稳定板对边主梁断面悬索桥涡振的影响研究

庄欠国

（核工业西南勘察设计研究院有限公司）

稳定板对边主梁断面悬索桥涡振的影响研究

庄欠国

（核工业西南勘察设计研究院有限公司）

本文以某边主梁断面的大跨度悬索桥为工程背景，采用节段模型风洞试验方法研究了稳定板对桥梁涡激振动的影响。通过增设不同位置的稳定板（开口中央、四分之一位置处的不同组合），在保持结构阻尼等参数相同的情况下进行风洞试验，获得各工况下的涡激振动的幅值和涡振区间。结果表明，设置不同位置的稳定板对桥梁涡激振动的影响是不同的，合适的稳定板位置能有效的抑制桥梁的涡激振动。

悬索桥；钢－混组合梁断面；稳定板；涡激振动

1 引言

随着设计和施工水平的不断提高，现代桥梁的跨度记录不断被刷新，而大跨桥梁的结构特点是大、轻、柔，因此对风的作用相当敏感。对于大跨度桥梁设计中，在必须保证颤振稳定性的基础上，在低风速下很容易出现的涡激振动现象，同样是我们必须考虑的问题。尽管涡激振动不像颤振、驰振一样是发散的毁灭性的振动，但是由于是在低风速下常容易发生的振动，且振幅之大足以影响行车安全，振动过于频繁容易导致桥梁主梁发生疲劳而发生损坏，因而在施工或者成桥阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围内具有很重要的意义。

在桥梁设计中，因为开口断面的钢－混组合梁因为具有良好的经济性，开始在大跨桥梁中出现。一般而言，开口箱梁在斜拉桥中出现较多，而在悬索桥中应用很少。例如，主跨380m的柳州红光大桥为国内首次采用边主梁断面的悬索桥，目前正在建设的三塔四跨体系的鹦鹉洲悬索桥的加劲梁也采用了这类断面。边主梁断面具有扭转刚度小、气动稳定性欠佳的特点，作为加劲梁用于大跨度悬索桥时容易引起大桥的颤振及涡激共振问题。对于开口箱梁悬索桥，通过节段模型试验表明，通过增设风嘴、导流板以及调整检修轨道位置并不能改变箱梁开口处的风场流动，从而也就达不到改善桥梁的涡振性能的目的，而通过增设不同位置的稳定板，不仅可以提高桥梁的颤振临界风速，同时对抑制桥梁涡激共振幅值同样有很好的作用。本文以某大跨度悬索桥的节段模型风洞试验入手，研究不同位置的稳定板对桥梁涡激振动性能的影响，从而初步探索稳定板气动控制措施的控制效果和控制机理。

2 试验概况

表1 节段模型试验参数

本文以某大跨度开口箱梁悬索桥为背景，桥梁主跨为838m。节段模型试验采用的缩尺比为1:50。表1给出了节段模型的主要试验参数。竖向及扭转的模态阻尼比均取为0.7%。

节段模型风洞试验在边界层风洞内进行，采用二元刚体弹性悬挂系统，试验时加劲梁节段模型由8根弹簧悬挂在特定的装置上，模型振动参数通过弹簧刚度、模型质量及附加阻尼进行调节。稳定板的设置位置如图2所示，通过不同位置的组合，来发现和探索稳定板位置对涡激振动的控制效果和控制机理。

3 气动措施对涡振的影响

在开口箱梁桥中，由于引起涡振的主要原因是在来流风在边主梁尾部发生漩涡脱落现象，从而产生周期性变化的涡激力，而周期性的涡激力就会引起桥梁结构的涡激振动，并且在我涡脱落频率与结构的自振频率相一致。在风洞试验中发现，增设稳定板能改善对此桥梁断面的抗涡振性能，据此，研究的稳定板气动措施包括：（a）设置中央上稳定板，稳定板高度为 1.02m（与栏杆齐平）；（b）设置下稳定板，其下缘高度与检修轨道齐平，稳定板的位置包括1/4横梁宽度、1/2横梁宽度和3/4横梁宽度。图2给出了加劲梁断面各种气动措施示意。

根据上述稳定板位置，设计的试验工况为:

工况1：仅在1/2横梁宽度处设置下稳定板；

工况2：在1/4和3/4横梁宽度处设置两道下稳定板；

工况3：在1/4、1/2和3/4横梁宽度处设置三道下稳定板；

工况4：在1/4、1/2和3/4横梁宽度处设置三道下稳定板以及中央上稳定板。

在试验中发现，在-3°攻角时，各工况均未出现涡激共振现象，在0°攻角时仅在工况1出现涡激共振现象，工况2、工况3和工况4未出现涡激共振现象，而在+3°攻角下，所有的工况均出现了涡涡激共振现象，因而在试验结果中，我们主要以+3°攻角的涡振试验数据来进行对比分析。+3°攻角下个工况的涡振实验结果如图2～图5所示，其中虚线为桥梁抗风设计的规范限值。

图3 工况1

图4 工况2

图5 工况3

图6 工况4

由图3～图6的试验结果中，可以发现：

工况1：仅出现了扭转振动，振动幅值超过规范限值；

工况2：竖弯振动和扭转振动均都出现，且都在规范限值以内；

工况3：竖弯振动和扭转振动均都出现，竖弯幅值比工况2略低，但扭转幅值增大，接近规范限值；

工况4：竖弯振动和扭转振动均都出现，竖弯幅值与工况3相近，但扭转幅值超过规范限值。

通过以上的试验现象，我们可以发现的规律如下：

1. 通过工况1、工况2和工况3，可以得知，1/2横梁宽度处的稳定板对主梁扭转振动产生不利影响，但对主梁竖弯振动产生有利影响。

2. 通过工况3和工况4的对比，可以发现，中央上稳定板对主梁扭转振动产生不利影响，而对主梁竖弯振动的影响很小。

3. 虽然各工况的涡振幅值有较大变化，但是产生涡振的风速区间变化不大。

4 结论

钝体结构的涡激振动现象是由断面尾部的气流漩涡引起的。尽管此开口箱梁线性设计采用了流线型设计，但是由于底部开口，来流风在边主梁处很容易发生涡脱现象，而产生涡激力，从而造成开口箱梁极易发生涡激振动。风洞试验发现，通过设置稳定板可以使主梁断面的气动性能得到优化，是一种经济有效的抑振措施。导流板会将边主梁尾部产生下的漩涡阻挡打散，从而抑制了主梁的涡激振动。

该结论是基于试验结果的一种推断，准确的控制机理研究还需要通过粒子成像技术（PIV）或者数值模拟来实现。

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1007-6344（2016）03-0090-01

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