三线合一钢箱桁悬索桥颤振性能风洞试验研究

桥梁建设2 0 1 4年第 4 4卷第 6期 总第 2 2 9期 Br i d g e Co n s t r u c t i o n Vo 1 4 4 No 6 2 0 1 4 To t a l l y No 2 2 9 1 9 文章 编 号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 4 0 6 0 0 1 9 0 5 纬 一 合一钢箱桁悬 索桥颤振性能风洞试 验研 究 徐 昕宇 李永 乐 魏 恩来 向活跃 西 南交通 大 学桥 梁工 程 系 四川 成都 6 1 0 0 3 1 摘 要 某三 线合一 1条 高速公路 线 1条城 市主干道 线及 l 条 双 线铁路 线 公 铁 两 用悬 索桥 主桥 跨径 为 5 2 8 0 0 8 0 0 5 2 m 加 劲 梁采 用钢 箱 一桁 架组 合 形式 其 断 面形 式新 颖 为研 究该 桥 颤振稳 定 性能 确保 桥 梁的抗 风安 全 对主桁 架梁 节段进 行 l 4 6 3的缩 尺模 型 风 洞 试验 并探 讨 了风嘴 以及 栏杆 位 置 高度 透 风 率等各 种 气动措 施 对 颤振 临界 风 速 的 影响 结 果 表 明 该桥 在 一 3 攻角下 颤振临界风速小于相应的颤振检验风速 存在发生颤振 的可能性 增设风嘴能提 高负 攻 角下 的颤振 临界 风速 但 正攻 角 下颤 振 临 界 风速 会 有 所 降低 合 理 地 改 变上 下 游栏 杆 位 置 高 度 透风率等组合措施 能使桥梁在各攻角情况下的颤振临界风速满足要求 关键 词 铁路 公路 两用桥 悬索桥 钢 箱桁组 合 断面 风洞试 验 节段模 型 颤振 稳 定性 中 图分类 号 U4 4 8 2 5 U4 4 6 1 文献标 志码 A W i n d Tu n n e l Te s t S t u d y o f Fl u t t e r Pe r f o r ma nc e o f a Th r e e Li n e S t e e l Bo x a n d Tr u s s Gi r d e r S u s p e n s i o n Br i dg e x u Xi n y u LI Yo n g l e WEI En l ai XI ANG H u o y u e De p a r t me n t o f Br i d g e En g i n e e r i n g S o u t h we s t J i a o t o n g Un i v e r s i t y Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 Ch i n a Ab s t r a c t The s pa n a r r a ng e me nt o f t h e m a i n br i d ge of a t hr e e l i ne 1 e x pr e s s wa y l i n e 1 c i t y t r u nk r o a d l i ne a nd 1 do ubl e t r a c k r a i l wa y l i ne r a i l c um r o a d s u s p e ns i o n b r i dg e i s 5 2 8 00 8 0 0 十 5 2 m Th e s t i f f e ni n g g i r de r o f t h e br i d ge i s d e s i gn e d a s t he c ombi ne d s t e e l bo x a nd t r us s gi r d e r an d s t r u c t u r a l l y t he c r o s s s e c t i on of t he g i r de r i s q ui t e n o ve 1 To s t ud y t he f l u t t e r s t a bi l i t y a n d t o e n s u r e t h e wi n d r e s i s t a n t s a f e t y o f t h e b r i d g e t h e wi n d t u n n e l t e s t o f t h e s c a l e d d o wn m o d e l o f 1 4 6 3 f or t h e s e c t i on s o f t he ma i n t r us s g i r de r wa s c on du c t e d a nd t he i nf l u e nc e s o f t he va r i ous a e r o dy na m i c me as ur e s i n c l u di n g t h e wi n d f a i r i ng s a nd t he p os i t i ons he i gh t a nd ve nt i l a t i o n r a t e s o f t he ba l us t r a d e s o n t h e f l ut t e r c r i t i c a l wi n d s pe e ds we r e s t u d i e d The r e s u l t s of t he t e s t a nd s t u dy de m o ns t r a t e t h a t f o r t h e br i d ge a t t h e 一 3 wi n d a t t a c k a n gl e t he f l u t t e r c r i t i c a l wi nd s p e e d i s l e s s t ha n t he c o r r e s pon d i ng f l ut t e r c h e c ki ng wi n d s pe e d a nd t he p o s s i bi l i t y of t he f l ut t e r o c c ur r e n c e e x i s t s Th e i ns t a l l i n g o f t he wi nd f a i r i n gs on t he br i d g e c a n i nc r e a s e t he f l u t t e r c r i t i c a l wi n d s pe e ds a t t he ne g a t i v e wi n d a t t a c k a n gl e s b ut a t t he po s i t i v e wi n d a t t a c k a n gl e s t he c r i t i c a l wi nd s p e e ds ma y de c r e a s e The r e a s on a bl e c ha ng i ng o f t he me as u r e s of t he po s i t i o ns he i g ht a nd v e nt i l a t i on r a t e s of t he ba l u s t r ad e s o n t he u ps t r e a m a nd d o wns t r e a m s i de s o f t he br i d ge c a n m a ke t he f l ut t e r c r i t i c a l wi n d s pe e ds o f t he b r i dg e a t t he di f f e r e nt wi nd a t t a c k a ng l e s m e e t t he r e q ui r e m e n t s Ke y wo r d s r a i l c u m r o a d b r i dg e s us pe n s i on br i d ge c o m b i ne d s t e e l bo x a nd t r us s gi r d e r c r o s s s e c t i o n wi n d t un ne 1 t e s t s e c t i o n mod e l f l u t t e r s t a bi l i t y 收稿 日期 基 金 项 目 作 者 简 介 2 O 1 4 0 4 1 6 国家 自然科学 基金项 目 u1 3 3 4 2 0 1 5 1 2 7 8 4 3 4 Pr o j e c t o f Na t io n a l Na t ur a l S c i e n c e Fo u n d a t i o n o f Chi n a U1 3 3 4 2 01 5 1 2 7 8 4 3 4 徐昕宇 博 士生 E ma i l l s x x y 9 0 1 2 6 c o i n 研究方 向 车一桥耦合振动及桥梁风工程 2 0 桥梁建设 B r i d g e C o n s t r u c t i o n 1 引 言 悬 索桥具 有跨越 能力 大 造型 美观 等特点 是跨 度 1 0 0 0 m 以上 最具 有竞 争力 的桥梁 结构 型式 悬 索桥 常用 的加劲 梁 断面形 式有 扁平 钢箱 梁和桁 架梁 两种 颤 振是发 散 性 的 自激 振 动 可 能 成 为 抗 风动 力设计 中的重要 问题 在 桥 梁设 计 中应 当得 到 足够 的重 视 改善结构抗风性能的主要措施有气动措施 机 械措施和结构措施等 气动措施通常是通过改变桥 梁结构本身的气动外形 桥梁周围的气流流动 以达 到提 高气 流抗风 性能 的 目的 常用 的气动 措施 有 中 央开槽 j 增设 风 嘴 分 流 板 导流 板 中央稳 定 板 此外增设干扰板 翼板l 4 等也能 改善桥梁 的 抗风性能 矮寨大桥通过封闭中央槽 口和安装分离 式 中央 稳定 板等 措施有 效 提高 了该钢 桁架 加劲 梁悬 索 桥 的颤振稳 定性 5 明石海 峡 大桥设计 中通过 设 置 中央 稳定板 并 设置 带开孔 格栅 桥 面 使 该桥满 足 抗 风要 求 阳逻 长 江大 桥 加 劲 梁 采 用扁 平 钢 箱 形式 采用增设风嘴措施提高桥梁颤振临界风速 白桦等研究了中央稳定板 导流板 封闭防撞栏等气 动措 施对 钢桁 架加 劲梁 颤振 临界 风速 的影 响口 刘 慈军等通过将栏杆缘石 由连续改变为离散 的方式 明显 提 高 主梁 的颤 振 临界 风 速口 大 贝 尔 特 东 桥 原设 计 方案 的气动 特性 研究 中 曾对栏杆 等影 响进 行 的研 究发 现 实心 防撞 护 栏 会 对 桥 梁 的气 动 特 性 产 生不 利影 响u 可 以看 出不 同 断面 形式 的桥 梁 改 善抗风性能的气动措施不同 已有的研究基本是针 对桁 架梁 或者 扁平 箱 梁 断 面 但 针 对其 他 断 面 形 式 的颤 振性 能及 控制 措施 的研究 较 少 本文 以某 三塔 大跨 度悬 索桥设 计方 案 为研究 对 象 该 桥 为三线 合一 的公 铁两 用桥 梁 加 劲梁 采用 钢 箱一桁架组合断面形式 该结构断面形式新颖 国 内外 学者 对此 种断 面形 式 的加 劲梁 颤振 稳定 性研究 较少 缺乏可借鉴 的气动优 化经验 本文通过节段 模 型风洞试 验 研究 了该 桥 的 颤振 性 能 并 提 出了有 效 的气动 优化 措施 2 桥 梁 工程概 况 该公 铁两 用悬索 桥 的三线 合一 包括 1 条 高速公 路线 1条城 市主 干道线 及 1 条 双 线铁 路 线 即上层 桥面 为高 速公 路 双 幅 6车 道 下 层 桥 面 两 侧 为城 市主干道 单幅 3车道 中部为铁路线 双线 该 桥主跨 布 置为 5 2 8 0 0 8 0 0 5 2 m 全 桥结 构 布 置形 式如 图 1所 示 加 劲 梁 采 用 钢 箱 一 桁 架 组 合 梁 其横截面布置如图 2所示 上层单幅高速公路 桥 面 横 向宽 1 6 9 3 m 含 3 m 紧急 行 车 道 下层 单 幅城 市主干 道桥 面横 向宽 1 5 5 m 下 层 铁路 桥 面横 向宽 9 8 m 上层 和下 层桥 面系 均采 用 正交 异性 钢 桥 面板 全桥设 2根 主缆 横 向 间距 为 4 5 7 m 主缆 主跨 跨径为 8 0 0 m 矢高 为 8 2 5 m 矢跨 比 1 9 7 3 节 段模 型颤振 风洞 试验 节 段模 型颤 振试验 在西 南交 通大 学风 工程 试验 研 究 中心 x N J D一1工 业 风 洞 进行 主 桁 架梁 节 段 模型的几何缩尺 比为 1 4 6 3 按几何缩尺比严格 模 拟加 劲梁 的几何 外 形 以保 证 加 劲 梁 断 面气 动 绕 流 的二 维特性 3 1 风洞试 验参 数 通 过 有 限元 模 型进 行 桥 梁结 构 动 力 特性 分 析 该桥的竖弯 扭转组合频率如表 1所示 由于桥梁为 三塔双主跨布置 因此 竖弯与扭转有 4种振动组合 形式 表 1结构 自振特 性 Tab 1 Na t u r a l Vi b r a t i o n Cha r a c t e r i s t i c s o f S t r u c t u r e 根据 对颤 振机 理 的认 识 成 桥状 态结 构 可 能 的 颤振 形态 由基 频竖 弯 和 基 频扭 转 控 制 另 外 该 桥 的 基频较其他 阶要低得多 本研究偏安全地选择 了基 图 1 悬索桥 总体布置示意 Fi g 1 Ge n e r al Ar r a ng e me nt of S u s p e n s i o n Br i dg e 三线合一 钢箱 桁悬 索桥颤振性能风洞试验研究 徐 昕宇 李永乐 魏恩来 向活跃 2 1 1 6 9 3 9 8 0 1 6 9 3 3 0 0 3 3 7 5 1 1 2 5 1 4 9 0 4 9 0 1 3 3 7 5 i 1 2 5 3 0 0 l 1 4 5 6 5 0 9 8 0 叶 图 2加劲梁 横断面 Fi g 2 Cr o s s S e c t i o n o f S t i f f e ni ng Gi r de r 单位 c n l 阶的单跨对称 双跨反对称振型频率进行试验 其示 意如图 3所示 风洞试验所采用节段模型的主要参 数 如 表 2 所 示 试 验 中严 格 模 拟 了质 量 质 量 惯矩 及 回转 半径 由于 颤 振 失 稳 形 态 以扭 转 颤 振 为 主 与竖 弯模 态不耦 合 考 虑 到试 验 弹 簧 支 架 距 离 的 限 制 试验中偏安全地采用较小 的扭弯频率 比 试验风 速 向实桥 换算 时采 用扭 转风 速 比 a 竖弯振型 b 扭转振型 图 3 单跨对称 双跨反对 称振型示意 Fi g 3 S i n gl e S pa n Sy mme t r i c a nd Dou bl e Spa n As ymme t r i c Vi br a t i o n M o de s 3 2 原始 断 面风洞 试 验 分别 对加 劲梁 原始 断 面模 型 在 来 流风 攻 角 一 一 3 0 3 三 种 情 况 进 行 试 验 3种 风 攻 角 下 的 颤振临界风速分别 为 8 4 4 9 6 3 8 9 5 m s 桥面 原始 断面 颤振 临界 风速 较高 在 3种来 流风攻 角 下 O 攻 角 时 加 劲 梁 颤 振 I 临界 风 速 大 于 颤 振 检 验 风 速 8 9 1 m s 3 攻角 时颤 振 临界风 速仅 略 大于 颤振 检验风 速 但 在 一 3 攻 角 时 颤 振 临 界 风 速 不 满 足 要 求 因此 有 必要对该 桥加劲梁 进行颤振 性能优化 4颤振性 能气 动优 化 为了提高在各风攻角下的颤振临界风速 采用 了多种气 动措 施进 行优 化 下桥 面板外 侧 增设 风嘴 改 变上 下 桥 面 内 外 侧 栏 杆 高 度 位 置 透 风 率 等 具 体 措 施 如 下 下 桥 面 板 外 侧 增 设 风 嘴 去掉 上桥 面 内侧栏 杆 上桥 面 内侧 栏 杆高 度 改为 0 9 7 1 1 1 上桥面内侧栏杆高度改为 0 7 O IT I 上 桥面内侧栏杆移至内侧 边缘 o 9 3 I T I 上桥 面内 侧栏杆移至内侧边缘 o 4 6 1T I 上桥 面内侧栏杆 半 透风 下桥 面 内侧栏 杆 透 风 上桥 面 内侧栏 杆透风 去除上桥面外侧栏杆 气动措施示意如 图 4所示 图 4气动措施 示意 Fi g 4 Ae r o d y na mi c M e a s u r e Sk e t c h 4 1风嘴 对颤振 性 能 的影 响 由于桥梁为公铁两用悬索桥 弦杆尺寸较大较 钝 故首先考察了在下桥面板外侧增设风嘴 试验结 果 如表 3所 示 由表 3可知 增 加 风 嘴 使 正攻 角下 的颤 振 临 界 风 速有 小 幅降低 而 负 攻 角 下 颤 振 临 界风 速 有 一 定 提 高 4 2 栏杆 对颤 振性 能 的影 响 为考察桥面栏杆对该桥颤振稳定性 的影响 通 过改变栏杆高度 透风率 以及栏杆位置等措施 对颤 振 性 能进行 研究 试 验结 果如 表 4所示 由表 4可 知 去 除 上 桥 面 板 内侧 栏 杆 正 攻 角下的颤振临界风速有所提高 降低栏 杆高度 负 攻 角下颤 振 临界 风速 略有减 小 内侧栏 杆 由透 表 2 节段模型试验参 数 Ta b 2 Pa r a me t e r s o f S e c t i o n al M o d e l Te s t 实桥值8 0 3 5 0 模型要求值 3 7 4 4 模型实现值 3 7 5 4 2 2 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 表 3风嘴对颤振临界风速的影响 Ta b 3 I nflu e n c e s o f W i n d Fa i r i n g s o n Fl ut t e r Cr i t i c a l W i n d S pe e d s 工况 措施 堕鱼 塑堡 堕 墨垦婆 竺 2 O o 4 1 注 表中 一 表示未进行该工况的试验 下同 表 4栏杆对颤振临界风速的影响 Ta b 4 I nnu e nc e s of Ba l u s t r a d e s o n Fl u t t e r Cr i t i c a l W i n d S pe e ds 风改 为半透 风 不透 风 负 攻角 下 的颤振 临界风 速会 提高 这表明不透风 的栏杆在一定程度上起 到中央 稳 定板 的作 用 栏 杆 往 内侧 移 动 一 定 距 离 风 攻 角为 十3 时 的颤振 临界 风 速会 略 有 降低 通 过移 动内侧栏杆位置 达到降低栏杆高度效果 将上桥面 内侧栏 杆移 至距 边缘 0 4 6 m 一 3 0 3 攻 角 下 的颤 振临界 风速 均有 所提 高 去 除上 桥 面板 外侧 栏 杆 负攻 角下 的颤振 临界 风速 会有 所增 加 但 零攻 角 和正 攻角 下 的颤振 临界 风速均 有 明显下 降 经过 上 述 多种 工 况对 比 采 用 下桥 面 内侧栏 杆 透 风 上 桥 面 内侧 栏 杆 移 至 边 缘 0 4 6 m 时 一 3 0 3 攻 角 下 的 颤 振 临 界 风 速 均 大 于 颤 振 检 验 风 速 满 足颤振 稳 定性要 求 5 结 论 1 该 桥在 一 3 攻 角 下 颤 振 临 界 风 速 小 于 相 应的颤振检验风速 存在发生颤振的可能性 2 增设风嘴使正攻角下 的颤振临界风速有小 幅降低 而负攻角下颤振临界风速有一定提高 3 上 桥 面不透 风 的 内侧 栏杆 可 以起到 中央稳 定板 的作 用 栏杆 由透 风 变为 不 透 风会 使 一3 O 攻 角 时 的颤振 临界 风 速 有 所 提 高 而 3 攻 角下 的颤 振临界风速有所降低 4 保持内侧栏杆 高度不变 栏 杆位置的移动 可 以起 到间接 改变 栏杆 高度 的作 用 5 经过 多种 气 动 优 化 试 验 对 比 采 用 下 桥 面 内侧栏杆透风 上桥面 内侧栏杆移 至边缘 0 4 6 m 时 一3 0 3 攻 角下 的颤振 临界 风速 均大 于颤 振 检 验风 速 满 足颤 振稳 定性要 求 参 考 文献 R e f e r e n c e s 1 徐洪涛 山区峡谷风特性参数及 大跨度桁 梁桥风致振 动研究 博 士学 位 论 文 D 成 都 西 南交 通 大 学 2 0 09 XU Ho ng t a o Re s e a r c h of Ra vi ne W i nd Cha r a c t e r i s t i c Par a me t e r s a n d W i n d I n duc e d Vi br a t i on of Lo ng Sp a n Tr u s s Gi r de r Br i dge i n M ou nt a i n ou s Ar e a Do c t o r a t e D i s s e r t a t i o n D C h e n g d u S o u t h we s t J i a o t o n g Uni v e r s i t y 2 0 09 i n Ch i n e s e E 2 3 杨泳昕 葛耀君 项海帆 大跨度 桥梁 中央开槽颤振控 制效果和机理 研究 J 土 木工 程学 报 2 0 0 6 3 9 7 7 4 8 O YANG Yo n g x l n GE Ya o j u n XI ANG Ha i f a n FI u t t e r Co nt r ol Ef f e c t a nd M e c ha ni s m of Ce nt r a l Sl ot ri n g f o r L o n g S p a n B r i d g e s J C h i n a C i v i l E n g i n e e r i n g J o u r n a l 2 0 0 6 3 9 7 7 4 8 O i n Ch i n e s e E 3 谭潇 朱乐 东 郭震 山 等 中 央稳 定板 对大跨度 开 槽 桁架 梁悬 索桥 颤振 稳 定 性 的 影 响 J 结 构 工 程 师 20 08 2 4 2 66 71 TAN Xiao ZHU Le d on g GU O Zhe n s ha n e t a 1 Ef f e c t of Ce