多孔扰流板参数对钢箱梁斜拉桥涡振减振效果影响的研究

多孔扰流板参数对钢箱梁斜拉桥涡振减振效果影响的研究

0控制措施频激共振是一种强迫和自激双重特征的振动现象。由于选定的固定时间间隔内的气流，它受到了规律地降低的漩涡的影响。涡激共振虽然不会直接导致桥梁失稳破坏,但对于质量轻、阻尼低的钢结构大跨度桥梁主梁断面,它在较低风速下就很容易发生。当涡振振幅较大时,会影响桥面行车舒适性、缩短桥梁构件的疲劳寿命等,因此在必要时需要采取适当措施将其振幅限制在容许值以内。目前在实践中应用的涡激共振控制措施主要有机械措施和气动措施。机械措施一般是通过安装机械控制装置来消耗振动能量、提高桥梁结构阻尼等方式达到对主结构的减振目的。如丹麦大海带东桥引桥等就采用了TMD作为涡振控制措施。气动措施是利用风致振动对结构断面气动外形非常敏感的特点,通过适当调整结构断面外形达到改善其空气动力特性,从而减轻涡振的目的。常见的气动措施有调整检修车轨道等桥梁附属设施,增设扰流板、导流板等。机械措施的实质是消耗涡振发生后的振动能量,而对涡激力本身并没有产生直接影响;气动措施则是通过减小或消除涡激力,从而达到减振甚至消振目的。与机械措施相比,气动措施无论是从控制效果、实施可能性还是从经济性方面都占有优势,因而在实际工程中得到了广泛应用。如丹麦大海带桥东桥涡振控制措施是在箱梁底部两侧转折处安装导流板;英国塞文二桥是通过在主梁下安装扰流板来控制涡振等。封闭流线型箱梁由于外形美观等优点,自从英国塞文二桥使用以来,已经越来越多地应用到大跨度桥梁实践中。但如前所述,大跨度桥梁常采用的钢主梁断面由于质量轻、阻尼低,在低风速下就很容易发生涡振,封闭流线型箱梁也不例外。因此本文提出了一种新的针对于这类断面的涡振减振气动措施——多孔扰流板(下文简称为多孔板),通过节段模型风洞试验,就多孔板宽度、透风率、孔径以及风攻角对其涡振减振效果的影响规律进行了初步研究。1试验总结1.1模型建立与模型修正本文以宁波象山港大桥初步设计阶段主桥的主推方案五跨斜拉桥为工程背景,该桥主跨688m,钢箱主梁宽32.0m、高3.5m。该主梁模型在颤振改良后钢箱梁方案成桥状态和施工状态的涡激共振试验中均发现振幅超过规范限值的竖弯和扭转涡激共振。模型的缩尺比为1:55,主梁宽0.5818m。为了减少节段模型端部三维流动的影响,模型的总长度取为1.7000m,长宽比约2.9,模型高0.0636m,宽高比为9.1,总质量和质量惯性矩分别为10.6280kg和0.3906kg·m2。刚体节段模型的骨架由金属构成,金属框架长1.7000m,采用三夹板和豪适板模拟桥面,以保证外形的几何相似性。模型还模拟了桥面的防撞栏、检修道护栏及主梁底部的检修车轨道。图1给出了象山港大桥1:55的主梁模型示意图。根据《公路桥梁抗风设计规范》中有关桥梁阻尼比取值建议,各阶模态阻尼比均取0.5%,由试验结果计算涡振幅值时按模型实测阻尼值进行阻尼修正。试验用的多孔板孔洞均为圆形,交错排列,总宽度有4cm、5cm两种,其中有1cm的宽度没有开孔,用于与模型主梁黏结,因此有效宽度分别为3cm、4cm,长度与节段模型等长,均为1.7m。透风率(即开孔率)有40%、50%、60%三种,孔径有4.0mm、4.5mm、5.0mm、5.5mm、6.0mm、7.0mm6种。图2给出了其中一种多孔板的孔距、孔洞排列方式。1.2测振设备与测振方案节段模型测振试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行。模型通过8根弹簧悬挂在风洞外置式支架上,可以产生竖向以及绕节段模型重心转动的两自由度运动。因此可以模拟竖向与扭转两个自由度方向的振动特性,但水平流方向的振动特性没有模拟。试验中主要的测振设备有:(1)TJ-1边界层风洞:低速直流式风洞,试验段宽1.8m、高1.8m、长14m,空风洞试验风速范围为1.0～30m/s连续可调;(2)风致振动信号采用加速度传感器;(3)YE5866电荷放大器;(4)美国NI公司的PCI-6052E数据采集A/D板;(5)个人计算机和相应的信号采集以及处理软件。1.3-3风攻角下的3、3333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333试验时,首先去除检修车轨道模拟施工状态,结果表明,模型在0°、+3°、-3°三个风攻角下均没有发生涡振现象。然后其他条件不变,在模型上安装检修车轨道模拟成桥运营状态,结果模型在这三个风攻角下均发生了涡振,这说明模型断面的涡振主要来源是检修车轨道处的旋涡脱落。1.3.1风攻角的影响首先在+3°、0°、-3°风攻角下对主梁模型不加多孔板时的涡振性能进行了测试。表1给出了不加多孔板时模型竖弯与扭转涡激共振响应。由表1可以看出,模型在+3°风攻角下的竖弯与扭转位移均比较显著,因此主要在这个风攻角下考察多孔板各参数对其涡振减振效果的影响。将多孔板不开孔的区域(1cm宽)通过沿纵桥向一定间距布置的有机玻璃垫块与主梁斜腹板黏结固定,多孔板位于斜腹板两侧且与斜腹板平行。此时,多孔板与主梁底板的锐角夹角为35°(下文中统一用“倾角35°”表示多孔板与主梁斜腹板平行),多孔板与斜腹板之间的距离与检修车轨道底部到主梁底板的距离相同。图3给出了其中一种工况的照片。1.3.2减振措施设置前评价为直观地反映涡振控制措施的减振效果,有必要将涡振控制措施设置后与设置前的涡振响应进行比较。为此,定义减振系数λ:(1)λ=1时,减振措施设置前有涡振,设置后没有涡振,这种情况下减振措施最有效。(2)0<λ<1时,减振措施减小了涡振,有效;(3)λ=0时,减振措施设置前与设置后涡振位移相同,无效;(4)λ<0时,减振措施放大了涡振,无效。表2给出了设置多孔板后各工况下的涡激共振减振效果。1.3.3单因素对医院党内减振效果的影响在+3°风攻角下,比较了3cm、4cm这两种多孔板宽度(指的是打孔区域宽度,下文同)对涡振减振效果的影响。由表2中Case4～5可以看出:在+3°风攻角下当多孔板其它参数相同时,对扭转涡振的减振效果随着其宽度的减小而提高,且都只是稍微放大了模型的竖弯涡振。1.3.4透风率对减振效果的影响从多孔板的宽度比选试验中发现其它条件相同时,宽度为3cm时的效果比其为4cm时的好。因此在+3°风攻角下考察多孔板透风率对其减振效果的影响时,宽度均取为3cm,孔径均为5mm,透风率分别为60%、50%、40%。由表2中Case4、Case6～7可以看出:在+3°风攻角下,当多孔板其它参数相同时,对扭转涡振的减振效果均随着透风率的增大而提高,且均只稍微放大了模型的竖弯涡振。1.3.5多孔板孔径对减振效果的影响根据多孔板宽度与透风率比选试验成果,在+3°风攻角下考察孔径对其减振效果的影响时,多孔板透风率取为60%,宽度取为3cm。由表2中Case4、Case8～12可以看出:在+3°风攻角下,当多孔板其它参数相同时,对涡振的减振效果与孔径没有必然联系;6种孔径的多孔板虽稍微放大了模型的竖弯涡振,但都不同程度地减小了扭转涡振。其中孔径为5mm时,对竖弯涡振的放大程度居中,对扭转涡振的减小程度最大,因此选择这一孔径进行后续试验。1.3.6风攻角对多孔板方案的影响由前面的试验结果可知,透风率为60%、宽度为3cm、孔径为5mm、倾角35°的多孔板方案效果相对较好。为研究风攻角对这种多孔板方案的影响,在0°、-3°风攻角进行了试验。由表2中Case4、Case13～14可以看出:在+3°风攻角下这种多孔板方案在0°风攻角下,使模型的竖弯涡振与扭转涡振都被放大;在一3°风攻角下使模型的竖弯与扭转涡振都得到了较好的控制。2结论和结论2.1有张力的多孔板方案主要试验结论(1)在+3°风攻角下当多孔板其它参数相同时,对扭转涡振的减振效果均随着其宽度的减小而提高;随着透风率的增大而提高,与孔径的尺寸没有必然联系。且这些措施都只是稍微放大了模型的竖弯涡振,比较有效地减小了扭转涡振。(2)透风率为60%、宽度为3cm、孔径为5mm、倾角35°的这种多孔板方案效果相对较好。在+3°风攻角下,虽然稍微放大了模型的竖弯涡振,但很有效地减小了扭转涡振;在0°风攻角下,使模型的竖弯涡振与扭转涡振都被放大,为无效措施。在-3°风攻角下使模型的竖弯涡振消失,且比较有效地减小了扭转涡振,为有效措施。综合来看,这种措施可以考虑与其他涡振减振措施组合使用。2.2多孔板抗混叠力的影响其他参数相同时,随着多孔板宽度的增加,一方面可能使得模型的气动外形变差,另一方面可能使得气流流经多孔板区域时旋涡脱落的规律性得到增强,从而加剧了涡激振动的程度;而随着透风率的提高,单位面积内的孔数增多,可能对旋涡能量的消减作用也更强,从而其它条件相同时,多孔板的涡振减振效果也越好;当透风率等其他参数相同,仅孔径不同时,一方面因为多孔板的透风率相同,对旋涡能量的消减能力不会有质的差别,从而各种孔径的多孔板对涡振减振效果只是在程度上有所不同;另一方面,由于孔洞的布置方式不同,其对气流绕流状态的影响规律也不同,导致其对模型涡振的减振效果与孔径的尺寸关系具有一定的随机性;此外,在某个风攻角下比较有效的多孔板方案不一定在其他风攻角下仍然有效。因为风攻角不同时,尽管多孔板各参数都没变,但断面的气动外形已经随着风攻角的改变而发生了改变。总的来说,多孔板对主梁断面气动性能的影响具有双重性。只有当多孔板宽度、透风率等