李興江 陳國憲 楊鎮(zhèn)宇 張晗

摘要：鋼混組合梁在大跨度斜拉橋中應用廣泛，然而其多采用鈍口的Π形截面，其氣動性能較差，因此渦激振動控制是其重要問題。為研究Π形鋼混組合梁的渦激振動性能與相應的控制措施，以遵余高速湘江特大橋為研究對象，開展1∶50縮尺比的節(jié)段模型風洞試驗，測試成橋態(tài)和施工態(tài)主梁斷面在特定阻尼比下的渦激振動振幅，并研究了上下中央穩(wěn)定板對于橋梁渦振和顫振性能的影響。研究結(jié)果表明：施工階段設計風速范圍內(nèi)原始斷面主梁會發(fā)生明顯的渦激振動，但最大振幅仍滿足規(guī)范要求，成橋狀態(tài)下原始斷面結(jié)構在0°與±3°三種攻角下將出現(xiàn)較大的渦激振動。雖然渦激振幅仍滿足規(guī)范要求，但豎向振動幅值已接近規(guī)范容許值;加裝主梁上下中央穩(wěn)定板可明顯降低渦激振動幅度.主梁氣動外形的變化雖然會引起主梁顫振臨界風速變化，但優(yōu)化措施后的顫振臨界風速仍能足規(guī)范要求.因此建議在工程中采用中央穩(wěn)定板進行橋梁風致渦激振動控制。

[作者簡介]李興江（1978—），男，本科，從事大跨度橋梁抗風設計;陳國憲（1988—），男，本科，從事大跨度橋梁抗風設計。

渦激振動是由于氣流繞結(jié)構物運動時交替產(chǎn)生脫離結(jié)構物表面的漩渦，進而引起結(jié)構周期性限幅振動的一種物理現(xiàn)象。該振動通常是在低風速下的一種限幅振動。渦振通常不會使結(jié)構發(fā)生毀滅性的破壞，但長時間持續(xù)的振動會影響行車舒適性，嚴重時會引起結(jié)構疲勞破壞。

鋼混組合梁由鋼主梁和混凝土橋面板通過連接件共同作用，相較于混凝土主梁，其具有自重輕，構造簡單，吊裝方便和受力性能優(yōu)良等特點，故在大跨度斜拉橋設計中被大量采用[1-3]。然而鋼混組合梁結(jié)構通常采用開口鈍體斷面，在主梁結(jié)構下方會出現(xiàn)較為復雜的流場形態(tài)，同時由于其整體結(jié)構阻尼、扭轉(zhuǎn)剛度和自振頻率較低等特性，造成該類橋梁的氣動性能較差，易出現(xiàn)渦激振動[4]，影響了該類橋梁形式的進一步發(fā)展。在橋梁設計階段，若結(jié)構在設計風速下出現(xiàn)大振幅渦激振動，通常需要采取一定的抗風控制措施來改善橋梁的抗風性能，使其滿足設計需求[5-7]。既有研究表明，采用氣動措施是控制主梁渦激振動的最直接方法，通過改變截面的氣動外形，影響結(jié)構局部的回流和流動分離現(xiàn)象，能有效的改善主梁結(jié)構的渦激振動特性[8]。

目前，國內(nèi)外都有學者對鋼混組合梁結(jié)構的渦激振動問題及其控制措施等開展了研究。Sakai等[9]通過風洞試驗研究了Π型組合主梁的渦振性能，并設計了一種科學經(jīng)濟的導流板設施，可以有效減少來自梁截面前緣的流動分離從而抑制扭轉(zhuǎn)顫振和渦激振動。Kubo等[10]研究了Π型主梁的氣動性能，研究表明隨著兩板梁間距的增大，板梁的鎖定風速和豎向振動幅值將逐漸減小。段青松等[11]通過風洞試驗研究了邊箱Π型組合梁的渦振抑制措施，優(yōu)化了其渦振性能，并對比了有、無人行道欄桿和不同形式封閉人行道欄桿對主梁渦振性能的影響。錢國偉等[12]針對某跨海疊合梁斜拉橋，研究了Π型開口截面主梁的合理氣動控制措施，研究表明采用圓截面欄桿，采用風嘴結(jié)構和在斷面底部設置水平隔流板等措施可以有效控制主梁渦激振動。李春光等[13]研究了多種氣動措施對Π型截面斜拉橋主梁渦振的抑制作用，發(fā)現(xiàn)加裝風嘴和主梁底部外側(cè)水平穩(wěn)定板對主梁渦振的抑制效果較好。

本文以遵余高速湘江特大橋為研究對象，通過風洞試驗對主橋的渦激振動性能和抑振措施進行了研究。試驗采用1∶50比例的節(jié)段模型，分別測試了最大單懸臂和和最大雙懸臂施工狀態(tài)及成橋狀態(tài)下的主梁渦振特性，并分析了上下中央穩(wěn)定板對主梁渦激振動性能的影響，最后針對Π型主鋼混組合主梁的抗風設計提出了合理建議。

1 工程背景

遵余高速湘江特大橋為鋼混疊合梁斜拉橋，主橋全長1 128 m，跨度布置為284 m +560 m +284 m，兩側(cè)邊跨采用對稱跨徑布置，單側(cè)跨徑組合為（72+212）=284 m，主梁為鋼混疊合梁，寬度為27.5 m，高度為3.0 m;索塔采用A型混凝土塔，輔助墩和過渡墩采用薄壁空心結(jié)構;結(jié)構體系為雙塔雙索面半漂浮體系。主橋的立面和橫截面如圖1和圖2所示。參考JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規(guī)范》，以及考慮峽谷內(nèi)風速的“狹管效應”的修正計算，建于峽谷上口處橋梁高度處的設計基準風速為28.9 m/s，施工階段設計風速為24.3 m/s。

2 試驗介紹

試驗在西南交通大學XNJD-1工業(yè)風洞第二試驗段中進行，該風洞的試驗段斷面的高度和寬度分別為2.0 m和2.4 m。

試驗節(jié)段模型依據(jù)湘江特大橋主梁橫截面進行制作，采用幾何縮尺比1∶50，模型的主體結(jié)構采用木材制成，附屬結(jié)構采用ABS塑料板雕刻而成，分別考慮包含附屬結(jié)構的成橋狀態(tài)和施工階段的最大懸臂狀態(tài)。試驗模型通過八根彈簧結(jié)構懸掛在支架上，使得模型可進行豎向運動和繞模型軸線轉(zhuǎn)動的二自由度振動。試驗支架和彈簧構件置于洞壁外，以免干擾流場。安裝在風洞中的節(jié)段模型整體如圖3所示。在風洞外設置的試驗支架與油缸接觸，可調(diào)節(jié)系統(tǒng)阻尼比。

成橋狀態(tài)主梁和施工狀態(tài)主梁模型動力系統(tǒng)設計參數(shù)詳見表1。根據(jù)規(guī)范，遵余高速湘江特大橋成橋狀態(tài)一階對稱豎彎和扭轉(zhuǎn)的振幅容許值分別為：

3 結(jié)果分析

3.1 主梁渦振性能

分別對成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的主梁節(jié)段進行α=0°，-3°和+3°三種攻角條件下的風洞試驗，試驗來流為均勻流。測試主梁結(jié)構在不同風速下的渦激振動幅值。圖4給出了原始斷面主梁在成橋狀態(tài)的豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動振幅與風速的關系曲線。

由結(jié)果可知，成橋狀態(tài)的主梁結(jié)構在不同攻角下出現(xiàn)明顯的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激振動現(xiàn)象。豎向渦振風速為10～15 m/s，在0°風攻角時取得最大豎向振幅137.9 mm;扭轉(zhuǎn)渦振風速為15～20 m/s，在3°風攻角時取得最大扭轉(zhuǎn)振幅為0.18°。其豎向振幅已逼近規(guī)范容許值。

圖5和圖6給出了施工階段最大單懸臂和最大雙懸臂狀態(tài)主梁結(jié)構各攻角下實橋豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動振幅與風速的關系曲線。

由圖5可知，當主梁結(jié)構處于最大單懸臂狀態(tài)時，由于和成橋狀態(tài)的斷面形態(tài)和自振頻率不同，因此其渦激振動的幅值和風速區(qū)間均存在較大差異。主梁斷面依然存在兩個渦振區(qū)，鎖定風速分別在13.2 m/s和26.2 m/s附近。其豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動幅值小于成橋狀態(tài)，且最大渦振峰值的鎖定風速高于成橋狀態(tài)。但由于其一階豎彎的振型頻率明顯高于成橋狀態(tài)，因此其容許值較小。在-3°與+3°攻角下，25～35 m/s風速范圍內(nèi)最大豎向振幅均超過規(guī)范容許值，+3°攻角下豎向振幅達到最大113.7 mm。與之類似，處于最大雙懸臂狀態(tài)的主梁結(jié)構，+3°攻角下豎向振幅達到幅值108.9 mm。但在施工階段設計風速0～24.3 m/s范圍內(nèi)，主梁結(jié)構的豎向振幅滿足規(guī)范要求。

3.2 成橋態(tài)抑振措施

由于成橋狀態(tài)的豎向振幅已逼近規(guī)范容許值，因此本研究提出了增設上中央穩(wěn)定板和下中央穩(wěn)定板的抑振結(jié)構措施，以優(yōu)化大橋渦振性能，確保大橋使用舒適性。

如圖7（a）所示，上中央穩(wěn)定板方案為在原始斷面基礎上，增設1.5 m高的上中央穩(wěn)定板。下中央穩(wěn)定板方案為在原始斷面基礎上增加與橫隔板齊平的下中央穩(wěn)定板，見圖7（b）。設置穩(wěn)定板后的渦激振動結(jié)果如圖8和圖9所示。

根據(jù)圖8知，主梁加了上中央穩(wěn)定板后，其各攻角下渦激振動的豎向振幅整體減小，其中最大豎向振幅降低為116 mm，較原始斷面減小15.4 %。扭轉(zhuǎn)振幅略有提升。相較而言，增加下中央穩(wěn)定板的主梁渦激振動振幅出現(xiàn)明顯改善，最大豎向振幅為109.1 mm，較原始斷面減小20.9 %。說明設置穩(wěn)定板抑振結(jié)構可有效減少主梁渦激振動的不利影響，且下中央穩(wěn)定板減振效果更優(yōu)。

設計穩(wěn)定板抑振措施后，主梁截面氣動外形會發(fā)生變化，這可能會對主梁結(jié)構的顫振特性造成影響。因此再分別對有無穩(wěn)定板的成橋狀態(tài)主梁截面進行顫振臨界風速試驗，結(jié)果如表2所示。由顫振試驗結(jié)果可知，設置減振措施后，主梁結(jié)構在不同攻角下的顫振臨界風速有一定變化，但整均都高于規(guī)范要求的顫振檢驗風速值，因此減振設施對主梁顫振特性的影響均在可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié)論

通過對成橋態(tài)和施工態(tài)Π型截面鋼混組合梁結(jié)構渦激振動性能的試驗研究，可以得到主要結(jié)論：

（1）成橋狀態(tài)原始Π型主梁截面在0°、±3°三種攻角下出現(xiàn)明顯的渦激振動。豎向振動在0°攻角下出現(xiàn)最大幅度振動，最大豎向振幅為137.9 mm，仍滿足規(guī)范要求，但此工況下豎向振動幅值已達到規(guī)范限值的92 %，逼近極限狀態(tài)。扭轉(zhuǎn)振幅相對豎向振幅較小。

（2）施工階段最大單懸臂和最大雙懸臂狀態(tài)的主梁在各攻角下均出現(xiàn)明顯的渦激振動現(xiàn)象。但在施工階段設計風速范圍內(nèi)，滿足規(guī)范要求。

（3）設計上下中央穩(wěn)定板結(jié)構后，主梁渦激振動現(xiàn)象得到有效改善，其中下中央穩(wěn)定板的抑振效果最為明顯，改善后最大豎向振幅為121.3 mm，較原始斷面減小12.1 %，建議在工程設計中采用。

（4）抑振措施使主梁顫振臨界風速在一定程度內(nèi)降低和升高，但設置穩(wěn)定板后的主梁顫振臨界風速仍滿足規(guī)范要求。

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