大跨度悬索桥涡振风洞试验与现场实测比较

2018-07-14王守强葛耀君

结构工程师 2018年3期

王守强赵林葛耀君

(同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海 200092)

0 引言

涡振是指风流经各种断面形状的钝体结构时,在其断面背后都有可能发生旋涡的交替脱落,产生交替变化的涡激力而引起的结构振动[1]。涡振兼有自激振动和强迫振动的性质,它是一种发生在较低风速区内的有限振幅振动[2-3]。通常情况下,桥梁涡振不会带来毁灭性的破坏,但在反复荷载作用下会造成桥梁构件疲劳,并会使行人和行车有不舒适感。

缩尺比对试验有较大影响[4]。商东洋[5]研究不同尺寸矩形涡振,发现不同尺寸的模型涡振得出的结果不统一;罗东伟[6]研究不同桥面粗糙度下的涡振性能,发现桥面粗糙度模拟得越低,涡振试验结果偏差越大;陈海兴[7]通过一座钢箱斜拉桥1∶20节段模型风洞试验,得出不同检修栏杆对涡振振幅影响明显;许福友[8]总结了影响涡振的主要因素,指出气动外形直接决定了气流遇到断面以后流动的分离和形成旋涡的特点,对涡振的发生及振幅至关重要。分体式钢箱梁作为大跨度桥梁典型的主梁断面形式,有必要进行其涡振响应影响因素的试验研究。

桥梁涡振研究有理论分析、风洞试验、现场实测和数值模拟四种方法,然而在实际研究中这四种方法的结果并不能完全统一[9-11]。出现这一现象的主要原因可能包括:影响现场实测的因素很多;在风洞试验和数值模拟的过程中影响因素考虑得不够全面;风洞试验不可能完全模拟桥梁风环境,往往引入一些假定,导致和实际情况相差较大等。

本文通过选取国内典型悬索桥进行了不同缩尺比的节段模型风洞试验研究,从模型尺寸、外形及阻尼比等方面比较了分体式钢箱梁竖弯涡振响应,并与实桥涡振响应监测值进行了比较。

1 桥梁涡振风洞试验

本文对桥梁涡振进行了小尺寸节段模型(图1)试验和大尺寸节段模型(图2)试验,其中小尺寸节段模型采用几何相似比λL=40,大尺寸节段模型采用几何相似比λL=20,模型的主要参数如表1所示。

表1节段模型主要参数

Table 1 Main parameters of the segment model

图1 小尺寸节段模型Fig.1 Small-scale segmental model

研究加劲梁为薄壁箱形结构,小尺寸节段模型是由铝合金框架覆以轻质木板加工而成,大尺寸节段模型是由铝合金框架覆以铝皮加工而成,桥面栏杆、检修轨道和风嘴等均选用ABS材料用电脑雕刻机雕刻而成。小尺寸节段模型试验是在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ1边界层风洞中进行的,大尺寸节段模型试验是在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ3边界层风洞中进行的。

在节段模型试验中,主要测量对象是风速以及模型位移和加速度响应。流场测量采用Dantec公司生产的55P61热线风速仪和Streamline X探头,布置在节段模型的前端,探头离开风洞底面的高度是可以自由调整的。参考风速测量采用皮托管和补偿式微压计,布置在模型的上前方。采用十字探头Dantec热线风速仪和皮托管风速计对支架内侧的风洞流场进行了测试,风速不均匀性小于1%,模型高度处的紊流强度小于2.5%,可以认为试验条件下流场为均匀流场。

图2 大尺寸节段模型Fig.2 Big-scale segmental model

风洞试验的位移响应测量采用Mew-Matsuchita公司生产的MLS-LM10激光位移计。该位移计量程±50 mm,精度±0.01 mm。在端横梁两端布置4个光学位移计,通过位移计测量值的代数和可以换算到模型振动时的竖向位移响应。为了便于校核,还在端横梁两端布置了4个加速度传感器。经过比较结果认为光学位移计的测量结果精度较高,因此最后试验结果采用光学位移计实测信号,同时采用HP35670A动态信号分析仪进行实时监视和计算机数据采集系统软件进行数据采样和处理。

2 涡振响应影响因素研究

2.1 风攻角及导流板对涡振响应影响

为了比较风攻角及导流板对涡振响应的影响,选取大尺寸节段模型试验,对三种不同风攻角下有无导流板的实验结果进行了对比,如图3所示。

图3 风攻角及导流板对涡振响应影响Fig.3 The influence of wind attack angle and guide plate on the vortex-induced vibration

由图3发现:无导流板情况下,+3°攻角、0°攻角和-3°攻角均出现了竖弯涡振,且竖弯位移最大值分别达到了9.8 cm、20.5 cm和18.6 cm;有导流板情况下,+3°攻角出现了位移最大值为4.4 cm的竖弯涡振,0°攻角出现了位移最大值为9.0 cm的竖弯涡振,但-3°攻角未出现明显竖弯涡振;不同风攻角下,模型发生涡振风速锁定区间不同。设置导流板之后,竖弯涡振位移有明显的减少,并使涡振风速锁定区间向低风速区迁移。

2.2 模型尺寸对涡振响应影响

为了比较模型尺寸对涡振响应的影响,选取大尺寸节段模型试验和小尺寸节段模型试验,对设置导流板情况下三种不同风攻角的实验结果进行了对比,如图4所示。

由图4发现:小尺寸节段模型试验在不同风攻角条件下均未观测到明显的竖弯涡振现象,但通过仔细观察可以发现两个疑似涡振点:风速7.5 m/s和9.0 m/s附近;大尺寸节段模型试验在+3°攻角和0°攻角均观测到了竖弯涡振,涡振风速锁定区间分别为[4.97 m/s,7.71 m/s]和[8.32 m/s,10.24 m/s]。

图4 尺寸对涡振响应影响Fig.4 The influence of model size on the vortex-induced vibration

对于小尺寸节段模型实验出现疑似竖弯涡振点,而大尺寸节段模型试验有效测量出的原因是:两种节段模型试验尺寸相差1倍、风速比相差0.5倍,造成雷诺数相差2倍左右;同时大尺寸节段模型试验风速比为1∶1可以控制风速增量,而小尺寸节段模型试验风速跳跃较大。由此可见,尺寸效应对涡振影响大。

2.3 模型阻尼比对涡振响应影响

对于设置导流板断面,阻尼比的增大可以使竖弯涡振消失。为了更加明显比较模型阻尼比对涡振响应的影响,选取大尺寸节段模型试验,对未设置导流板情况下两种不同阻尼比的实验结果进行了对比,如图5所示。

图5 阻尼比对涡振响应影响Fig.5 The influence of the damp ratio on the vortex-induced vibration

由图5发现,竖弯涡振位移在阻尼比为1.5‰时为18.6 cm,在阻尼比为4.5‰时为7.3 cm,可见阻尼比的增大可以使竖弯涡振位移减小,在节段模型涡振试验时应根据阻尼比对振幅进行调整;随着阻尼比的增大涡振风速锁定区间也相应向高风速方向迁移。

3 桥梁涡振实测及涡振响应比较

3.1 实桥涡振响应监测

实桥涡振响应数据来源于国内某典型大跨度悬索桥的桥梁健康监测系统,本文的研究主要是基于对大桥风速和加速度的数据处理上,图6给出桥梁传感器布置图。

表2对于风速风向仪和加速度传感器的编号、类型及位置进行了详细说明。其中三维风速风向仪采样频率为32 Hz,量程为0～65 m/s,螺旋风速仪采样频率为1Hz,量程0～100 m/s;主梁上的单向加速度计采样频率为100 Hz。

2009年12月到2015年12月共73个月的桥梁健康检测数据,对这些数据进行整理,发现主梁有0.76%的时间发生涡振,累计时间405.68小时,可见桥梁发生涡振频繁。对实桥具有代表性的涡振进行研究,给出涡振位移最大值随时间变化情况,如图7所示。

图6 桥梁传感器布置图Fig.6 Layout of sensors on the bridge

表2桥梁风速和加速度传感器

Table 2 Aerometer and accelerator on the bridge

图7(a)发生涡振的频率为0.328 Hz,对应桥梁第四阶正对称竖弯;图7(b)发生涡振的频率为0.183 Hz,对应桥梁第二阶反对称竖弯。将这两次涡振表示成涡振位移最大值随风速变化,如图8。由图8可知,f=0.183 Hz涡振风速区间为[5.0 m/s,7.7 m/s],f=0.328 Hz涡振风速区间为[9.1 m/s,11.8 m/s]。随着涡振频率的增加,涡振发生风速呈增大趋势。

3.2 涡振响应比较

汇总小尺寸节段模型试验、大尺寸节段模型试验阻尼比为1.5‰设置导流板情况下、实桥涡振监测的结果,如表3所示。

图7 涡振位移最大值随时间变化Fig.7 Variation of maximum value of the vortex-induced vibration with time

图8 涡振位移最大值随风速变化Fig.8 Variation of maximum value of vortex-induced vibration with wind velocity

由表3可以得出:小尺寸节段模型试验没有明显的竖弯涡振现象,但可以发现疑似涡振风速锁定区间;大尺寸节段模型试验在0°攻角下发生了频率为0.183 Hz的涡振,涡振风速锁定区间、位移最大值与实测符合较好;在+3°攻角下发生了频率为0.328 Hz的涡振,涡振风速锁定区间实测符合较好,但涡振位移最大值只有实测值的35%。