大跨度橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性的測試與改進方法
發(fā)布時間:2014-07-28 18:54
1 氣動優(yōu)化措施風(fēng)洞試驗
顫振節(jié)段模型試驗在某風(fēng)工程實驗中心進行。主桁架梁節(jié)段模型外形(包括附屬裝置)與實橋相似,采用1:47.5的幾何縮尺比,模型長L=2.1 m,寬B=0.7534 m,高H=0.3164 m,長寬比L/B=2.38。模型用紅松木和層板制作,人行道欄桿按實橋設(shè)計結(jié)構(gòu)進行模擬。為避免微小桿件引起的氣動粘性效應(yīng),對欄桿中較細的豎向管按透風(fēng)率等效的原則進行合并。圖2為風(fēng)洞中的節(jié)段試驗?zāi)P。通過對結(jié)構(gòu)動力特性計算,結(jié)果顯示,結(jié)構(gòu)顫振狀態(tài)由對稱豎彎基頻和對稱扭轉(zhuǎn)基頻控制。因此,顫振節(jié)段模型試驗按主梁第1階正對稱豎彎頻率fh=0.1573 Hz和主梁第1階正對稱扭轉(zhuǎn) fa=0.2726 Hz 2個模態(tài)組合來確定模型系統(tǒng)的扭彎頻率比,即ε= fa/fh=1.73。根據(jù)設(shè)計單位提供,成橋狀態(tài)主梁的設(shè)計基準風(fēng)速為:Vd=25.90 m/s。該橋的顫振檢驗風(fēng)速振檢驗風(fēng)速Vcr=KufVd=1.2×1.29×25.90=40.09 m/s?紤]該橋地處山區(qū)峽谷,受峽谷風(fēng)氣流加速和風(fēng)場復(fù)雜影響,確定該橋節(jié)段模型顫振試驗風(fēng)速范圍為0.5~45.0 m/s,進行a=0o、+3o、一3o、+6o、-6 o 5種攻角情況下的試驗。
為了探討研究各種氣動控制措施在各個來流攻角下對顫振臨界風(fēng)速的影響,試驗采用了在橋面板中央開槽(見圖3)、增設(shè)裙板(布置方式如圖4)和氣動翼板(布置方式如圖5)等優(yōu)化措施進行測試。通過對比試驗顯示,一種氣動控制措施不能促使各個來流攻角下顫振臨界風(fēng)速增大,有時,某種措施能促使部分來流攻角下顫振臨界風(fēng)速增大,而對其余部分來流攻角效果不大,甚至可能引起相反的效果。為了達到最好的效果,使之在各個來流攻角下顫振臨界風(fēng)速都大于顫振檢驗風(fēng)速,需要采用多種氣動措施組合作用。因此,試驗又采用了幾種氣動措施優(yōu)化組合方式,進行對比試驗,最終確定一種氣動措施優(yōu)化組合方案,推薦給該橋梁設(shè)計單位。
1.1 橋面板中央開槽
在橋面板中央開槽,開槽寬度為1.0 m,見圖3。進行橋面板中央開槽、不開槽對比試驗,探討橋面板中央開槽與不開槽兩種情況對顫振臨界風(fēng)速的影響,試驗結(jié)果見表1。
從表1表可以看出:(1)在0 o攻角下,橋面板中央是否開槽對顫振臨界風(fēng)速并無多大影響;(2)在來流風(fēng)為正攻角的情況下,在橋面板中央開槽相對于不開槽的狀況,顫振臨界風(fēng)速有顯著提高,在a=+3 o、+6 o下分別提高40.4% 和48.6% ;(3)在-6 o攻角下,中央開槽相對于不開槽的狀況,顫振臨界風(fēng)速也有小幅提高,提高6.9%,而在-3 o攻角下,顫振臨界風(fēng)速卻降低24.4%,且小于顫振檢驗風(fēng)速41.3m/s。
1.2 裙板
在橋面板邊端與加勁梁上弦桿間設(shè)置裙板,裙板寬1.6 m,厚0.2m,其布置示意圖見圖4。進行增設(shè)裙板下橋面板中央開槽、不開槽對比試驗,探討裙板與橋面板開槽和不開槽兩種氣動優(yōu)化措施組合對橋梁顫振臨界風(fēng)速的影響。
從表2可以看出:(1)對桁架斷面增設(shè)裙板后,在00攻角下,顫振臨界風(fēng)速在橋面板中央開槽和不開槽的狀況下分別提高17.5%和21.5%。(2)在橋面板中央不開槽的情況下,增設(shè)裙板后,顫振臨界風(fēng)速在來流風(fēng)為負攻角時基本上沒有變化;在+60攻角時,增大明顯,提高44.0%;然而在來流風(fēng)為+3o攻角時,顫振臨界風(fēng)速降低17.5%。從整體來看,方案3在各種來流攻角下,顫振臨界風(fēng)速都達到了41.9m/s以上,滿足顫振檢驗風(fēng)速的要求。(3)方案4橋面板中央開槽,增設(shè)裙板后,顫振臨界風(fēng)速在+60攻角下提高幅度很大,然而在+30、-60攻角下降低9.3%和12.2%;在來流風(fēng)為-30攻角時,顫振臨界風(fēng)速基本無變化,小于顫振檢驗風(fēng)速41.3 m/s。
1.3 氣動翼板
增設(shè)氣動翼板,翼板尺寸為:寬1.4 m,厚0.2in。支撐翼板的支架高3 m,間隔為5 rn,固定于上弦桿,筆耕論文,見圖5。進行增設(shè)氣動翼板下橋面板中央開槽不開槽對比試驗,探討氣動翼板與橋面板開槽不開槽兩種氣動優(yōu)化措施組合對橋梁顫振臨界風(fēng)速的影響。
由表3可以看出: (1)在桁架上增設(shè)氣動翼板后,在00攻角下,顫振臨界風(fēng)速有所提高,在橋面板中央開槽和不開槽的狀況下分別提高24.8% 和23.6%;方案5橋面板中央不開槽,增設(shè)氣動翼板后,在來流風(fēng)為負攻角時,顫振臨界風(fēng)速有小幅提高,在攻角為-30攻角時,基本沒有變化。在來流風(fēng)攻角為+60時,顫振臨界風(fēng)速有所提高,提高26.9% ;(3)方案6橋面中央開槽,增設(shè)氣動翼板后,顫振臨界風(fēng)速除在攻角為+3。時略有減小外,其余各試驗來流風(fēng)攻角下都增幅明顯,+6o、0o、-3o、-60攻角時分別提高76.1%、24.8%、65.1%、25.1%。
1.4 最終設(shè)計氣動措施組合方案
經(jīng)過3組不同氣動優(yōu)化措施組合對比試驗探討,確定橋面板中央開槽同時增設(shè)氣動翼板的組合方案6為推薦氣動優(yōu)化斷面。出于施工方面的考慮,設(shè)計單位將氣動翼板由方案6中的上弦桿的位置移到了下檢修道外側(cè),見圖6。進行最終設(shè)計氣動措施組合方案試驗,驗證最終設(shè)計氣動措施組合方案在各個來流攻角下的顫振臨界風(fēng)速是否高于顫振檢驗風(fēng)速,結(jié)果見表4。
由表4可以看出,最終設(shè)計氣動措施組合方案在各個來流攻角下的顫振臨界風(fēng)速都高于顫振檢驗風(fēng)速,可以滿足抗風(fēng)設(shè)計要求。但是由于將氣動翼板由方案6中的上弦桿的位置移到了下檢修道外側(cè),致使+30、+60來流攻角下的顫振臨界風(fēng)速比方案6有較大幅度減小,分別降低26.5%和50.5%。
2 顫振機理分析
目前,許多學(xué)者對顫振發(fā)生機理作了許多富有成效的探索和研究(周志勇,2001年;楊泳昕,2002年)。常用的定量分析方法是將系統(tǒng)阻尼和系統(tǒng)剛度解析為包含有斷面氣動外形參數(shù)的氣動導(dǎo)數(shù)的函數(shù)形式,并通過氣動導(dǎo)數(shù)變化規(guī)律研究斷面氣動外形同顫振發(fā)生規(guī)律的關(guān)系。對于類似壩陵河大橋這種斷面較鈍的桁架梁而言,顫振現(xiàn)象表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)形態(tài)的分離流顫振。其機理認為是由氣動阻尼驅(qū)動,且激勵扭轉(zhuǎn)顫振的氣動負阻尼來自與氣動導(dǎo)數(shù)A 2有關(guān)的扭轉(zhuǎn)氣動阻尼力。
3 氣動優(yōu)化措施試驗結(jié)果分析
。1)橋面板中央開槽可以提高桁架加勁梁懸索橋正攻角下的顫振臨界風(fēng)速,但是對00攻角的影響并不明顯,甚至在-30攻角下出現(xiàn)顫振臨界風(fēng)速降低的情況。這說明桁架加勁梁橋面板中央開槽與鋼箱加勁梁開槽顫振穩(wěn)定控制機理不同,鋼箱加勁梁開槽,上下空氣流通,可以減小橋面板上下面的壓力差,從而有效提高橋梁的顫振穩(wěn)定性。而桁架加勁梁和橋面板邊端是鈍體,桁架透風(fēng)性能好,橋面板中央開槽,抑制顫振作用有限,所以只能提高部分攻角下的顫振臨界風(fēng)速,對部分攻角的影響不明顯,甚至個別攻角下出現(xiàn)顫振臨界風(fēng)速降低的情況。
(2)在橋面板外緣和上弦桿外緣設(shè)置裙板,使氣動外型鈍化截面趨向于流線形,改善了氣流繞流的流態(tài),減少了漩渦脫落,所以能夠提高00及正攻角的顫振臨界風(fēng)速。然而,在桁架上沿增設(shè)裙板,并不能完全改變桁架加勁梁的鈍體斷面,氣流經(jīng)過桁架鈍化斷面,還有漩渦脫落。因此,增設(shè)裙板對負攻角會產(chǎn)生負作用,并且負角度越大,顫振臨界風(fēng)速降低越多,特別是當(dāng)橋面板中央開槽和裙板組合時,這種現(xiàn)象愈加顯著。
。3)增設(shè)氣動翼板以后,各個攻角下的顫振臨界風(fēng)速都有所提高,對正攻角下的顫振臨界風(fēng)速有明顯的增加,對負攻角增加較少。其原因是在橋面板兩側(cè)增設(shè)氣動翼板,有效地降低了氣動橋梁斷面的升力矩,對以扭轉(zhuǎn)顫振形態(tài)為主的桁架加勁梁橋的顫振臨界風(fēng)速有顯著的提高。氣動翼板是一種耗能裝置,翼板上的氣動力,能夠有效耗散氣流由主架輸入系統(tǒng)的能量,從而使系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性得到改善。當(dāng)氣動翼板和橋面板中央開槽組合時,多數(shù)攻角下的顫振臨界風(fēng)速的提高都達到了一半以上,高于顫振檢驗風(fēng)速36.2%以上。氣動翼板和橋面板中央開槽組合氣動措施,是最優(yōu)化氣動措施,是設(shè)計推薦方案,對其他桁架加勁梁的抗風(fēng)設(shè)計有很高的參考價值。
本文編號:6844
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