雷旭 陳政清 華旭剛 牛華偉 韓艷

摘 要：針對(duì)風(fēng)驅(qū)雨作用下橋梁主梁的顫振問題，依據(jù)風(fēng)驅(qū)雨作用和主梁振動(dòng)特點(diǎn)，給出了分別考慮雨滴沖擊和表面積水后的降雨相似關(guān)系，并探討了其選取原則。選取大跨度橋梁較常采用的典型斷面，通過節(jié)段模型試驗(yàn)?zāi)M了風(fēng)驅(qū)雨對(duì)主梁斷面的顫振導(dǎo)數(shù)和顫振發(fā)生過程的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：主梁斷面的顫振氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)隨雨強(qiáng)的變化無明顯規(guī)律，各導(dǎo)數(shù)的變化量值相當(dāng)，隨風(fēng)速增加，降雨引起的導(dǎo)數(shù)變化有所加大，但基本沒有改變其隨風(fēng)速變化的整體趨勢(shì)，試驗(yàn)雨強(qiáng)120 mm/h時(shí)，模型顫振臨界風(fēng)速會(huì)有20%～30%左右的提高，但考慮雨強(qiáng)相似比后可以認(rèn)為降雨對(duì)橋梁主梁的風(fēng)致顫振失穩(wěn)特征的影響基本可以忽略。

關(guān)鍵詞：橋梁主梁;風(fēng)驅(qū)雨;相似比;顫振導(dǎo)數(shù);臨界風(fēng)速

中圖分類號(hào)：U441.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? 文章編號(hào)：2096-6717（2019）02-0106-10

Abstract：Regarding the problem of bridge girders flutter under influence of wind-driven rain， the rainfall similarity laws are firstly established in terms of raindrop impact and surface ponding respectively， according to the characteristics of wind-driven rain and bridge main girders vibration， besides， the selection principle is also discussed. Then， several typical main girder sections， which are frequently used in long-span bridges， are selected as examples to investigate the influence of wind-driven rain on flutter derivatives and flutter occurrence process by sectional model tests. Results show that there is no significant regularity? between the flutter aerodynamic derivatives of the main girder and the rainfall intensity， as the variation of each derivative is almost the same. Comparatively， the variation of derivative caused by rainfall is increased with the wind speed. However， the general variation trend of the flutter aerodynamic derivatives with wind speed is not changed. When the test rain intensity is 120 mm/h， the critical wind speed of the flutter model raises about 20%～30%. Considering the similarity law proposed in this paper， the effect of rainfall on wind-induced flutter characteristics can be ignored.

Keywords：bridge main grider; wind-drived rain; similarity law; flutter derivative; critical wind velocity

隨著新材料、新工藝的涌現(xiàn)和結(jié)構(gòu)計(jì)算理論的不斷完善，未來橋梁將會(huì)朝著超大跨方向發(fā)展，如剛建成不久的杭州灣和港珠澳跨海工程，就包含一批超大跨度橋梁。這類結(jié)構(gòu)柔度較大，以致其風(fēng)振效應(yīng)可能成為影響結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素。目前，純風(fēng)作用下的橋梁振動(dòng)特性研究已經(jīng)非常成熟[1]，而實(shí)際工程中，特別是沿海和峽谷地區(qū)，大風(fēng)一般伴隨降雨，風(fēng)雨耦合對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用，若要精確考慮這類動(dòng)力敏感結(jié)構(gòu)的風(fēng)振響應(yīng)，以確保其抗風(fēng)穩(wěn)定性，對(duì)降雨影響做仔細(xì)研究十分必要。

風(fēng)驅(qū)雨對(duì)結(jié)構(gòu)影響的研究雖早有開展，但主要集中于建筑結(jié)構(gòu)和航空航天[2-4]以及拉索風(fēng)雨振[1，5]研究領(lǐng)域，較少涉及其對(duì)主梁這一橋梁主要構(gòu)件的影響，由于主梁構(gòu)造和受力的特殊性，使得風(fēng)驅(qū)雨對(duì)其氣動(dòng)特性的影響需專門研究，特別對(duì)于大跨橋梁中跨高比較大的柔性主梁，更具有必要性。近年來，已有一些學(xué)者開展此類工作，顧明等[6]模擬了風(fēng)驅(qū)雨作用于薄平板的試驗(yàn)，依據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，其初步認(rèn)為，降雨對(duì)阻尼項(xiàng)氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)有較明顯的影響。辛大波等[7-8]進(jìn)行了風(fēng)驅(qū)雨對(duì)主梁的試驗(yàn)和數(shù)值分析，結(jié)果表明：與扭轉(zhuǎn)氣動(dòng)阻尼密切相關(guān)的顫振導(dǎo)數(shù)受降雨影響明顯，隨雨強(qiáng)增大，臨界風(fēng)速先增大，后減小，但即使空氣含水量達(dá)到65 g/m3， 臨界風(fēng)速僅提高約6.8%。胡俊[9]將風(fēng)驅(qū)雨作用以力和阻尼形式代入有限元進(jìn)行分析，結(jié)果表明：200 mm/h的雨強(qiáng)下，臨界風(fēng)速僅增大5.86%，但其對(duì)抖振影響比較顯著。趙林等[10]依據(jù)風(fēng)驅(qū)雨主梁模型試驗(yàn)，認(rèn)為雨滴沖擊力對(duì)定常氣動(dòng)力的影響相比積水而言可以忽略。鈍體斷面氣動(dòng)性能受降雨的影響比流線斷面更加明顯，其會(huì)改變頻率、阻尼與氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)，并在一定程度上降低顫振臨界風(fēng)速。以上研究表明：風(fēng)驅(qū)雨試驗(yàn)是此類研究的重要手段，相比數(shù)值模擬，其更接近實(shí)際，但目前最大的問題是，對(duì)于雨荷載的相似關(guān)系沒有得到解決，使得上述各結(jié)論的正確性難以相互比較驗(yàn)證和換算至原型以指導(dǎo)實(shí)際。針對(duì)這一問題，雖然已有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究，如Bilanin[11]和Cao等[4]假設(shè)雨滴大小和間隙可調(diào)，并依據(jù)含水量不變的原則，利用量綱分析法得到了理論的雨強(qiáng)相似關(guān)系，但現(xiàn)有的降雨設(shè)備難以達(dá)到其要求。Surry等[12]和唐順勇等[13]人依據(jù)弗勞德數(shù)一致得到了風(fēng)驅(qū)雨作用于建筑迎風(fēng)面時(shí)的雨滴密度相似比為1：1，但對(duì)于豎向受載不可忽略的主梁斷面，此相似關(guān)系顯然不能適用。針對(duì)以上研究的不足，本文首先推導(dǎo)了主梁風(fēng)驅(qū)雨試驗(yàn)的雨強(qiáng)簡(jiǎn)化相似比，然后在試驗(yàn)室實(shí)施了風(fēng)驅(qū)雨條件下對(duì)橋梁危害最大的主梁斷面顫振試驗(yàn)，獲得顫振導(dǎo)數(shù)與臨界風(fēng)速隨雨強(qiáng)的變化規(guī)律，依據(jù)雨強(qiáng)相似比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，為大跨橋梁抗風(fēng)研究的精細(xì)化提供了一定的參考。