發(fā)布時(shí)間：2014-07-28 18:54

　　1 氣動(dòng)優(yōu)化措施風(fēng)洞試驗(yàn)
　　顫振節(jié)段模型試驗(yàn)在某風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。主桁架梁節(jié)段模型外形（包括附屬裝置）與實(shí)橋相似，采用1:47.5的幾何縮尺比，模型長L=2.1 m，寬B=0.7534 m，高H=0.3164 m，長寬比L／B=2.38。模型用紅松木和層板制作，人行道欄桿按實(shí)橋設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。為避免微小桿件引起的氣動(dòng)粘性效應(yīng)，對(duì)欄桿中較細(xì)的豎向管按透風(fēng)率等效的原則進(jìn)行合并。圖2為風(fēng)洞中的節(jié)段試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｍㄟ^對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算，結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)顫振狀態(tài)由對(duì)稱豎彎基頻和對(duì)稱扭轉(zhuǎn)基頻控制。因此，顫振節(jié)段模型試驗(yàn)按主梁第1階正對(duì)稱豎彎頻率fh=0.1573 Hz和主梁第1階正對(duì)稱扭轉(zhuǎn) fa=0.2726 Hz 2個(gè)模態(tài)組合來確定模型系統(tǒng)的扭彎頻率比，即ε= fa/fh=1.73。根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供，成橋狀態(tài)主梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為：Vd=25.90 m／s。該橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速振檢驗(yàn)風(fēng)速Vcr=KufVd=1.2×1.29×25.90=40.09 m／s。考慮該橋地處山區(qū)峽谷，受峽谷風(fēng)氣流加速和風(fēng)場復(fù)雜影響，確定該橋節(jié)段模型顫振試驗(yàn)風(fēng)速范圍為0.5～45.0 m／s，進(jìn)行a=0o、+3o、一3o、+6o、-6 o 5種攻角情況下的試驗(yàn)。
　　為了探討研究各種氣動(dòng)控制措施在各個(gè)來流攻角下對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響，試驗(yàn)采用了在橋面板中央開槽（見圖3）、增設(shè)裙板（布置方式如圖4）和氣動(dòng)翼板（布置方式如圖5）等優(yōu)化措施進(jìn)行測試。通過對(duì)比試驗(yàn)顯示，一種氣動(dòng)控制措施不能促使各個(gè)來流攻角下顫振臨界風(fēng)速增大，有時(shí)，某種措施能促使部分來流攻角下顫振臨界風(fēng)速增大，而對(duì)其余部分來流攻角效果不大，甚至可能引起相反的效果。為了達(dá)到最好的效果，使之在各個(gè)來流攻角下顫振臨界風(fēng)速都大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，需要采用多種氣動(dòng)措施組合作用。因此，試驗(yàn)又采用了幾種氣動(dòng)措施優(yōu)化組合方式，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，最終確定一種氣動(dòng)措施優(yōu)化組合方案，推薦給該橋梁設(shè)計(jì)單位。
　　1.1 橋面板中央開槽
　　在橋面板中央開槽，開槽寬度為1.0 m，見圖3。進(jìn)行橋面板中央開槽、不開槽對(duì)比試驗(yàn)，探討橋面板中央開槽與不開槽兩種情況對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表1。
　　從表1表可以看出：（1）在0 o攻角下，橋面板中央是否開槽對(duì)顫振臨界風(fēng)速并無多大影響；（2）在來流風(fēng)為正攻角的情況下，在橋面板中央開槽相對(duì)于不開槽的狀況，顫振臨界風(fēng)速有顯著提高，在a=+3 o、+6 o下分別提高40.4％ 和48.6％ ；（3）在-6 o攻角下，中央開槽相對(duì)于不開槽的狀況，顫振臨界風(fēng)速也有小幅提高，提高6.9％，而在-3 o攻角下，顫振臨界風(fēng)速卻降低24.4％，且小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速41.3m／s。
　　1.2 裙板
　　在橋面板邊端與加勁梁上弦桿間設(shè)置裙板，裙板寬1.6 m，厚0.2m，其布置示意圖見圖4。進(jìn)行增設(shè)裙板下橋面板中央開槽、不開槽對(duì)比試驗(yàn)，探討裙板與橋面板開槽和不開槽兩種氣動(dòng)優(yōu)化措施組合對(duì)橋梁顫振臨界風(fēng)速的影響。
　　從表2可以看出：（1）對(duì)桁架斷面增設(shè)裙板后，在00攻角下，顫振臨界風(fēng)速在橋面板中央開槽和不開槽的狀況下分別提高17.5％和21.5％。（2）在橋面板中央不開槽的情況下，增設(shè)裙板后，顫振臨界風(fēng)速在來流風(fēng)為負(fù)攻角時(shí)基本上沒有變化；在+60攻角時(shí)，增大明顯，提高44.0％；然而在來流風(fēng)為+3o攻角時(shí)，顫振臨界風(fēng)速降低17.5％。從整體來看，方案3在各種來流攻角下，顫振臨界風(fēng)速都達(dá)到了41.9m／s以上，滿足顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的要求。（3）方案4橋面板中央開槽，增設(shè)裙板后，顫振臨界風(fēng)速在+60攻角下提高幅度很大，然而在+30、-60攻角下降低9.3％和12.2％；在來流風(fēng)為-30攻角時(shí)，顫振臨界風(fēng)速基本無變化，小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速41.3 m／s。
　　1.3 氣動(dòng)翼板
　　增設(shè)氣動(dòng)翼板，翼板尺寸為：寬1.4 m，厚0.2in。支撐翼板的支架高3 m，間隔為5 rn，固定于上弦桿，筆耕論文，見圖5。進(jìn)行增設(shè)氣動(dòng)翼板下橋面板中央開槽不開槽對(duì)比試驗(yàn)，探討氣動(dòng)翼板與橋面板開槽不開槽兩種氣動(dòng)優(yōu)化措施組合對(duì)橋梁顫振臨界風(fēng)速的影響。
　　由表3可以看出： （1）在桁架上增設(shè)氣動(dòng)翼板后，在00攻角下，顫振臨界風(fēng)速有所提高，在橋面板中央開槽和不開槽的狀況下分別提高24.8％ 和23.6％；方案5橋面板中央不開槽，增設(shè)氣動(dòng)翼板后，在來流風(fēng)為負(fù)攻角時(shí)，顫振臨界風(fēng)速有小幅提高，在攻角為-30攻角時(shí)，基本沒有變化。在來流風(fēng)攻角為+60時(shí)，顫振臨界風(fēng)速有所提高，提高26.9％ ；（3）方案6橋面中央開槽，增設(shè)氣動(dòng)翼板后，顫振臨界風(fēng)速除在攻角為+3。時(shí)略有減小外，其余各試驗(yàn)來流風(fēng)攻角下都增幅明顯，+6o、0o、-3o、-60攻角時(shí)分別提高76.1％、24.8％、65.1％、25.1％。
　　1.4 最終設(shè)計(jì)氣動(dòng)措施組合方案
　　經(jīng)過3組不同氣動(dòng)優(yōu)化措施組合對(duì)比試驗(yàn)探討，確定橋面板中央開槽同時(shí)增設(shè)氣動(dòng)翼板的組合方案6為推薦氣動(dòng)優(yōu)化斷面。出于施工方面的考慮，設(shè)計(jì)單位將氣動(dòng)翼板由方案6中的上弦桿的位置移到了下檢修道外側(cè)，見圖6。進(jìn)行最終設(shè)計(jì)氣動(dòng)措施組合方案試驗(yàn)，驗(yàn)證最終設(shè)計(jì)氣動(dòng)措施組合方案在各個(gè)來流攻角下的顫振臨界風(fēng)速是否高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，結(jié)果見表4。
　　由表4可以看出，最終設(shè)計(jì)氣動(dòng)措施組合方案在各個(gè)來流攻角下的顫振臨界風(fēng)速都高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，可以滿足抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求。但是由于將氣動(dòng)翼板由方案6中的上弦桿的位置移到了下檢修道外側(cè)，致使+30、+60來流攻角下的顫振臨界風(fēng)速比方案6有較大幅度減小，分別降低26.5％和50.5％。
　　2 顫振機(jī)理分析
　　目前，許多學(xué)者對(duì)顫振發(fā)生機(jī)理作了許多富有成效的探索和研究（周志勇，2001年；楊泳昕，2002年）。常用的定量分析方法是將系統(tǒng)阻尼和系統(tǒng)剛度解析為包含有斷面氣動(dòng)外形參數(shù)的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)的函數(shù)形式，并通過氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)變化規(guī)律研究斷面氣動(dòng)外形同顫振發(fā)生規(guī)律的關(guān)系。對(duì)于類似壩陵河大橋這種斷面較鈍的桁架梁而言，顫振現(xiàn)象表現(xiàn)為扭轉(zhuǎn)形態(tài)的分離流顫振。其機(jī)理認(rèn)為是由氣動(dòng)阻尼驅(qū)動(dòng)，且激勵(lì)扭轉(zhuǎn)顫振的氣動(dòng)負(fù)阻尼來自與氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)A 2有關(guān)的扭轉(zhuǎn)氣動(dòng)阻尼力。
　　3 氣動(dòng)優(yōu)化措施試驗(yàn)結(jié)果分析
　�。�1）橋面板中央開槽可以提高桁架加勁梁懸索橋正攻角下的顫振臨界風(fēng)速，但是對(duì)00攻角的影響并不明顯，甚至在-30攻角下出現(xiàn)顫振臨界風(fēng)速降低的情況。這說明桁架加勁梁橋面板中央開槽與鋼箱加勁梁開槽顫振穩(wěn)定控制機(jī)理不同，鋼箱加勁梁開槽，上下空氣流通，可以減小橋面板上下面的壓力差，從而有效提高橋梁的顫振穩(wěn)定性。而桁架加勁梁和橋面板邊端是鈍體，桁架透風(fēng)性能好，橋面板中央開槽，抑制顫振作用有限，所以只能提高部分攻角下的顫振臨界風(fēng)速，對(duì)部分攻角的影響不明顯，甚至個(gè)別攻角下出現(xiàn)顫振臨界風(fēng)速降低的情況。
　�。�2）在橋面板外緣和上弦桿外緣設(shè)置裙板，使氣動(dòng)外型鈍化截面趨向于流線形，改善了氣流繞流的流態(tài)，減少了漩渦脫落，所以能夠提高00及正攻角的顫振臨界風(fēng)速。然而，在桁架上沿增設(shè)裙板，并不能完全改變桁架加勁梁的鈍體斷面，氣流經(jīng)過桁架鈍化斷面，還有漩渦脫落。因此，增設(shè)裙板對(duì)負(fù)攻角會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用，并且負(fù)角度越大，顫振臨界風(fēng)速降低越多，特別是當(dāng)橋面板中央開槽和裙板組合時(shí)，這種現(xiàn)象愈加顯著。
　　（3）增設(shè)氣動(dòng)翼板以后，各個(gè)攻角下的顫振臨界風(fēng)速都有所提高，對(duì)正攻角下的顫振臨界風(fēng)速有明顯的增加，對(duì)負(fù)攻角增加較少。其原因是在橋面板兩側(cè)增設(shè)氣動(dòng)翼板，有效地降低了氣動(dòng)橋梁斷面的升力矩，對(duì)以扭轉(zhuǎn)顫振形態(tài)為主的桁架加勁梁橋的顫振臨界風(fēng)速有顯著的提高。氣動(dòng)翼板是一種耗能裝置，翼板上的氣動(dòng)力，能夠有效耗散氣流由主架輸入系統(tǒng)的能量，從而使系統(tǒng)的顫振穩(wěn)定性得到改善。當(dāng)氣動(dòng)翼板和橋面板中央開槽組合時(shí)，多數(shù)攻角下的顫振臨界風(fēng)速的提高都達(dá)到了一半以上，高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速36.2％以上。氣動(dòng)翼板和橋面板中央開槽組合氣動(dòng)措施，是最優(yōu)化氣動(dòng)措施，是設(shè)計(jì)推薦方案，對(duì)其他桁架加勁梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)有很高的參考價(jià)值。

 

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