分离式双箱梁斜拉桥涡激振动试验研究——以港珠澳江海直达船航道桥为例

何晗欣，宋宏敏，李加武

(1.西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西西安710055；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司， 陕西西安710075；3.长安大学公路学院， 陕西西安710064)

分离式双箱梁斜拉桥涡激振动试验研究
——以港珠澳江海直达船航道桥为例

何晗欣1，宋宏敏2，李加武3

(1.西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西西安710055；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司， 陕西西安710075；3.长安大学公路学院， 陕西西安710064)

为了研究分离式双箱梁斜拉桥的涡激振动特性，以港珠澳江海直达船航道桥为研究对象,以风洞试验为研究手段，分析加风障、增设不同开槽率的中央底板、改变腹板角度和增设导流板等气动措施对主梁涡激振动特性的影响，以及在不同风攻角下不同气动断面的涡激振动特点。试验和分析结果表明：风障虽然不能避免涡激振动的发生，但是可以有效地减小涡激振动的振动幅度；底板开槽可以有效地控制涡激振动的发生，并存在1个最佳开槽率；改变幅板角度可以有效地避免二阶涡激振动的发生，但对一阶涡激振动影响效果不明显；相比较而言，导流板设置在断面两侧是对主梁断面进行涡激控制最有效的措施。

涡激振动;风洞试验;气动措施

分离式双箱梁桥由于其颤振稳定性较好，目前在大跨度高等级公路桥梁中广泛应用。理论和试验研究表明，在箱型加劲梁中央设置开口后能显著提高大跨度缆索桥的颤振稳定临界风速，但涡振性能却不如开口前的闭口箱梁[1-6]。虽然涡激振动不会像颤振一样引起桥梁毁灭性的破坏，但由于其多发生在低风速下，且发生频率较高，往往容易引起桥梁构件的疲劳破坏,并引起行人和行车舒适度的降低[7-11]。目前对扁平箱梁的涡激振动特性研究较多，而对分离式箱梁的涡激振动特性研究相对较少，采取的制振措施较为单一[12]。为此，本文以港珠澳江海直达航道桥为例，通过风洞试验，对分离式双箱梁斜拉桥的涡激振动特性及其制振措施进行了研究，旨在为同类型桥梁的涡激振动特性的研究和制振措施的选择提供一定的借鉴和参考。

1 工程背景

港珠澳大桥主体部分由青州航道桥、江海直达船航道桥、九州航道桥三部分组成。其中，江海直达航道桥是一座三塔斜拉桥，其主桥跨径布置为129+258+258+129 m，全长774 m。钢塔方案主梁灯柱处全宽39.75 m，非灯柱处宽38.80 m，中心线处高度4m；混凝土方案主梁灯柱处全宽40.25 m，非灯柱处宽39.30 m，中心线处高度4 m。大桥主梁断面如图1所示。通过对大桥进行有限元分析，得到其动力特性如表1所示。

图1 主梁标准横断面Fig.1 Standard cross-section of girder

表1 港珠澳大桥成桥动力特性Tab.1 Natural vibration frequency and vibration mode description of the primary vibration mode in bridge completion state

图2 节段模型悬挂在风洞中的示意图Fig.2 Section model in wind tunnel

2 试验研究方案

本试验在长安大学风洞试验中完成，节段模型缩尺比为1∶45，模型由树脂板制作完成，考虑栏杆。在节段模型的实验中，主要测量模型的位移响应、加速度响应和风速。本次风洞试验研究中，在梁端距中心等距离处分别布置了两个激光位移计，通过对测量结果进行代数差与代数和的运算，得到模型的扭转位移响应和竖弯位移响应。为了验证对激光位移计采集的数据，在刚臂上布置了两个加速度传感器。通过刚臂和弹簧将刚体节段模型悬挂在风洞内。图2为节段模型悬挂在风洞中的示意图。

试验结果表明，节段模型在低风速下就产生了竖向的涡激共振。因此，有必要采取适当的气动措施，分别采用风障、增设不同开槽率的底板、改变腹板角度和增设导流板等4种方案，在不同的风攻角下对主梁断面进行涡激振动试验，以选择最有效的措施对结构进行气动选型的优化。

3 试验结果与分析

3.1 方案一(增设风障)对桥梁涡激振动特性的影响

对增设风障后的桥梁进行节段模型试验，结果表明：在不同的风攻角下，主梁的一阶涡激振动和二阶涡激振动均得到明显控制，但在+3°风攻角涡激振动并未得到遏制，反而增大了，如图3所示。由于低风速下的涡激振动是涡激振动控制的主要对象，因此，风障是对主梁涡激振动控制有效的措施。鉴于现在大型桥梁均采用风障作为气动基础措施，以下的其他措施均是在增加了风障的基础上进行的。

图3 风障对主梁涡激振动特性的影响
Fig.3 The effect of windbreak on vortex-induced vibration

3.2 方案二(增加底板)对桥梁涡激振动特性的影响

给中央开槽断面增加底板，并根据CFD分析结果对桥梁断面进行开槽率分别为0，20%、40%、60%、80%等5种情况下的实验研究，并与原断面(开槽率为100%)的涡激振动特性进行比较。开槽率定义为分离式主梁之间开槽的距离与两个主梁之间的宽度之比。通过试验，得到不同风攻角下，不同底板开槽率下主梁的涡激振动特性，图4～图6分别为0°，+3°，-3°风攻角下主梁的竖向涡激振动特性试验结果。

由图4～图6可知，在0°风攻角下，无论增设何种开槽率的底板，主梁的一阶涡激振动都得到了明显的抑制，但二阶涡激涡激振动的情况却比较复杂。当底板开槽率为20%时，一阶涡激振动得到明显控制，但是二阶涡激振动的振幅不降反升，出现了主梁的竖向位移最大值。当开槽率为40%，60%，80%时，无论是一阶还是二阶，主梁的涡激振动均得到明显的抑制。在+3°和-3°风攻角下，当开槽率为40%时，主梁的涡激振动被遏制，且其二阶涡激振幅达到最小。由图4～图6中不同风攻角下竖向最大位移随开槽率的变化曲线可以看出，当底板开槽率为40%时，其对主梁涡激振动的制振效果最好。

可见，当主梁采用增设不同开槽率的底板时，中央开槽比例存在1个最佳值，在这个最佳开槽率下，分离式箱梁的涡激振动特性最佳，发生涡激振动的几率越低。

图4 0°风攻角下不同开槽率的主梁涡激振动特性
Fig.4 Character of vortex-induced vibration of different opening ratio under 0° wind attack angle

图5 +3°风攻角下不同开槽率的主梁涡激振动特性
Fig.5 Character of vortex-induced vibration of different opening ratio under 3° wind attack angle

图6 -3°风攻角下不同开槽率的主梁涡激振动特性
Fig.6 Character of vortex-induced vibration of different opening ratio under -3° wind attack angle

3.3 方案三(改变腹板角度)对桥梁涡激振动特性的影响

为了研究腹板角度对主梁涡激振动特性的影响，分别对不同腹板角度(109°、119°、129°、139°)下的箱梁进行涡激振动特性试验研究。腹板角度定义为外测腹板与底板之间的夹角(钝角)。通过试验得到不同风攻角下不同腹板角度时主梁断面的涡激振动特性，如图7～图9所示。

由图7～图9可知，在-3°的风攻角下存在两个涡振区域，其中低风速下的涡振区域较窄，振幅较小，其最大振幅满足规范要求，而相对较高风速下的涡激振动幅度较大。当腹板角度为109°和119°时，其振幅超过了规范要求；当腹板斜角为129°时，涡激振动不明显；当腹板角度为139°时，不出现涡激振动。在0°攻角下各个腹板角度均只有1个涡振区，而且出现涡振现象的风速大多集中在8～11 m/s，各个腹板斜角竖弯涡振的最大竖向位移均满足规范的要求，但随着腹板角度的增大，低风速区的涡激振动幅度有上升的趋势。+3°攻角下腹板斜角为109°和119°存在2个涡振区，腹板斜角为129°和139°只在低风速区发生涡激振动，各个腹板角度下出现涡振的低风速区大多集中在7～12 m/s，二阶涡激振动的风速大多集中在20～31 m/s，当腹板角度为109°时，其振动幅度远远超过规范要求，当腹板斜角为119°、129°和139°时，竖弯涡振的最大竖向位移满足规范的要求，且随着腹板角度的增加其二阶涡激振动得到明显的抑制。

图7 0°风攻角下不同腹板角度下主梁涡激振动特性
Fig.7 Character of vortex-induced vibration of web angle under 0° wind attack angle

图8 +3°风攻角下不同腹板角度下主梁涡激振动特性
Fig.8 Character of vortex-induced vibration of web angle under +3° wind attack angle

图9 -3°风攻角下不同腹板角度主梁涡激振动特性
Fig.9 Character of vortex-induced vibration of web angle under -3° wind attack angle

综上所述，增加腹板的角度可以有效地抑制二阶涡激振动，但却无法有效地抑制一阶涡激振动，甚至有使一阶涡激振动振幅增加的可能。虽然我们更多关注的是低风速下的涡激振动，但当桥位处的常年平均风速较大，在二阶涡激振动的风速范围内且风速上升速度较快时，其高阶涡激振动也是不容忽视的。因此，在满足规范对涡激振动幅度要求的前提下，可以适当地增加腹板的角度，以减小较高风速下的涡激振动振幅，使其满足规范要求。

3.4 方案四(设置导流板)对桥梁涡激振动特性的影响

分别将导流板加在腹板两侧和中央开槽部位，当导流板设置在腹板两侧时，导流板距离主梁模型底板15 mm，平行于底板的导流板长度为15 mm，平行于腹板的导流板长度为25 mm。当导流板设置在分离式主梁的中央开槽位置时，导流板距离底板15 mm，深入开槽位置的导流板长度为15 mm，并与底板成45°夹角。分别进行导流板在中央和导流板在两侧的涡激振动试验，并与原主梁的涡激振动特性进行比较，其试验结果如图10所示。可见，将导流板放置在腹板两侧时，涡激振动基本上不发生，当导流板设置在中央开槽位置时，涡激振动现象比较明显，与原截面相比，其涡激振动的风速锁定区虽然几乎不发生变化，但对振动幅度的控制效果是显而易见的，其最大振幅均控制在规范规定的界限之下。

图10 导流板对涡激振动特性的影响
Fig.10 The effect of baffle on vortex-induced vibration

4 结 语

以港珠澳大桥江海直达航道船桥为例，通过节段模型风洞试验，对分离式双箱梁斜拉桥涡激振动特性及其制振措施进行了研究。在以风障为基础气动措施的前提下，分别采用增设底板、改变腹板角度和增设导流板等3种措施，通过节段模型风洞试验得到以下结论：

①安装风障后，涡激振动的振幅虽然有明显减小，但当风速较高时，其涡激振动幅度仍然较大，无法满足规范要求，为安全起见，风障可以作为其他气动措施的辅助措施。

②增设不同开槽率的底板可以有效地抑制分离式箱梁的涡激振动，但是并非开槽率越小越好，或者开槽越大越好，而是存在1个最佳的开槽率，在这个开槽率下，底板的涡激振动控制效果最好。

③对本文所研究的桥梁实例而言，增加腹板角度对二阶涡激振动的控制更优于对一阶涡激振动的控制，随着腹板角度的增加，二阶涡激振动的振动幅值得到了明显的控制，而对一阶涡激振动而言，存在1个最佳的腹板角度，可以使其涡激振动得到最明显的抑制。

④导流板的设置可以有效地抑制涡激共振，尤其是当导流板设置在箱梁两侧时，其抑制效果最为明显。

试验结果表明，相比较增设底板和改变腹板角度，导流板对主梁涡激振动的抑振效果尤其显著。以往对于分离式箱梁的缆索承重桥涡激振动的研究表明导流板放置在中央开槽位置是最有效的[12-14]，然而，在此次试验研究中，很明显，将导流板设置在腹板两侧时对涡激振动的制振效果更胜一筹，这既证明了以往研究中导流板在这类主梁断面中抑制涡激振动的有效性，同时也对导流板设置在何处更有效提出了探讨的空间。

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(责任编辑 唐汉民 裴润梅)

Experimental study on vortex-induced vibration of separated box girders in cable-stayed bridges

HE Han-xin1, SONG Hong-min2, LI Jia-wu3

(1.School of Civil Engineering, Xi’an University of Architecture and Technology, Xi’an 710055, China;2.CCCC First Highway Consultants Co. Ltd, Xi’an 710075, China;3.Highway School, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

In order to study the vortex-induced vibration (VIV) of separate pairs of box girders in cable-stayed bridges, Hong Kong-Zhuhai-Macao River-sea Ship Canal Bridge is taken as an example. Employing a wind tunnel test, the effect of different aerodynamic measures, including adding windbreak, setting grating of different opening ratios, changing incline angle of web, and setting baffle, on the VIV of main girder is respectively studied, and the VIV characteristics of the girder under various aerodynamic measures and different wind attack angles is analyzed. According to the test and analysis, although the windbreak cannot avoid the VIV for the bridge, it can effectively reduce vibration amplitude. The measure of setting grating with different opening ratios is effective, while there is an optimum opening ratio to restrain the VIV. Changing the incline angle of web can restrain the second-order VIV effectively. However, its effect on the first-order VIV is not remarkable. Comparing the aforementioned measures, setting baffles on both sides of the girder is the most effective measure to restrain the VIV.

vortex-induced vibration; wind tunnel test; aerodynamic measures.

2014-10-01；

2014-12-18

国家自然科学基金资助项目(51078038);陕西省教育厅专项科研计划项目(14JK1436);西安建筑科技大学青年科技基金(QN1306)

何晗欣(1981-)，女，陕西西安人，西安建筑科技大学讲师，博士；E-mail：hehanxin@126.com。

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2015.0178

U44

A

1001-7445(2015)01-0178-08