1400m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究-.pdf

1 4 0 0 m跨径 钢箱 梁斜 拉桥 方案 颤振控 制气 动措施试验 研究 朱乐东 ， 张宏杰 ， 胡 晓红 9 文 章编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 I 0 2 0 0 0 9 0 4 1 4 0 0 m 跨径钢箱梁斜拉桥方案 颤振控 制气 动措施试 验研 究 朱 乐 东 。 ， 张 宏 杰 。 ， 胡 晓红 1 ． 同济 大学土木 X - 程 防灾 国家重 点实验 室 ， 上海 2 0 0 0 9 2 ； 2 ． 同济大 学桥梁 结构抗 风 技 术交通 行 业重 点实验 室 ， 上 海 2 0 0 0 9 2；3 ． 同济 大学桥 梁X - 程 系 ， 上海 2 0 0 0 9 2 摘 要 为寻找合 理 可行的 颤振控 制 气动措 施 ， 使 超 千 米跨 径斜 拉桥 的颤振 临界 风速 超 过 8 0 m／ s ， 以主跨 1 4 0 0 m 的钢 箱 梁斜拉 桥 设计 方案 为 背景 ， 通 过 节段 模 型 风 洞 试验 对 中央稳 定板 、 中 央开槽 、 悬臂 水平 分 离板 、 风 嘴锐化 等 各种超 千 米斜拉 桥颤振 控 制 气动 措施 的效 果进行 了研 究 。研 究表 明 1 ． 5 m 悬臂 水平 分 离板加 4 0 。 锐化 风嘴 角的颤 振 控 制组 合 气动措 施 ， 能 够显 著 改善 桥 梁 的 颤振性 能 、 实现颤振 临界 风速 不低 于 8 0 m／ s的 目标 ； 从 颤 振稳 定 性 角度 验 证 了 1 4 0 0 m 斜 拉桥 方 案的 可行性 ； 超 千米斜拉 桥 的颤振 稳 定性 的富余 度往 往 不高 ， 设 计 必须考虑 斜风 效应 的不利 影响 。 关 键词 斜拉 桥 ； 颤振 稳 定性 ； 斜 风效 应 ； 颤振控 制 ； 气动措 施 ； 节段模 型 ； 风洞试 验 中图分 类号 U4 4 8 ． 2 7 ； U4 4 6 ． 1 文献标 志码 A Te s t S t u d y o f Ae r o d y na m i c M e a s u r e s f o r Fl u t t e r Co nt r o l o f a Pr o po s e d 1 4 0 0 - m S p a n S t e e l Bo x De c k Ca b l e 。 - S t a y e d Br i d g e Z HULe d o n g 。 ．Z HANG Ho n g j i e ． 、 ．HUXi a o h o n g 。 1 ．S t a t e Ke y L a b o r a t o r y f o r Di s a s t e r Re d u c t i o n i n Ci v i l En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y Sha n gh ai 2 00 09 2，Chi n a；2．Ke y Lab or a t or y f or W i nd Re s i s t a nc e Te c hno l og y o f Br i dg e S t r u e t u r e o f t h e Mi n i s t r y o f Tr a n s p o r t ，To n g j i Un i v e r s i t y，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2 ，C h i n a ； 3 ．De p a r t me n t o f B r i d g e En g i n e e r i n g，To n g j i Un i v e r s i t y ，S h a n g h a i 2 0 0 0 9 2，Ch i n a Ab s t r a c t To f i nd out t h e r a t i o na l a nd f e a s i bl e a e r o dy na m i c me a s u r e s f o r f l u t t e r c o nt r o l a nd t o e ns u r e t ha t t he f l ut t e r c r i t i c a l wi nd s pe e d o f t he c a b l e s t a y e d br i d ge h a v i ng s p a n l e n gt h l o n ge r t h a n 1 0 0 0 m c a n b e r a i s e d t O a 1 e v e l o f 8 0 m／ S ，t h e p r o p o s e d d e s i g n o f a l 4 0 0 一 m s p a n s t e e l b o x d e c k c a bl e - s t a y e d br i d ge wa s c i t e d a s a n e x a m p l e a nd t he e f f e c t of d i f f e r e nt a e r o d yn a mi c me a s ur e s ，i n c l u di ng t h e c e n t r a l s t a b i l i z i ng pl at e，c e n t r a l s l o t t i ng，c a nt i l e v e r ho r i z o nt a l s p l i t t i ng pl a t e a nd wi nd f a i r i ng s ha r p e ni ng，f or f l u t t e r c o nt r o l of t he c a b l e s t a ye d b r i dg e h a v i ng s p a n l e ngt h l o n ge r t h a n 1 0 0 0 m we r e i n v e s t i ga t e d t hr ou gh s e c t i o na l mod e l wi n d t un ne l t e s t s ． I t i s c on c l u de d f r o m t he i n v e s t i ga t i o n t h a t t h e c ombi ne d a e r o dy n a m i c me a s ur e o f t he 1 ．5 m c a nt i l e v e r s pl i t t i n g Dl a t e a n d t h e 40 。s ha r p e ne d wi nd f a i r i ng a ng l e c a n s i gn i f i c a n t l y i mpr o v e t he f l u t t e r p e r f or ma n c e of t h e b r i d ge a nd c a n a c hi e v e t he t a r g e t of t he f l u t t e r c r i t i c a l wi nd s p e e d t ha t i s n o t l o we r t ha n 8 0 m／ s ．Th e p r o p o s e d d e s i g n o f t h e 1 4 0 0 一 m s p a n c a b l e s t a y e d b r i d g e i s p r o v e d t o b e f e a s i b l e 收 稿 日期 2 0 1 0 0 3 3 l 基金项 目国家高新技术研究发展专项 8 6 3计划 经 费资助 项 目 2 0 0 6 AA1 1 Z 1 2 0 ； 科技 部 国家重 点实验 室基 础研究 专项经 费资 助项 目 S LDRCE0 8 A 0 2 作者简介 朱乐东 1 9 6 5 ， 男， 研究 员， 1 9 8 6年 毕业于 同济大学土建结构工程专业 ， 工学学 士 ， 1 9 8 9年毕业于 同济大学结 构工程专业 ， 工学 硕 士 ， 2 0 0 2年 毕业 于香 港 理 工 大 学 土 木 及 结 构 工 程 专业 ， 获 博 士 学 位 1 ． e d o n g t o n g j i ． e d u ． c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 0 桥梁建设 2 0 1 1年第 2期 f r o m a s pe c t o f t h e f l u t t e r s t a bi l i t y，ho we v e r t h e ma r g i n o f t h e f l ut t e r s t a b i l i t y o f t h e c a bl e s t a y e d b r i d ge h a v i ng s p a n l e ng t h l o n ge r t h a n 1 0 0 0 m i s o f t e n n o t hi g h a nd i n t he de s i gn of s u c h t yp e o f t he b r i d ge，t h e un f a v or a b l e i n f l u e n c e o f y a w wi nd e f f e c t s h ou l d b e t a k e n i n t o a c c o un t ． Ke y wo r d s c a b l e s t a y e d b r i d ge；f l ut t e r s t a b i l i t y；y a w wi n d e f f e c t ； f l ut t e r c o nt r o l ；a e r od y n a mi c me a s u r e；s e e t i o na l mo de l ；wi nd t un ne l t e s t 1 引 言 超 大跨度桥 梁是重大 交通基础设 施建设 中的关 键工程 ， 尤 其在我 国长 江 流域 和沿 海 经济 发 达地 区 有着 巨大 的工程需 求 ， 斜拉 桥 的跨 径 记 录不 断被 刷 新 。2 0 0 8年 5月通车的苏通大桥主跨跨径 已达到 1 0 8 8 m； 2 0 0 9年 1 2 月 通车 的香 港 昂船洲 大桥 主跨 跨径 也达到 了 1 0 1 8 m。与悬 索 桥 相 比， 千 米 级斜 拉桥 在 力 学 性 能 和 经 济 指 标 等 方 面 具 有 明 显 优 势_ 1 ] ， 苏 通 大桥 和香 港 昂船 洲 大桥 的建 设也 佐 证 了 其可行性 。为避 开深水 基 础 等施 工难 题 ， 探 寻斜 拉 桥能否在 突破千米 大关 后 继 续获 得跨 度 上 的增 加 ， 近 3 0年来 ， 围绕一些跨海及越江工程 ， 专家们纷纷 提 出了很多 诸如 1 2 0 0 ， 1 4 0 0 ， 1 8 0 0 m 特 大跨 径 斜 拉桥 的建设构 想 。然 而 要实 现 这些 构 想 ， 还 有 许 多 技术难 题有待解 决 ， 其 中桥梁抗风 问题 ， 尤其 是颤振 2 67 2 l 4 0 0 稳定性 问题是 决定超 千米跨 径斜拉桥 是否可行 的关 键 问题 之一 。2 0 0 6年 1月底 立 项 的 国 家 高科 技 发 展计划 8 6 3计划 资助项 目 超千 米斜 拉桥 体 系 及减灾减 振技术 研究 的任务之一 就是要 寻找合理 可 行 的颤振 控制气 动措 施 ， 使 超千 米跨 径 斜拉 桥 的 颤 振 临界风 速超过 8 0 m／ s 。 2主跨 1 4 0 0 m 斜拉桥 方案概 况 本 研究 以主跨 1 4 0 0 m 钢箱 梁斜拉 桥设计方 案 为背 景 ， 如 图 1所示 。采 用 ANS YS有 限元分 析 软 件计算 得到 的成 桥 状态 主 梁侧 弯 、 竖 弯和 扭转 基 频 分 别为 0 ． 0 6 1 l Hz 、 0 ． 1 4 7 4 Hz 和 0 ． 4 1 5 7 Hz ， 扭 转和竖弯频率比为 2 ． 8 2 。相应的主梁等效质量[ 2 ] 和质 量惯性矩 分别 为 2 9 0 ． 8 7 k N ／ m、 3 2 8 ． 9 4 k N ／ m 和 4 6 0 6 3 k N m ／ m。 ／ t- 斜 拉 索 斜 拉 索 。 I 纵 晖 板呈 5 ． 5l cm 环 争 沥 青 混 凝 土 』 ．c m 塑 胶 Of 丌丌 TU⋯I I ll I t lI ll⋯U T 丌 1 T 0 -2 检查车轨道 导流板 图 1 主 跨 1 4 0 0 m 斜 拉 桥 总体 布置 和 钢 箱 梁 断 面 随着桥 梁跨度 的增 大 ， 桥 梁 基频 显 著下 降 。对 关 文献 的研 究成果 以及作 者积 累 的研究 经验选 于规 划 中的 主跨 1 4 0 0 m 斜 拉桥 ， 其 竖弯 和扭 转基 定 了如 图 2所 示 的 上 中央 稳 定 板 UC S P 、 中央 开 频 的大大降低势 必使 其 对风 荷 载更 加 敏感 ， 而 其将 槽 C s 、 在 风嘴尖处 附加悬 臂水平 分 离板 C HS P 、 来所处的使用环境可能较杭州湾大桥更为恶劣。可 上下 中央稳定板组合措施 UL C S P 、 悬臂水平分离 以预见 ， 要使其抗风性能满足颤振检验风速 8 0 m／ s 板和上稳定板组合、 悬臂水平分离板和下稳定板组 的要求 ， 必 定存在较 大 的挑 战 。初步 试验结果 显示 ， 合 等 多 种 颤 振 控 制 气 动 措 施 ， 其 中 ， 开 槽 宽 度 分 3 。 攻角 下颤振 临界风速仅 为 5 8 m／ s ， 远远低 于 8 0 0 ． 1 B、 0 ． 1 5 B和 0 ． 2 B三种 B 为钢箱 梁 宽度 ， 水 平 m／ s目标值 ， 其 颤振稳定性 不满足 要求 ， 需 采取必 要 分离板 宽度分 1 ． 0， 1 ． 2 ， 1 ． 5 ， 1 ． 7 ， 2 ． 0 m 五种 ； 为 减 的气 动措施加 以改善 。 少 试验工 作量 ， 稳定 板 的高度 只 考虑 了 1 ． 5 m 一种 情 况 ； 与稳 定板组合 时 ， 分 离板宽度 也 只考虑 1 ． 5 m 3各种气 动控 制措施 的比选 一种 情况 。 为改善 该方 案斜 拉桥 的颤振 性能 ， 首先 参 照有 采用法 向风下 节段模型 试验方 法对这些 措施 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 0 0 m跨径钢箱梁斜拉桥方案颤振控制气动措施试验研究 朱乐东 ， 张宏杰 ， 胡晓红 二二二 1 原设计 断面 二二 2 原设计断面 U C S P 二 I 3 原 设计 断面 U L C S P ] [ 7 C S 0 ． 1 B [ 8 C S 0 ． 1 5 B ]￡ 9 C S 0 ． 2 B 图 2颤 振 控 制 气 动 措 施 示 意 颤振 控制 效果进 行 研 究 ， 各 种 气 动措 施 对 应 的 颤振 临界风速 试验 结果 如表 1所示 。因3 。 与 O 。 攻 角 下 颤 振临界 风速较 低 ， 表 1仅 给 出 了上 述 2个 攻 角下 的临界风 速试验 结果 。 表 1 各 种 气 动 措 施 对 应 的 法 向风 临 界 风 速 由表 1可见 ， 上 述各 种 气 动 措 施 的颤 振 控 制 效 果 如下 1 只采用 1 ． 5 m 高 的上 稳定 板或 上下稳 定 板 组 合措 施几乎 没有 效果 。 2 对 于 中央 开 槽 措 施 ， 在 本 试 验 所 考 虑 的 开 槽 宽度 范 围内 ， 颤 振 临界 风 速 随着 开槽 宽 度 的 增加 而呈增 加 趋 势 ； 但 是 ， 当宽 度 只 有 0 ． 1 B 4 ． 1 m 或 0 ． 1 5 B 6 ． 1 5 m 时 ， 颤 振 临 界 风 速 反 而 低 于 原 断 面 的值 ， 也 就是说 ， 这 样 的 措施 反 而起 到 了 反 作用 ； 当 宽 度增加 到 0 ． 2 B 8 ． 2 m 时 ， 临界 风速 虽 然 已超 过 了原断 面 的 临界 风 速 ， 但 仍 没 有 达 到 8 0 m／ S的 目 标 ， 可 能还需 要继 续增 加槽 宽 ， 而过 大 的槽 宽会使 结 构 受力 不合 理 ， 提 高 了静 力设 计 的难度 。 3 悬 臂水 平分 离板措 施极 大 地提 高 了该桥 在 3 。 攻角 下 的颤 振 临界 风速 ， 使 其达 到 了 1 1 0 m／ s 。 与上下稳 定板 组合 使用后 ， 还 可继续 提高 临界风速 。 考 虑到增 加上 下稳 定 板 会 给施 工 带 来 相应 的难度 ， 故 可考 虑仅加 装悬 臂水平 分离 板作 为原始 断面 的气 动控 制措 施 。 4斜风 下 的颤 振性 能 研究 成果 表 明 ] 桥 梁 颤 振 临界 风 速 常 常 在小 偏角 斜风 作用下 达 到最 小 值 ， 斜 风 效 应 可能 会 使桥 梁颤振 临 界风速 下 降 5 ～2 o 9 ／ 6 。鉴 于 在采 用 悬臂 分离 板控 制措施 后 ， 该 桥 颤 振 临界 风 速 仅 比要 求值 高 了 2 O ， 因此有必 要对 其斜 风 下颤 振 性 能作 进一 步检验 。斜 风下 的弹簧 悬挂 斜节 段模 型试验 在 同济 大学 土 木工 程 防灾 国家 重点 实 验室 的 T J 一 2边 界层 风洞 中进行 图 3 ， 模型缩 尺 比为 1 7 5 。 图 3悬 挂 于 T J 。 2风 洞 中 的 斜 节 段 模 型 试 验结果 显示 ， 在原 设计 断面 风嘴外 侧加装 1 ． 5 1 T I 的悬臂水 平分 离 板后 ， 桥 梁 在 5 。 偏 角 3 。 攻 角 下 的颤振 临界风 速最 低 ， 仅 为 8 0 m／ s 。虽 刚好 达到 了 要 求值 ， 但安 全储 备不足 ， 在考 虑全 桥三维 效应后 有 可 能不 满足要 求 。为 此 ， 进 一 步对 原 设 计 断 面 的风 嘴进 行 锐化 ， 在 保持 下斜 腹板倾 角不 变 的条件下 ， 使 下斜 板 向外和 向上 延伸 ， 直至 风嘴尖 角减 小至 4 0 。 。 对 采取 锐 化 风 嘴 加 1 ． 5 m 悬 臂 水 平 分 离 板 组 合气 动措 施 的方案再 次进 行 了斜 风节 段模 型颤振 试 验 ， 试 验 中考虑 了 0 。 、 5 。 、 1 0 。 、 1 5 。 、 3 0 。 五个 风 偏 角 和 一 3 。、O。、十3 。 、 5 。 四 个 风攻 角组 合 下 的 2 O组 风 向 角 。不 同风偏 角和 风攻 角下节段 模 型系统 扭转 阻尼 比 随试 验 风速 U 的变 化 曲线如 图 4所 示 。断 面 再度改 良后 的颤振临界风速 实桥换 算值如表 2 所示 。 图 4和表 2的结 果显 示 最 低 颤 振 临界 风 速 出 现在 5 。 偏 角和 3 。 攻 角情 况 ， 为 9 5 m／ s ， 比风 嘴 锐 化前 提高 了 1 9 ， 能 够 满 足 要 求 。此 外 ， 对 于再 度 改 良后 的断面 ， 同在 3 。 攻 角下 ， 5 。 偏 角 的颤 振 临界 风 速 要 比法 向 风 下 的低 约 7 ， 凸显 出对 于颤振稳 一～一一 一～一 ～～ 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 桥梁建设 2 0 1 1 年第 2 期 o． 0 7 0 ． O 6 0． 0 5 o． 0 4 o． 0 3 0． O 2 0． 0 l 0 0 ． 03 o ． 02 o． 01 o 一 0． Ol 0 ． 0 3 0 ． 0 2 0． 0 l o 一 0 ． 0l 0 ． O3 丑o 0 2 墨 0 ． 0 1 0 2 4 6 8 1 0 1 2 l 4 1 6 风速 ／ 加S - I a 一 3 。 风攻角 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 1 8 风速／ m S 一 b 0 。 风攻角 o 2 4 6 8 l 0 l 2】 4 1 6 1 8 风速／ m S c 3 。 风攻角 2 4 6 8 i 0 1 2 1 4 1 6 l 8 风速／ mS d 5 。 风攻角 口 0 。 口 5 。 ．8 1 0 。 十．8 1 5 。 ．8 3 0 。 图 4 再度改 良后模型 系统扭转阻尼比～风速曲线 表 2 断 面 再 度 改 良后 的 颇 振 临 界风 速 实 桥 值 m／ s 定 性 富余度 不高 的超千米斜 拉桥考虑 斜风效应 的必 要性 。 5 结 论 围绕 1 4 0 0 m跨 径钢箱 梁斜拉桥 方案 的颤振稳 定性 问题 ， 展开 了动力特性 计算 、 法 向风及 斜风下颤 振性能 和气动控制 措施 的研 究 ， 得 到了 以下结 论 1 对于所 研 究 的箱 形 斜拉 桥 设 计 方案 ， 加 装 悬臂 水平分离 板能 极大 地提 高 颤振 临 界 风速 ， 中央 稳 定 板基本 没有 作用 ， 而 中央 开槽措 施则 需足 够 大 的槽宽才 能发挥 作用 。 2 斜 风 效 应 可 能 会 使 颤 振 临界 风速 明显 降 低 ， 对于 颤振稳定 性 富余 度 不 高的桥 梁 应 考虑 斜 风 效应 的不利 影响 。 3 通过采用 锐化 风 嘴至 4 O 。 加上 1 ． 5 m 悬 臂 水平 分离板 的组 合 气 动 措施 ， 可使 该 主跨 1 4 0 0 m 钢箱 梁斜拉桥 方案 的颤振 临界 风速 超过 8 0 m／ s ， 因 而从 颤振稳定性 角度 验证 了该 方案 的可行性 。 参考文 献 Re f e r e n c e s [ 1 ] Ma n a b u I t o ，Y o z o F u j i n o ，T o s h i o Mi y a t a ．C a b l e S t a y e d B r i d g e sRe c e nt De v e l o p me nt s a n d Th e i r Fu t u r e ．I ABS E Sy m p o s i u m[ - C ] ／ ／J a p a n E l s e v i e r S c i e n c e P u b l i s h e r s B V，1 9 9 1 ． E 2 3 朱乐东．桥梁颤振节段 模型质量 系统模拟 [ J ] ．结构工程 师， 1 9 9 5， 3 5 4 3 9 4 5， 3 8 ． ZHU L e d o n g ． M a s s Sy s t e m Si mu l a t io n o f S e c t io n a l M o d e l f o r B r i d g e F l u t t e r [ J ] ．S t r u c t u r a l E n g i n e e r ，1 9 9 5 ，3 5 4 ，3 9 4 5，3 8 ． in Chine s e [ 3 ] 曹丰产．桥梁断 面中间开槽对 颤振稳定性的影响[ J 3 ．同济大 学学报 ， 2 0 0 2 ， 3 0 5 5 5 1 5 5 6 ． CA Fe n g c h a n ． I n f l u e n c e o f Ce n t r a l Slot o n Br i d g e Bo x Gi r d e r S F l u t t e r I n s t a b i l i t y [ J ] ．J o u r n a l o f T o n g j i Un i v e r s i t y ， 2 0 0 2，3 0 5 5 5 1～ 5 5 6 ．i n Ch i n e s e [ 4 ] 杨泳昕 ， 葛耀 君， 项海 帆．中央稳定板 颤振 控制效果 和机理研 究E J ] ．同济大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 5 2 1 4 9 1 5 5 ． YANG Yo n g x i n，GE Ya o j u n， XI ANG Ha i f a n ． Fl u t t e r C o n t r o l l i n g E f f e c t a n d Me c h a n i s m o f C e n t r a l S t a b i l i z e r [ J ] ． J o u r n a l of To ng J i Un i v e r s i t y ，2 0 0 7，3 5 2 1 4 9 1 5 5 ．i n Ch i n e s e r s ] 杨泳昕．大跨度桥梁二维颤振机理及其应用研究 博士学位论 文 E D ] ．上海 同济大学 ， 2 0 0 2 ． YANG Yo n g x i n ． Two Di me n s i o n a l Fl u t t e r M e c h a n i s m a n d I t s Ap p l i c a t i o n f o r Lo n g S p a n Br i d ge s Do c t o r a t e Dis s e r t a t i o n [ D ] ．S h a n g h a i T o n g j i Un i v e r s i t y ，2 0 0 2 ．i n C h i n e s e [ 6 ] 朱乐东．斜 风下扁平 箱形截 面桥梁 颤振性能 风洞试 验研究 [ J ] ．桥梁建设 ， 2 0 0 6 ， 2 2 7 ． Z H U Le d o n g ． St u d y o f F l u t t e r P e r f o r ma n c e of Fl a t Bo x De c k B r i d g e Un d e r S k e w Wi n d v i a Wi n d Tu n n e l Te s t [ J ] ． Br i d g e Co n s t r u c t i o n，2 0 0 6， 2 2 7 ． i n Ch i n e s e [ 7 3 Z HU L e d o n g ， CHA NG G u a r t g - z h a o ， D I N G Qu a n - s h u n ．F l u t t e r Pe r f o r ma n c e o f Th r e e Ty p i c a l Br i d g e De c k s Un d e r S k e w Wi n d s [ e l ／ ／T h e 4 t h I n t e r n a t io n a l C o n f e r e n c e 0 n Ad v a n c e s i n W i n d a n d S t r u c t u r e s AW AS 0 8 ． Ko r e a ， 2 0 0 8 1 4 3 4 1 4 4 7 ． 丑哩西 丑哩直 丑哩盛 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m