窄幅边主梁斜拉桥涡振性能及气动控制措施研究

李春光，毛禹，韩艳，颜虎斌

(长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙410114)

气流流经结构表面产生的规律性旋涡脱落与主梁自振频率接近时，容易诱发主梁涡激共振。涡激共振是大跨度桥梁在低风速下出现的一种等幅的风致振动。虽然涡振不像颤振、驰振具有发散性，不会造成直接毁灭性的破坏，但涡振发生频率高、振幅大，故对桥上行车的安全性、舒适性和桥梁结构的耐久性容易造成威胁[1-2]。美国Old Tacoma桥在扭转发散前出现过低风速下的涡激共振现象[3]，日本Trans-Tokyo Bay桥、丹麦大海带桥、中国西堠门大桥等都曾发生过明显的竖弯涡激共振[4-6]，巴西Rio-Niteroi桥[7]在运营过程中频繁发生大振幅竖弯涡振，强烈的振动迫使桥上人员弃车而逃，这对桥梁的正常使用造成了严重影响。2020年中国的虎门大桥及鹦鹉洲长江大桥也出现过大幅竖向涡振现象。涡振的危害引起了人们的高度关注，主梁的涡振稳定性也成为抗风研究的重点。随着技术和经济的飞速发展，桥梁跨度日益增长，大跨度桥梁结构外形细长、结构轻柔，风对桥梁的作用成为大跨度桥梁设计和建造的关键问题。边主梁因其力学性能优越，自重轻，吊装施工方便，被广泛应用于斜拉桥的设计中。但边主梁作为开口断面的钝体梁，气流在表面的绕流状态及旋涡脱落十分复杂，同时边主梁涡激共振现象显著，因此需要采取一系列的控制措施来提高主梁的气动稳定性，常见的控制措施分为机械措施和气动控制措施[1]。前者力学机理明确，但代价较大，因此在实际工程中采用较少。而气动控制措施通过对主梁附属构件进行优化或增设合理的构件来优化主梁截面的气动外形，从而提高其气动稳定性。气动控制措施效果明显，成本较低，同时能从本质上降低甚至抑制涡激共振，故其广泛应用于实际桥梁中。针对边主梁断面类型主梁的涡振起振机理和气动优化措施，国内外众多学者结合工程实例做了许多有益的探索。李永乐等[8]研究了分离式双箱梁的涡振性能和抑振措施，发现分流板和分流板底增设弧形底板的组合能大幅降低主梁涡振响应，风嘴能提高主梁的气动性能，且风嘴角度越小，涡振优化效果越好；颜宇光等[9]发现稳定板能抑制主梁竖弯涡振，扰流板能降低扭转涡振，两者组合能满足主梁涡振稳定性要求；钱国伟等[10]通过风洞节段模型试验，发现采用圆形截面的防撞栏杆及检修道护栏有利于提高π型叠合梁的气动稳定性，研究了风嘴角度及水平隔流板宽度对主梁的涡振影响；张志田等[11]在主梁上表面设置2道稳定板和下表面设置3道稳定板来抑制涡激共振；赵林等[12]对边主梁的气动优化措施进行了总结，调整风嘴形状对宽高比低的主梁控制效果明显；SAKAI等[13]分析了主梁宽高比对气动稳定性的影响；张天翼等[14]研究了宜宾盐坪坝长江大桥主梁的气动性能，试验表明设置三角形风嘴和封闭防护栏杆能满足主梁抗风设计要求；KUBO等[15]研究了π型截面梁主纵梁间距对其气动稳定性的影响；LI等[16]研究了水平隔流板对边主梁涡振稳定性的影响，并通过CFD数值模拟分析了其抑振机理；KUBO等[17]对π型梁涡激共振流场进行了研究分析，结果表明π型梁钝体效应强，气流流动分离明显。综上所述，已有边主梁涡振性能的相关研究多基于具体实际宽幅桥梁工程开展，在某座桥上有效的措施在其他桥上可能难以发挥理想的作用。当桥面较窄，主梁截面宽高比达8.1，且采用钝体边主梁断面时，相关的涡振性能研究较少。本文以某窄幅边主梁斜拉桥为研究背景，通过节段模型风洞试验研究风嘴形式及角度变化、稳定板、水平分流板对边主梁涡振稳定性的优化效果，试验结果可为同类型桥梁气动优化措施的选择提供参考。

1 工程概况及风洞试验布置

1.1 工程概况

图1(a)所示为依托工程过河廊道斜拉桥的立面图，桥跨布置为44+64+270+64+44=486 m，为提高边跨刚度，在边跨设置一个辅助墩，主塔采用H型空心薄壁桥塔，桥塔高70 m。主梁采用边主梁截面梁，如图1(b)所示，边主梁宽度12.12 m，梁高1.5 m，横隔梁高1 m，主梁宽度及高度均较小，宽高比8.1，对风十分敏感。

1.2 风洞试验布置

采用节段模型风洞试验测试主梁的涡振性能，其风洞布置如图2所示。涡激共振对主梁的几何尺寸及细部构造十分敏感，为尽可能地模拟主梁上各细部构造，同时考虑断面雷诺数的影响，应尽可能选择大比例节段模型，则试验结果更接近实桥的涡振性能。考虑到风洞尺寸及主梁断面尺寸的影响，最终选择1∶20缩尺比进行节段模型试验。模型长度为1.52 m，宽度为0.606 m，高度为0.075 m，节段模型选取高强度低质量的不锈钢作为框架，其提供模型的整体刚度，外衣采用优质PVC制作，用以模拟主梁的气动外形，为保证流场二元特性，模型两端设置了木质端板。

节段模型通过8根弹簧悬挂，模拟主梁竖向及扭转振动，竖弯扭转频率通过调节弹簧刚度、模型配重及两者间距满足理论要求。模型底部布置2个激光位移计，用以采集模型的振动信号，间距为0.504 m，实桥的动力特性采用国际通用有限元软件ANSYS进行分析，模型与实桥的主要参数如表1所示。

表1 模型与实桥参数Table 1 Parameters of model and prototype

节段模型风洞试验在长沙理工大学风洞高速试验段进行，高速段尺寸为4 m(宽)×3 m(高)×21 m(长)，风速区间为1～48 m/s，均匀流紊流度低于0.5%，风速测量仪器采用TFI Cobra眼镜蛇探针，采样频率为500 Hz，位移信号采集仪器采用激光位移计，采样频率为500 Hz，采样的时间为45 s。

2 主梁涡振性能及气动措施优化

2.1 设计断面涡振性能分析

涡激共振对阻尼较为敏感，为放大主梁的涡振响应，节段模型试验设置了偏安全的阻尼比。图3为原设计断面涡振响应振幅随风速的变化曲线，响应及风速均已换算到实桥，主梁出现了剧烈的竖向涡激共振，而未发生明显的扭转振动。由图3(a)可知，主梁在−3°，0°，+3°攻角下均发生了剧烈的竖弯涡振，涡振锁定风速区间约为7.9～14.4 m/s，最大响应振幅出现在+3°攻角，峰值位移132.2 mm，超出规范允许值152%，在−3°，0°风攻角下，涡振响应振幅也远超规范允许振幅。涡激共振发生在常遇的低风速，发生频率高、响应振幅大，故需要对原设计断面进行气动优化，考虑到未发生明显的扭转涡振，故主要针对竖向涡激共振展开研究。

图3 原设计断面涡振性能Fig.3 Vortex-induced vibration performance of original design section

2.2 气动优化措施研究

针对主梁在常遇风速发生剧烈的涡激共振，需要采用合理的气动措施来提高主梁的气动稳定性。根据已有研究成果，试验对风嘴形式及角度、稳定板道数进行了研究，并尝试在边主梁风嘴上布置水平分流板来优化主梁的气动外形。

2.2.1 风嘴

边主梁作为典型钝体梁，气动稳定性差，而风嘴作为最普遍的气动优化措施之一，广泛应用于边主梁的设计中。在主梁两侧安装风嘴能有效改善主梁的气动性能，提高主梁流线性，降低表面旋涡脱落强度，从而达到降低或抑制主梁涡振的效果。本文通过在主梁两侧布置2种形式的风嘴、并调整不同角度，研究其对边主梁涡振响应的抑制效果，工况布置如表2所示，风嘴布置见图4。

图4 风嘴布置Fig.4 Layout of wind fairing

表2 风嘴优化工况Table 2 Fairing optimization conditions

由图5涡振响应曲线可知，2种不同形式的风嘴基本未改变主梁的涡振区间，采用上下对称形式的风嘴各角度中，78°风嘴能最大程度降低主梁涡振振幅，峰值位移响应为94.7 mm，为原设计断面峰值位移的83%，但仍然远超规范允许振幅；相比对称风嘴，采用非对称形式风嘴的主梁的涡振响应更低，因主梁两侧悬挑长度影响及节段模型限制，非对称风嘴最大试验角度为60°，由图5(b)可知，主梁涡振响应在风嘴38°上作用下极大程度降低，峰值位移响应为58 mm，接近规范限值，但较小的38°非对称风嘴角度大幅度增加了主梁两侧悬挑长度，不利于主梁宽度的控制。风嘴形式及角度研究表明，设置非对称形式的风嘴对改善主梁的涡振响应更有利，总体趋势为风嘴角度越小，主梁涡振改善越明显，但在一定范围内，风嘴有可能存在一个角度能最大程度降低主梁风致响应。

图5 风嘴对涡振的控制试验结果Fig.5 Test results of vortex-induced vibration control by wind fairing

2.2.2 稳定板

边主梁通常为开口截面梁，气流在主梁底部存在复杂的流动分离，在梁底安装稳定板能破坏梁底流场分布，干扰钝体绕流产生的规律性的旋涡脱落，从而抑制主梁涡激共振。根据已有研究，选择在梁底安装中央稳定板及2道1/4处稳定板，研究稳定板对主梁抑振效果的影响，稳定板布置如图6所示。

图6 稳定板布置图Fig.6 Position of lower stabilizers

由图7(a)可知，在梁底布置一道中央稳定板，能明显改善主梁的涡振性能，同时将主梁涡振起振风速提高至10.6 m/s，但中央稳定板对主梁各风攻角抑制效果存在明显差异，0°风攻角主梁涡振响应消失，−3°和+3°风攻角峰值位移响应分别为59 mm和73 mm，较原设计断面峰值响应抑制程度分别为52%和55%。在梁底两侧1/4处布置稳定板，能进一步抑制主梁的涡振响应，−3°风攻角下涡激共振被完全抑制，+3°风攻角主梁涡振峰值响应位移进一步降低，但响应位移仍然超过规范限值，同时涡振风速区间依然维持在10.6～15 m/s。稳定板气动措施研究表明，对开口断面边主梁，梁底稳定板能提高其气动稳定性，同时随着稳定板的数目增加，主梁涡振稳定性提高越明显，但是对不同风攻角下主梁涡振稳定性提高存在差异，稳定板对0°风攻角的主梁抑振效果最佳。

图7 稳定板涡振控制试验结果Fig.7 Test results of vortex-induced vibration control by stabilizers

2.2.3 水平分流板

水平分流板是在主梁两侧布置的通长的薄板，一般布置于风嘴处，能起到提前分离气流的作用，还能增加主梁的气动阻尼，故能提高主梁的气动稳定性。本文在主梁两侧风嘴处布置30 cm水平分流板，配合梁底布置2道稳定板进行涡激共振试验。由图8可知，水平分流板改善了+3°风攻角下主梁的涡振性能，同时，0°及−3°风攻角下主梁涡振性能没有发生改变，边主梁的气动稳定性得到极大提高，提高了行车安全性和主梁耐久性。

图8 分流板涡振控制试验结果Fig.8 Test results of vortex-induced vibration control by horizontal splitter plate

3 结论

1)边主梁断面作为典型钝体断面，对风作用十分敏感，依托工程主梁在0°和±3°风攻角下均出现剧烈涡激共振现象，涡振响应远超规范允许值，应对边主梁断面进行气动优化。

2)风嘴形式对主梁涡振性能优化存在差异，非对称形式‘上’风嘴对抑制主梁涡振响应优于常规对称形式‘中’风嘴；对开口截面边主梁，越尖的风嘴对改善主梁的涡振性能效果越明显，同时，在一定角度范围内，风嘴对改善主梁的气动性能可能存在一个相对较优角度。

3)边主梁梁底布置稳定板是改善主梁涡振性能常用的气动优化措施，试验表明稳定板能降低各风攻角下主梁的涡振响应，2道梁底1/4处稳定板能抑制0°和−3°风攻角主梁涡振，再增设水平分流板能进一步优化主梁气动外形，抑制涡振响应。