方案,有效地提高該鋼桁加勁梁懸索橋的顫振穩(wěn)定性。徐洪濤等通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了橋面板中央開(kāi)槽、增設(shè)裙板和氣動(dòng)翼板等對(duì)桁架大跨度加勁梁橋顫振性能的影響。劉慶寬等研究上、下中央穩(wěn)定板、下橫梁穩(wěn)定板、導(dǎo)流板、雙中央穩(wěn)定板等對(duì)小寬高比鋼桁懸索橋顫振穩(wěn)定性的影響。譚瀟等專(zhuān)門(mén)研究上下中央穩(wěn)定板對(duì)中央開(kāi)槽的大跨度桁架加勁梁懸索橋的顫振性能影響。由已有研究可以看出,橋面透風(fēng)和中央穩(wěn)定板等是提高桁梁橋顫振動(dòng)穩(wěn)定性的主要措施。已建成的大跨度懸索橋多為兩塔一跨的公路橋梁。由于受橋位資源等因素的限制,越來(lái)越多的采用多線合一的結(jié)構(gòu)型式。某大跨度橋梁的設(shè)計(jì)方案為三塔兩跨的大跨度公鐵兩用懸索橋,該方案采用了雙層板桁結(jié)構(gòu),上下各6線公路,鐵路線路位于下層公路外伸挑臂之上,是一種新的應(yīng)用于公鐵兩用懸索橋中的加勁梁形式,由于斷面新穎,常規(guī)的氣動(dòng)優(yōu)化措施不一定適用,類(lèi)似可借鑒的經(jīng)驗(yàn)較少。又由于該橋地處我國(guó)東部沿海,橋址區(qū)設(shè)計(jì)風(fēng)速較高,根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,該橋位處的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為89.0m/s,而根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》為89.1m/s。該橋位處顫振檢驗(yàn)風(fēng)速已非常高,同為三塔兩跨懸索橋的泰州長(zhǎng)江大橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為57.4m/s。因此,加勁梁的顫振穩(wěn)定性是本橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn),研究了上下橋面中央欄桿、上橋面下中央穩(wěn)定板、鐵路挑臂等措施及其組合情況對(duì)加勁梁顫振臨界風(fēng)速的影響,提出了一種可改善帶挑臂的公鐵兩用懸索橋加勁梁顫振穩(wěn)定性的氣動(dòng)措施。1雙向六車(chē)道公路該三塔兩跨懸索橋設(shè)計(jì)方案的跨徑布置為94m+2×800m+94m=1788m(見(jiàn)圖1)。主梁采用三跨連續(xù)加勁桁梁,橋面分上、下兩層。其中,上層橋面布置雙向六車(chē)道公路,下層橋面同樣布置一條雙向六車(chē)道的公路,并在下層橋面外伸挑臂布置了雙線市郊鐵路(見(jiàn)圖2),下層橋面離最高通航水位高度為60.9m。全橋設(shè)兩根主纜,橫向間距為37.7m,主纜主跨跨徑800m,矢高75m,矢跨比為1/10.7。通過(guò)有限元模型分析,表1列出了該橋的部分自振特性,由表可見(jiàn),由于跨徑較大且中塔缺少有效的縱向約束,該三塔兩跨懸索橋主梁非常輕柔,自振頻率低且分布密集,在風(fēng)的作用下更容易發(fā)生顫振,因而抗風(fēng)設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)中的主要問(wèn)題。2節(jié)段模型試驗(yàn)顫振節(jié)段模型試驗(yàn)在西南交通大學(xué)風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)研究中心XNJD-1工業(yè)風(fēng)洞進(jìn)行。主桁架梁節(jié)段模型采用1/46.3的幾何縮尺比,節(jié)段模型全長(zhǎng)2.1m,按幾何縮尺比嚴(yán)格模擬加勁梁的幾何外形。主桁架梁節(jié)段模型上下弦桿骨架采用優(yōu)質(zhì)木材制作,表面貼有塑料層板,工字型腹桿采用塑料層板制作拼裝,附屬裝置如橋面板、欄桿等采用塑料由電腦雕刻而成,外形與實(shí)橋相似,并在模型兩端設(shè)置端板,以保證加勁梁斷面氣動(dòng)繞流的二維特性。節(jié)段模型試驗(yàn)采用彈性懸掛節(jié)段模型的方法,由8根拉伸彈簧將模型懸掛在支架上,形成可豎向運(yùn)動(dòng)和繞模型軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。試驗(yàn)支架置于洞壁外,以免干擾流場(chǎng)。成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)可能的顫振形態(tài)由豎彎基頻和扭轉(zhuǎn)基頻控制,針對(duì)表1中四種頻率組合,采用VanderPut平板公式計(jì)算,結(jié)果表明第1種組合的顫振臨界風(fēng)速最低,故選取該模態(tài)組合的豎彎頻率、扭轉(zhuǎn)頻率的組合進(jìn)行試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)所采用節(jié)段模型的主要參數(shù)如表2所示,其中試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘L(fēng)速比為4.56。由表2可見(jiàn),實(shí)際橋梁的扭彎頻率比非常大,在節(jié)段模型中需要制作很牢固的支架才能滿足扭彎比的要求。但偏安全的采用常用節(jié)段模型的試驗(yàn)支架,這對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響應(yīng)較小。由于各種規(guī)范的設(shè)計(jì)風(fēng)速的計(jì)算有一定差別,導(dǎo)致最終的顫振臨界風(fēng)速有一定的區(qū)別。對(duì)比幾種相關(guān)規(guī)范所得的顫振臨界風(fēng)速,由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計(jì)算的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速最不利,故取其計(jì)算結(jié)果89.1m/s作為本次試驗(yàn)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,分別對(duì)主梁原始斷面模型在α=0°、±3°三種來(lái)流風(fēng)攻角進(jìn)行試驗(yàn)。三種攻角下的顫振臨界風(fēng)速分別為67.3、66.7、71.5m/s。在三種來(lái)流攻角下,主梁的顫振臨界風(fēng)速均遠(yuǎn)小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,其顫振穩(wěn)定性不滿足要求。因此,對(duì)本橋鋼桁加勁主梁的顫振性能進(jìn)行優(yōu)化,提高顫振臨界風(fēng)速是十分必要的。3振動(dòng)性能優(yōu)化3.1調(diào)整檢修道斷面,增加其臨界風(fēng)速為了提高在三種風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速,試驗(yàn)采用了多種氣動(dòng)措施對(duì)加勁梁進(jìn)行優(yōu)化:(1)鐵路道板和檢修道開(kāi)槽;(2)上橋面迎風(fēng)側(cè)內(nèi)側(cè)欄桿封閉;(3)下橋面迎風(fēng)側(cè)內(nèi)側(cè)欄桿封閉;(4)增加上橋面下側(cè)中央穩(wěn)定板;(5)增加檢修道與鐵路縱梁裙板;(6)封閉鐵路挑臂檢修道、鐵路道板及下橋面間的間隙;增加上橋面板下中央穩(wěn)定板、封閉上下橋面板迎風(fēng)側(cè)內(nèi)側(cè)欄桿(作用相當(dāng)于上中央穩(wěn)定板)、鐵路和檢修道開(kāi)槽等單獨(dú)措施及其組合措施,(具體措施示意圖如圖3所示。)得到各種措施下的顫振臨界風(fēng)速如表3和表4所示。由于在未施加任何措施的情況下,主梁的顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)小于檢驗(yàn)風(fēng)速,為便于考查上橋面中央穩(wěn)定板的作用,首先將上下橋面中央迎風(fēng)側(cè)欄桿封閉,由表4可見(jiàn),封閉橋面中央迎風(fēng)側(cè)欄桿后顫振臨界風(fēng)速有所降低。當(dāng)軌道板、檢修道開(kāi)槽后,三種氣流攻角下的顫振臨界風(fēng)速均有所降低,說(shuō)明增加挑臂的透風(fēng)性能會(huì)降低顫振性能。進(jìn)一步封閉上下橋面迎風(fēng)側(cè)欄桿后對(duì)提高顫振臨界風(fēng)速仍有限。3.2+3攻角的顫振臨界風(fēng)速位于挑臂之上的鐵路道板和檢修道開(kāi)槽后顫振臨界風(fēng)速有所降低(見(jiàn)表4)。因此,后續(xù)工況將鐵路挑臂全封閉,并與其他措施進(jìn)行組合,得到主梁的顫振臨界風(fēng)速如表4所示。由表4可見(jiàn),將鐵路挑臂空隙全封閉后,來(lái)流攻角為+3°時(shí),加勁梁的顫振臨界風(fēng)速相比工況1得到大幅提高,其作用可能與水平導(dǎo)流板類(lèi)似。在此工況6的基礎(chǔ)上,將上橋面板迎風(fēng)側(cè)內(nèi)側(cè)欄桿封閉后,+3°攻角下的顫振臨界風(fēng)速又有一定的提高,但仍小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,而在此工況基礎(chǔ)上,在鐵路檢修道下方增加斜裙板或封閉下橋面板迎風(fēng)側(cè)內(nèi)側(cè)欄桿的作用都有限。當(dāng)鐵路挑臂全封閉,上橋面迎風(fēng)側(cè)欄桿封閉且增加上橋面下中央穩(wěn)定板時(shí),三個(gè)風(fēng)攻角的顫振臨界風(fēng)速均大顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。但在+3°攻角時(shí)的顫振臨界風(fēng)速與顫振檢驗(yàn)風(fēng)速非常接近,若實(shí)際采用本方案還需進(jìn)一步的優(yōu)化工作,如調(diào)整中央穩(wěn)定板的高度等。4提高