宽体扁平钢箱梁气动力特性及涡振性能研究-.pdf

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7 0 桥 梁建设2 0 1 6年第 4 6卷第 1期 总第 2 3 6期 Br i d g e Co n s t r u c t i o n ,Vo 1 . 4 6,No . 1 ,2 0 1 6 To t a l l y No . 2 3 6 文章 编号 1 0 0 3 4 7 2 2 2 0 1 6 0 1 ~0 0 7 0 0 6 宽体扁平钢箱梁气动力特性及涡振性能研究 杨 阳, 张亮亮 , 吴 波 , 符 健 重庆大学土木工程学院, 重庆 4 0 O 0 4 4 摘 要 针对宽体扁平钢箱梁对风作 用比较敏感的情况, 以寸滩长江大桥主桥[ 2 5 0 8 8 0 2 5 0 m 双塔单跨悬索桥 , 加劲梁宽高比为 1 2 ] 为背景 , 采用风洞试验和数值模拟相结合的方法对 其钢箱梁气动力特性和涡振性能进行研 究。通过节段模型风洞试验测试其在不同风速和风攻角下 的静力三分力 系数 变化情况及 0 。 、 4 - 3 。 、 5 。 、 7 。 7种风攻角下的涡振响应, 并通过软件模拟加劲 梁断面周围压强随风攻角的变化情况。结果表明 该宽体扁平钢箱梁在 不同风速 下的静 力三分力 系数 十分接 近 , 雷诺数 对其 影响较 小, 加 劲梁断 面具备 气动稳 定 的必要 条件 , 气动 性 能 良好 ; 风 攻角 的变化在一定程度上改变了断面迎、 背风侧及上 、 下方压力差, 导致静力三分力系数变化; 该梁对风 攻 角变化敏 感 , 大风攻 角作 用 下扭转 涡振 响应 变化 幅度 大于 竖向响应 变化 幅度 , 更容 易发 生大 范 围 大振 幅涡振 。 关 键词 悬 索桥 ; 宽体 扁 平钢 箱梁 ; 风 洞试 验 ; 有限元 法 ; 静 力 三分 力 系数 ; 涡振 ; 风攻 角 中图分 类号 U4 4 8 . 2 5 ; U4 4 3 . 3 5 文 献标 志码 A S t u d y o f Ae r o d y n a m i c Cha r a c t e r i s t i c s a n d Vo r t e x -- I n d u c e d Vi b r a t i o n Pe r f o r ma n c e o f W i d e Fl a t S t e e l BO X Gi r d e r Y ANG Y a ng,ZHANG Li a n g- l i a ng, S c h o o l o f C i v i l En g i n e e r i n g,Ch o n g q i n g Un i v e r s i t y , WU Bo,FU J i a n C h o n g q i n g 4 0 0 0 4 4 ,C h i n a Ab s t r a c t I n v i e w O t h e f a c t t h a t t he wi d e f l a t s t e e l b ox gi r d e r i S s e ns i t i v e t O t he wi nd a c t i o n。 t h e ma i n b r i d g e a d o u b l e t o we r s i n g l e s p a n s u s p e n s i o n b r i d g e wi t h s p a n a r r a n g e me n t 2 5 O 十 8 8 0 2 5 0 m a n d wi t h wi d t h t o ‘ d e p t h r a t i o o f i t s s t i f f e n i n g g i r d e r b e i n g 1 2 ]o f t h e C u n t a n C h a n g j i a n g Ri v e r Br i d g e wa s t a k e n a s a n e x a mp l e a n d t h e a e r o d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s a n d v o r t e x - i n d u c e d v i b r a t i o n p e r f o r ma n c e o f t h e s t e e l b o x g i r d e r o f t h e b r i d g e we r e s t u d i e d ,u s i n g t h e c o mb i n e d me t h o d of wi nd t u nn e l t e s t a nd n ume r i c a l s i mul a t i o n. By wa y o f t he s e c t i o na l mod e l wi n d t un ne l t e s t ,t he c h a n g i n g o f t h e s t a t i c t h r e e c o mp o n e n t f o r c e c o e f f i c i e n t s o f t h e g i r d e r u n d e r t h e d i f f e r e n t wi n d s p e e d s a n d wi n d a t t a c k a n g l e s a n d t h e v o r t e x - i n d u c e d v i b r a t i o n r e s p o n s e s u n d e r t h e 7 k i n d s o f t h e wi n d a t t a c k a n g l e s o f 0 。 , 3 。 , 5 。a n d 7 。we r e t e s t e d a n d b y t h e s o f t wa r e ,t h e p r e s s u r e i n t e n s i t y a r ou nd t he s e c t i on of t he s t i f f e ni n g g i r de r c h a ng i ng wi t h t he wi nd a t t a c k a ng l e s wa s s i m ul a t e d . The r e s ul t s o f t he s t ud y de m o n s t r a t e t ha t t h e s t a t i c t h r e e c o mpo ne nt f o r c e c o e f f i c i e n t s o f t he wi de f l a t s t e e l b o x g i r d e r u n d e r t h e d i f f e r e n t wi n d s p e e d s a r e v e r y c l o s e a n d t h e e f f e c t o f t h e Re y n o l d s nu m be r s o n t h e gi r d e r i s l i t t l e .The s e c t i on o f t he s t i f f e n i ng g i r d e r ha s ne c e s s a r y c o n di t i on s o f a e r o d y n a mi c s t a b i l i t y a n d t h e a e r o d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f t h e g i r d e r i s g o o d . Th e c h a n g i n g o f t h e wi n d a t t a c k a ng l e s c h a nge s t h e pr e s s u r e d i f f e r e n c e s O n t he wi nd wa r d,1 e e wa r d,up pe r a nd l o we r s i d e s o f t h e s e c t i o n o f t h e g i r d e r t o s o me e x t e n t a n d r e s u l t s i n t h e c h a n g i n g o f t h e s t a t i c t h r e e c o m 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 2 9 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 1 5 7 8 0 9 8 ; 重庆市建委科 技项 目 2 0 1 3 0 8 4 4 P r o j e c t o f Na t i o n a l Na t u r a l S c i e n c e F o u n d a t i o n o f C h i n a 5 1 5 7 8 0 9 8 ;P r o j e c t o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y o f C o mmi s s i o n o f Ur b a n Ru r a l De v e l o p me n t ,Ch o n g q i n g Ci t y 2 0 1 3 0 8 4 4 作者简介 杨阳, 博士生 , E ma i l 2 0 1 2 1 6 0 1 0 0 9 c q u . e d u . c n 。研究方向 桥梁抗风 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 宽体扁平钢箱梁气动力特性及 涡振性 能研究 杨阳 , 张亮亮 , 吴波 , 符健 7 1 p o n e n t f o r c e c o e f f i c i e n t s .Th e g i r d e r o f t h e b r i d g e i s s e n s i t i v e t o t h e c h a n g i n g o f t h e wi n d a t t a c k a n g l e s ,t h e c h a n g i n g a mp l i t u d e o f t h e t o r s i o n a l v o r t e x - i n d u c e d v i b r a t i o n r e s p o n s e s o f t h e g i r d e r u nd e r t h e gr e a t wi nd a t t a c k a n gl e i s g r e a t e r t ha n t ha t o f t he v e r t i c a l v o r t e x - i n du c e d v i b r a t i o n r e s p on s e s a nd t h e gi r d e r i s mor e l i a bl e t o t he o c c u r r e n c e of l a r ge r a ng e g r e a t a m p l i t ud e vo r t e x i n . du c e d vi b r a t i o n. Ke y wo r d s s u s p e n s i o n b r i d g e ;wi d e f l a t s t e e l b o x g i r d e r ;wi n d t u n n e l t e s t ;f i n i t e e l e me n t m e t hod;s t a t i c t hr e e c o m p o ne nt f o r c e c oe f f i c i e nt ;v o r t e x i ndu c e d v i br a t i on;wi n d a t t a c k a ng l e 1 引 言 近年来我国大跨度桥梁不断涌现 , 桥梁的宽高 比也不断增大 , 扁平钢箱梁在大跨度悬 索桥 和斜拉 桥中被广泛应用。但扁平钢箱梁对风的作用比较敏 感 , 宽高比大的扁平钢箱梁更容易受到各种 因素影 响 , 因此有必要开展宽体扁平钢箱梁气动力 特性及 涡振性能的研究 。 目前关于扁平钢箱梁的气动力特性和涡振性能 的研究主要有 鲜荣等n ] 通过不同缩尺 比模型研究 了宽高比为 1 0 . 7 7 1的扁平钢箱梁阻尼比、 模型细部 构造对其涡振性能的影响。李春光等 对宽高 比为 1 1 . 0 8 的扁平钢箱梁进行 了节段模型试验 , 研究 了移 动检修轨道位置、 有无安装悬臂 、 变化轨道导流板尺 寸等因素对涡振性能的影响。孙延国等 对宽高 比 为 1 1 . 0 8 6的扁平钢箱梁进行了节段模型试验 , 研究 了人行道栏杆 、 检修轨道、 导流板对其涡振性能的影 响 。辛大波等[ 4 研究 了风雨共 同作用下 宽高 比为 8 . 5 8 9 的扁平钢箱梁涡振的起振风速 、 幅值及区间的 变化。李永乐等 研究 了检修车轨道位置 、 桥面栏 杆 、 分流板及风攻角等因素对宽高 比为 1 0 . 9 5 3的扁 平钢箱梁涡振性能的影响。朱思宇等 ] 研究了大风 攻角下宽高比为 1 1 . 1 6 7的扁平钢箱梁的涡振性能。 李薇口 对宽高比为 9 . 6的扁平钢箱梁三分力系数随 雷诺数的变化进行 了数值模拟计算 , 并将数值计算 结果与高雷诺数 风洞试验结 果进行 比较 。刘志文 等嘲对成桥状态和施工状态加劲梁的三分力系数进 行了数值模拟 , 并与风洞试 验结果进行了对 比。上 述文献 中学者研究 的扁平 钢箱梁的宽高 比都 小于 1 1 . 2 , 目前对宽高 比较大的扁平钢箱梁开展 的研究 相对较少 , 将风洞试验与数值模拟相结合对扁平钢 箱梁三分力系数进行研究的文献也相对较少 。 本文针对宽高 比为 1 2的宽体扁平钢箱梁, 通过 风洞试验和数值模拟相结合的方法对其气动力特性 和涡振性能进行研究。 2 工程 概况 及模 型设 计 2 . 1 工 程概 况 寸滩长江大桥全长 1 6 0 0 m, 主桥跨径布置为 2 5 0 m8 8 0 m2 5 0 m, 为双塔单跨悬索桥 , 主跨矢 跨 比 1 / 8 . 8 , 2根主缆 中心距 3 9 . 2 m。加劲梁采用 宽高比为 1 2的宽体扁平钢箱梁 , 梁宽 4 2 . 0 m, 梁高 3 . 5 m, 加劲梁标准断面如图 1所示 。 2 . 2 数值模型建立 通过 ANS YS C i v i l F e rn 计算得 出该桥梁结构 第 1阶对称竖弯频率为 0 . 1 7 4 4 6 , 第 1阶反对称扭 转频率为 0 . 1 1 6 2 5 , 所建模型如图 2所示 。根据规 范 计算 出涡振振幅竖 向容许值取 0 . 3 4 4 1 m, 扭 转容许值取 0 . 2 7 3 3 。 。对扁平钢箱梁静力三分力系 数分析时采用 ANS Y S F l u e n t 软件 , 假设 流动为定 常不可压 , 静力按 定常处理 , 不考虑温度的影 响, 压 力速度耦合选用 S I MP L E算法 , 离散格式为 2阶迎 风插值_ 1 , 数值模拟的缩尺比与节段模型相同。 1 4 O 4 2 0 0 图 1 加劲梁标准断面 Fi g .1 Ty pi c a l Cr o s s S e c t i o n o f St i f f e ni ng Gi r d e r 单位a m 处一 一 一 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 4 桥梁建设B r i d g e C o n s t r u c t i o n 内为负值 , 在正风攻角范围内为正值 。图 6 d 中加 劲梁断面下方的主漩涡使其处于负压区, 其压强绝 对值大于一8 。 风攻角工况, 且上表面为正压 , 与 0 。 风 攻角相 比, 上表面压强基本没有变化, 上、 下压力差 为正且大于一8 。 风攻角工况 , 导致升力系数为负且 小 于 一8 。 风 攻角工 况 。迎风 侧斜 腹 板处 的漩 涡与 断 面下方分离区漩涡汇合成一个大 的主漩涡 , 且一直 延伸至下游 , 使其背风侧负压 区的范围与压强绝对 值均大于一8 。 风攻角工况, 因此其迎 、 背风侧压力差 更 大 , 阻力系数 更 大 。 3 . 3涡振性 能试 验结果 山区地形及峡谷地带 , 桥梁风场受局部地形影 响 非常 剧烈 , 易形 成 大 于 3 。 风 攻 角 的大 风 攻 角 来 流风。寸滩长江大桥桥址属于山区地貌 , 桥面上栏 杆 比较多, 容易发生涡振 , 因此对加劲梁断面进行了 0 。 、 3 。 、 5 。 、 7 。 7 种风攻角条件下的涡振试验 。 由试验测得的竖向、 扭转风速比和模型缩尺 比 换算可得到加劲 梁在实际 中的竖 向和扭转 涡振响 应 , 分别如图 7 、 图 8所示 。由图 7 、 图 8可看出加劲 梁在7 。 、 5 。 、 3 。 、 0 。 风攻角情况下出现 了明显涡 振响应 。7 。 、 5 。 、 3 。 3种风攻角下有 2个涡振 区, 第二涡振区涡振响应明显 大于第 一涡振 区。0 。 风攻 角下 出现 了 1个明显 的涡振 区。一3 。 、 一5 。 、 一 7 。 3种风攻角下未出现涡振区。7 。 风攻角下竖 向涡振响应最大幅值为 5 8 6 . 4 6 mm, 扭转响应最大 角度 为 1 . 2 9 6 。 。 o 风 攻角 下竖 向涡振 响 应最 大 幅 值为 3 9 8 . 4 6 mm, 扭 转 响应 最 大 角度 为 0 . 9 6 4 。 。 3 。 风攻 角 下竖 向涡 振 响应 最大 幅 值 为 2 8 3 . 9 9 mm, 扭转响应最大角度为 0 . 2 7 3 。 。7 。 、 5 。 大风 攻角下的涡振区间明显增大 , 涡振响应增幅较大 , 竖 向振幅和扭转角度均超过涡振允许值 。3 。 风攻角 下扭转角度超过允许扭转角度 0 . 1 8 , 竖向涡振振 幅未超过涡振允许值 , 0 。 、 一3 。 、 一5 。 、 ~7 。 工况的涡 振响应均在允许值范围内。未进行大风攻角试验时 加劲梁基本满足涡振要求, 但是 在大风攻角下竖 向 振幅和扭转角度峰值均超过允许值 。由此 可见 , 风 攻角对宽体扁平钢箱梁的影 响较大 , 大风攻角作用 下扭转涡振响应更加敏感 , 宽体扁平钢箱梁容易发 生大范围大振幅涡振 。 4结论 1 该宽体扁平钢箱梁在不 同风速下静力三分 力系数值十分接近 , 雷诺数影响较小, 加劲梁断面具 备气动稳定的必要条件 , 气动性能 良好 。 目 罂 蜷 噻 .叵 蜷 林 一 辩 蜷 图 7 宽体扁平钢箱梁竖 向涡振响应 Hg . 7 Ve r t i c a l Vor t e x - I nd uc e d Vi br a t i on Re s po ns e s o f W i d e Fl a t St e e l Box Gi r d e r 3 6 9 1 2 1 5 1 8 2 1 2 4 2 7 3 0 3 3 实桥风速/ m s 一 图 8 宽体扁平钢箱梁扭转涡振响应 Fi g 8 To r s i o na l Vo r t e x - I nd u c e d Vi b r .a t i on Re s p o n s e s o f W i d e F l a t S t e e l B o x Gi r d e r 2 风攻 角的变化 在一定程度 上改变 了断面 迎、 背风侧及上、 下方压力差 , 导致了静力三分力系 数变化。 3 宽体扁平钢箱梁对风攻角变化敏感 , 大风 攻角作用下扭转涡振响应的变化幅度大于竖向涡振 响应 的变化幅度 , 更容易发生大范围大振幅涡振 。 参考文献 R e f e r e n c e s [ 1 ] 鲜荣 , 廖海 黎.不 同尺 度扁平 箱梁 节段模 型涡 激振 动风洞试验口] .桥梁建设 , 2 0 1 0 , 2 9 1 3 . XI AN Ro n g , LI AO Ha i l i . W i n d Tu n n e l Te s t f o r Vo r t e x - I n d u c e d Vi b r a t i o n o f Di f f e r e n t Ge o me t r y S c a l e S e c t i o n a l Mo d e l s o f F l a t B o x Gi r d e r [ J ] .B r i d g e C o n s t r u c t i o n ,2 0 1 0, 2 9 1 3 .i n Ch i n e s e [ 2 ] 李春光 , 陈政清 , 韩 艳.带悬臂 流线型箱梁 大 比例节 段模型涡振 试验 研究 [ J ] .桥 梁建 设 , 2 0 1 4 , 4 4 6 1 2 1 8 . LI C h u n - g u a n g,CH E N Z h e n g q i n g ,H AN Ya n .Ex 一 ∞ 晒 ∞ ∞ ; 5 } ∞ 5 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 宽体扁平钢箱梁气 动力 特性 及涡振性能研究 杨阳, 张亮亮 , 吴波 , 符健 7 5 p e r i me n t a l S t u d y o f La r g e S c a l e S e c t i o n a l M o d e l f o r Vo r t e x - I n d u c e d Vi b r a t i o n o f S t r e a ml i n e d Bo x Gi r d e r wi t h C a n t i l e v e r Wa l k S l a b s [ J ] .B r i d g e C o n s t r u c t i o n , 2 0 1 4 ,4 4 6 1 2 1 8 .i n Ch i n e s e [ 3 3 孙延国, 廖海黎, 李明水.基于节段模型试验的悬索桥 涡振抑振 措施 [ J ] .西 南交 通大 学学 报 , 2 0 1 2 , 4 7 2 21 8 2 23, 2 64 . S UN Ya h g u o,Ll A0 Ha i l i ,LI Mi n g - s h u i .Mi t i g a t i on M e a s u r e s of Vo r t e x - I n du c e d Vi br a t i o n of Sus pe n s i o n B r i d g e B a s e d o n S e c t i o n Mo d e l T e s t [ J ] .J o u r n a l o f 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 ,2 0 1 2 ,4 7 2 2 1 8 2 2 3,2 6 4 .i n Ch i n e s e [ 4 ] 辛大 波 , 张明 晶, 王 亮 , 等.大跨度 桥梁 主梁风 雨致 涡激振动试验研 究 [ j 1 .哈尔滨 工程 大 学学 报 , 2 0 1 1 , 3 2 9 l 1 6 8 ~ 1 1 7 2 . XI N Da - h o,Z HANG Mi n g j i n g,W ANG L i a n g,e t a 1 . Ex p e r i m e n t a l S t u d y o n W i n d - Ra i n - I n d u c e d a n d Vo r t e x - I n d u c e d Vi b r a t i o n i n Br i d g e De c k S e c t i o n s o f L o n g - S p a n B r i d g e s [ J ] .J o u r n a l o f Ha r b i n E n g i n e e r i n g Un i v e r s i t y,2 0 1 1 ,3 2 9 1 1 6 8 1 1 7 2 .i n Ch i n e s e E s ] 李 永乐 , 侯光 阳 , 向活跃 , 等.大跨 度悬 索桥钢 箱主梁 涡振性能优 化 风洞 试验 研 究 [ J ] .空气 动 力 学学 报 , 2 0 1 1, 2 9 6 7 0 2 7 0 8 . LI Yo n g l e ,H0U Gu a n g y a n g,XI ANG H u o y u e ,e t a £ . 0p t i mi z a t i o n o f t h e Vo r t e x - I n d u c e d Vi b r a t i o n o f S t e e l B o x M a i n Gi r d e r o f L o n g S p a n S u s p e n s i o n B r i d g a s b y Wi n d Tu n n e l Te s t [ J ] .A c t a A e r o d y n a mi c a S i n i c a,2 01 1 ,2 9 6 7 0 2 7 0 8 . i n C h i n e s e [ 6 3 朱思 宇 , 李永乐 , 申俊昕 , 等.大攻 角来流作 用下扁 平 钢箱梁涡振性 能 风洞试 验优 化研究 [ J ] .土 木工程 学 报 , 2 0 1 5 , 4 8 2 7 9 8 6 . Z HU S i y u,LI Yo n g - l e ,S HEN J u n x i n ,e l a 1 .Op t i _ mi z a t i o n o f Vo r t e x - I n d u c e d Vi b r a t i o n o f F l a t S t e e l B o x Gi r d e r s a t L a r g e At t a c k An g l e b y W i n d Tu n n e l Te s t [ 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 1 5 , 4 8 2 7 9 8 6 .i n Ch i n e s e [ 7 ] 李 薇 , 胡 兆 同, 李加 武 , 等.桥梁断 面三分力 系数 数 值模 拟[ J ] .公路交通科技 , 2 0 1 2 , 2 9 5 3 7 4 0 , 4 5 . 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J TG/ T D6 O O l 一 2 0 0 4,W i n d Re s i s t a n t De s i g n S p e c i f i c a t i o n f o r Hi g h w a y B r i d g e s [ S . 谭红霞 , 陈政清 .C F D在 桥梁 断面静力 三分 力系数计 算 中的应用[ J ] .工程力学 , 2 0 0 9 , 2 6 1 1 6 8 ~7 2 . TAN Ho n g x i a ,CH E N Z h e n g q i n g . Ap p l i c a t i o n o f CF D i n Ca l c u l a t i n g Th r e e S t a t i c C o e f f i c i e n t s o f B r i d g e S e c t i o n [ J ] .E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ,2 0 0 9 ,2 6 1 1 6 87 2 .i n Ch i n e s e FU J i a n 杨 阳 1 9 8 6 一, 女 , 博士生 2 0 0 9年毕 业 于 兰州 交通 大 学水 利 水 电专业 , 工学 学 士 , 2 0 1 2年毕 业 于兰州交 通大 学水工 结构 专业 , 工 学硕士。研究 方向 桥梁抗风 E - ma i l 2 0 1 2 1 6 0 1 0 0 9 c q u . e d u . c n 张 亮 亮 1 9 5 6 一 , 男 , 教 授 1 9 8 2年毕业 于 国 防科 技 大学 固体 力学 专业 , 工 学 学士 , 1 9 9 4年 毕业 于西南交通大学桥梁与结构工程专 业 , 工学博士。研究方 向 桥梁力学 分析 , 桥梁抗 风 E ma i l z 1 1 2 0 0 5 1 0 1 2 6 . c o m 吴 波 1 9 9 1 一 , 男 , 硕 士生 2 0 1 3年毕业 于西 南 交通 大 学 土木 工程专业 , 工学学士 。研究方 向 桥 梁风致振动 E - ma i l Wu s wj t u y e a h . n e t 符健 1 9 9 1 一 , 男 , 硕 士 生 2 0 1 3年毕 业 于重 庆 大学 土木 工 程 专业 , 工学 学 士 。研 究 方 向 桥 梁 颤振 E ma i l c q u f u j i a n 1 2 6 . c o rn 编辑 刘迎倩 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m
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