文献翻译-减弱风对悬索桥猫道的影响.pdf

减弱风对悬索桥猫道的影响减弱风对悬索桥猫道的影响 Soon Duck Kwon Ph D Hankyu Lee Seungho Lee Ph D 和 Jonghwa Kim Ph D 概要概要 当今研究中 湍流风下的风洞试验和抖振实验是悬索桥猫道结构的重要准则 从 风洞试验中发现 雷诺数对猫道系统中三分力系数的影响是微不足道的 已知各种密实 度比和攻角 通过一些简单的公式就能估算猫道的三分力系数 抖振实验表明将猫道和 主缆连接在一起是减少侧向位移的有效对策 用绳索固定猫道和桥塔同样是减缓侧向位 移的有效手段 DOI 10 1061 ASCE BE 1943 5592 0000410 2013 American Society of Civil Engineers CE数据库关键词数据库关键词 悬浮桥 风压 风洞 结构控制 位移 作者关键词作者关键词 猫道 悬浮桥 风压 风洞实验 结构控制 简介简介 猫道是安装悬索桥主缆时的临时通行通道 Gimsing 1983 如图 1 所示 猫道结构由 几段绳索 木梁 木台阶和底部和侧面的多孔金属网组成 这些绳索承受着工人村的体重 装配缆索设备的重量和组成主缆的绳索 猫道的另外一些组件则是为了行人的安全和舒适 一对对的猫道构造被沿着主缆方向以一定间距均匀连接着 表一中列举了世界上各主要悬索 桥猫道的详细数据 尽管世界各地已经有很多悬索桥已被建成或正在建设之中 风对猫道系统的影响仍未被 很好的定义 Tanaka 1998 Kawaguchi 和 Fukunaga 1995 Takeniet al 1997 和 Kitagawa 2004 对明石大桥猫道结构的安装计划提出了建议 他们评估了在主缆安装中可能出现的 技术问题 比如牵引系统 安装程序 静态变形 空气动力稳定性 纵桥向布置和振动控制 措施 Matsukizaki et al 1990 介绍了在多多罗大桥中被最广泛应用的预制平行缆的制造 和安装 Shinichi et al 1997 提供了大桥的猫道设计 建设信息 他们用 1 10 的建筑模型来测试 牵索和拉索减缓振动的效力 最近 Zheng et al 2007 演示了润扬大桥的猫道风洞试验 尽管他们测量了各种各样攻角和偏航角的三分力压力系数 他们的实验也仅仅局限于特定的 猫道 而且并未能提供猫道气动力表现的一般性信息 由于它们的柔度对风的变化很敏感 作为减弱猫道侧向振动的措施 额外的抗风缆被用 来加固猫道结 当然抗风缆的这种运用也带有一些缺点 例如 延长工期 航运不便 下锚 问题等 Akitama et al 1999 最近 添加的与猫道缆索平行的拉索或连接每条猫道的水平 索已经被用来减弱由风和猫道的应用而引起的水平振动 Hojo et al 1995 正如前面所总结的 雷诺数对多孔猫道的影响仍未被研究透彻 在这项研究中 通过对 两个不同比例模型的风洞试验进行观察 来研究雷诺数 主缆和密实度比对其的影响 通过 在时间域内进行猫道建筑特性系数的研究和振动反制措施的自助分析来验证猫道风效应 这 篇文章总结了对猫道的风洞试验和自助分析的技术性研究成果 风洞试验风洞试验 猫道系统猫道系统 在现在实验研究中使用的模型源自于光阳大桥的设计方案中主跨 1430m 的方案中的猫 道建筑模型 图 1 文中使用的数据并不是光阳大桥的确切数据 而是由 DM 工程公司所 提供的众多设计方案中的一种 如图 1 b 所示 单边猫道的宽高分别为 4 0m 和 1 3m 每条猫道由 10 条直径 31 5mm 的绳索和包含了金属网 木台阶和手扶栏杆安全设施组成 侧向和底部的密实度比分别为 7 和 16 实验装置实验装置 我们有理由确信沿桥梁轴心的平行猫道在空气动力学上是相互独立的 因为这些猫道之 间都间隔 20m 以上 因此 风洞试验只有以单条猫道为准 在风洞试验中 严格比例的 1 14 模型和 1 4 模型被装配和实验以用来获得猫道系统的 空气动力系数 为保证模型的强度 模型骨架由再现了木质横梁和木质阶梯的焊接钢板机架 构成 为了分析雷纳书效应 两组不同规格的比例模型在 5m h 10m h 的不同风速下测量了 对应的空气压力系数 其值与实际雷诺数的 1 84 到 1 4 一致 图 2 表明猫道在风洞中是以外力平衡的形式安装的 风洞试验在韩国 Chonbuk 国家大 学 KOCED 风洞试验中心的两个风洞中进行 1 4 比例模型试验是在返回值比较接近的高速 风洞区域进行的 这个试验区域为 5 0m 高 2 5m 高 20m 长 最高风速为 31m s 1 14 比例 模型是在一个 1 0m 宽 1 5m 高 5m 长的较小风洞试验区域中进行 大小风洞内的湍流强度 分别小于 1 和 0 5 模型的空气动力表现由一对能够读出三个力和三个时刻的 JR3 力平衡装置测得 平均 风速则由皮托管和压力传感器测得 攻角以 1 为间隔 从 10 到 10 变化 阻塞效应并 未被修正 因为该模型的阻塞效应影响比例不到 1 力和时刻由以下方程式转化为以为空 气静力系数 HV D CD 2 2 1 HV L CL 2 2 1 22 2 1 HV M CM D 拖曳力 L 升力 M 俯仰力矩 V 自由风流速 空气密度 H 猫道高度 实验结果实验结果 为了研究不同特性猫道系统于三分力系数的影响 有三种不同的参数被选定 并在这一 阶段给出实验结果 这些参数分别是雷纳数 主缆表现和稳定系数 在实验中 特定的参数 发生变化 而其他参数保持不变 以避免一切干扰 雷纳数的影响雷纳数的影响 雷诺数对猫道三分利系数的影响是通过统一风流下两种不同比例模型的研究来进行的 实际猫道的雷诺数分布是从 5 103 4 到 6 106 2 而比例模型则是从 4 101 3 到 5 105 6 猫道的高度被用作参考长度 以估算雷纳数 如图3所示 即使由圆截面杆所组成 雷纳数在猫道系统中对阻力系数的影响并不重要 升力系数和俯仰力矩系数也被发现是与雷诺数相独立的 总的来说 雷诺数对猫道系统三分 力系数是不相关的 对主缆的影响对主缆的影响 猫道在第一阶段的建设中不需要其他建筑结构的支撑 在通过空中编缆法架设的主缆接 近完成时 如图4所示 在高风速下主缆和猫道间会发生位移 原因是其刚度间的差异 因 此 包括猫道横截面在内的猫道位置从中心点移动到了猫道的四分之一罗经点 这些条件在风洞中模拟过 而且猫道对主缆在空气动力学三分力系数上的影响也得到了 分析 图5展示了包含和不包含主缆的猫道在中心点和四分之一罗经点的三分力系数 尽管三 分力系数在主缆前稍有减少 从实际观点来看 猫道在三分力系数上对主缆的影响是可以忽 略不计的 密实比的影响密实比的影响 悬索桥密实比因桥的不同 分布范围很广 底部的密实度常常比侧面的要高 为了研究 密实比对三分力系数的影响 对悬浮系统的不同密实比均进行了风洞试验 其侧面值为 9 23 5 底面值为16 30 5 根据调查 大多数猫道的数值分布都在这个范围内 密实 度的变化通过在模型上安装合适的多孔金属网来实现 实验结果在图6和图7中展示出来 从结果中我们可以清楚的看到侧面密实度比对阻力和 力矩系数有强烈的影响 而对举力系数则无太大影响 另外 举力系数只稍受底部密实度比 的影响 但阻力和力矩系数并不受影响 通过之前的结果 我们发现阻力和力矩系数受侧面 密实度比影响 而举力系数受底面密实度比影响 为空气静力系数设计公式为空气静力系数设计公式 从对猫道的各种密实度比的风洞试验结果中清楚的知道 空气静力系数主要是受悬浮系 统密实度比的影响 如图8所示 阻力和力矩系数几乎和侧面密实度比成线性比例 因此 以下方程式被用作估计0 攻角时猫道空气静力系数的计算公式 40 0 93 0 SD C 06 0 32 0 SM C 40 0 93 0 B L d dC 0C d dCM L 其中 攻角 S 侧面密实度比 B 底部密实度比 补充说明 由攻角和密室度比 计算阻力系数的最合适的方程如下所示 9 493 0 10597 1 10977 1 C 16 470 0 10862 2 10674 1 C 2523 2423 S BBD B SSD 抖振效应抖振效应 猫道结构系统根据一款由 DM Engineering Company Cho et al 2006 开发的基于有限 元分析的软件建立 尽管独立塔和主缆之间的动态交互对主缆的整体自然频率而言意义重大 Xu et al 1997 因为猫道系统的稳定性要比主缆和桥塔要差得多 猫道的绳索有弹性悬 链线单元组装 横桥则由框架单元组建 猫道两侧总计10跟绳索的表现被认为是随机的 并 被等价处理 图9 木质台阶 护栏和金属网被考虑在内 而且他们的硬度在研究中被忽略 不计 因其强大的非线性 猫道建筑在恒载作用下的形变可以在设计阶段就提前得到 为寻找 其无应力长度和初张力以得到其初始平衡构型 当前研究中运用了恒载下目标构型 TCUD 理论 一种基于牛顿拉普森理论的迭代数值法 我们可以在 Kim and Lee 2001 中找到恒 载下目标构型 TCUD 理论的详细描述 通过使用计算得到的无应力长度和初张力 初始非线性静态分析首次被用来归纳自重对 形变的影响和内力对猫道结构的影响 随之自由振动分析也得以完成 最低的四个横向模式 的自然频率被发现分别为0 049 0 097 0 146和0 195Hz 最低的垂直模式为0 137 0 194 0 231和0 275Hz 自然振动频率和低振动振幅下的一致 而且可能在高振动振幅下发生改变 当绳索数量从10根增加到18根时 最低横向 垂直模式下的自然振动频率发生轻微变动 分 别变动至0 050Hz 和0 148Hz 这些频率上的变动无关紧要 因为当绳索增加时质量和稳定 性都同时增长了 振动分析振动分析 水平和竖直方向的湍流风部分都由自回归平均移动技术生成 并被考虑沿桥轴线方向具 有特殊相关性 Cao et al 2000 而 Kaimal 光谱则被用来生成这一结果 并且湍流风的强度 沿桥轴线方向为10 5 沿垂直方向为7 2 垂直风沿桥轴线方向每间隔50m 均匀分布 在 初步研究中 关于60m 高处的猫道在代分点之间的节点处的风速对动态侧向位移并不是呈线 性分布的的影响是线性分差的 一项包含了自由振动数据和振动压力的模态分析被用来演示计算湍流风下的猫道位移 Kwon et al 2008 在准稳态研究理论中 作用在猫道上的瞬时压力与在同等效应攻角下 的静力几乎一致 并且在风和物体移动速率间的相位滞后并未被考虑在内 猫道的气动导纳 函数也在振动分析中被忽略了 因此 振动风压只取决于波动风速率 攻角和空气静力系数 气动阻尼由强制振动实验测得 Kwon 和 Lee 2009 如图10所示 测得的垂直向气动 阻尼 1 H 和由准稳态近似法估算得到的值十分吻合 Simiu 和 Scanlan 1996 k C2 H L 1 其中 k 是简约频率 相似的 k C2P D 1 被用来估计侧面气动阻尼 从时间域内的 线性模式分析中绳索数量 横桥间隔和侧向固实比的影响都得到了分析 静态响应静态响应 图11展示了猫道在风荷载下的静态横向响应 当绳索数量增加时位移逐渐减少 然而横 桥间隔对侧向静态侧向位移有微量的影响 当侧向固实比增加时静态位移也会少许增加 这 是因为当侧面固实比从5 增加到13 时阻力系数仅增加了20 动态响应动态响应 猫道相关的动态侧向位移已在图12中给出 为了能对各种建筑类型做相对对照 猫道的 侧向位移除以图1 b 中的标准化猫道测向位移以标准化 垂直位移并未予以考虑 因为其 相对侧向位移而言要小得多 当绳索数量增加时 动态位移明显的发生了减少 横桥的变化稍微归功于侧向位移的减 少 然而增加横桥的数量可能并不是一种减少侧向振动的行之有效的方法 当侧向固实比增 加是动态位移也会稍微增加 就如同静态位移的结果中一样 总的来说 动态位移的减少能 通过增加绳索数量来有效的完成 也就是加固 然而 横桥间隔在减弱振动的作用上并不明 显 侧向振动的控制侧向振动的控制 连接主缆和猫道连接主缆和猫道 主缆和猫道被连接在一起以减少因湍流引起的水平向动作 在主缆因气旋作用而发生抬 升期间 得益于与猫道的相互连接导致的侧向位移的减少 主缆的坚固性得到了明显的提升 图13 b 中展示了猫道和主缆间连接点的间隔对侧向位移的影响 由于猫道和主缆间的约 束 侧向位移被有效的减少了 除非连接两者所用的金属材料强度不足 拉索拉索 如图14 a 所示 固定绳索锚固在桥塔上时应当能抑制住侧向位移 在我们的分析中 假定在猫道中使用的绳索和固定猫道与主塔所使用的绳索是相同的 图14 b 中所示的是 安装绳索的三中案例 图15 a 所示是连接绳索初张力的降低位移比例的功能 当初张力增加时 位移比例 的减少量立即增加 当连接绳索张力达到其极限值得30 时 逐渐汇聚至一个特定值 图15 b 说明了猫道的侧向位移取决于固定绳索的安装策略 双重连接被发现是三中安装策略 中能最有效减少侧向位移的方法 总结总结 为了分析风对悬索桥猫道系统的影响 研究中分别进行了风洞试验和振动试验 该研究 的主要成果如下 从风洞试验中观察到在猫道悬浮系统中 雷纳数对三分力系数没有明显的影响 猫道的 三分力系数被发现对一些特定的因素一直 但不包括猫道内包裹的主缆 一些简单的公式可 以通过固实比和攻角来估算猫道的三分力系数 振动分析实验揭示出猫道的静态和动态侧向位移在绳索数量增加时会立即减小 将横桥 间隔降低只能轻微的减少猫道的位移 将猫道和主缆绑在一起可以有效地减少横向位移 以 对角线固定猫道和桥塔的绳索同样是减少侧向位移的有效手段 鸣谢鸣谢 这篇研究报告由国土资源部 交通部和韩国政府海事部门授权号09CCTI A052531支持 作者同样对韩国科学和技术信息协会所提供的 KREONET 服务表示由衷的感谢 参考书籍参考书籍 Akiyama M et al 1999 Erecting technology for suspension bridge cables Bridge Constr Eng 49 2 2 7 in Japanese Cao Y Xiang H and Zou Y 2000 Simulation of stochastic wind velocity 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