风嘴对流线形钢箱梁涡振性能影响试验和CFD研究_康福军.pdf

第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023风嘴对流线形钢箱梁涡振性能影响试验和CFD研究康福军1 郭峰1 王俊2，*李加武2（1.广东省佛山市顺德区工程建设中心，佛山 528300；2.长安大学公路学院，西安 710064）摘 要 为了研究风嘴对流线形钢箱梁涡振性能的影响，以顺德斜拉桥为工程背景，通过节段模型测振风洞试验研究流线形钢箱梁涡振性能，研究发现：原设计断面在成桥状态出现超过规范限值的竖弯涡振和扭转涡振；为提高风洞模型试验效率，首先采用CFD的方法分析了62、50和40风嘴对断面流场特性的影响，结果表明小角度风嘴可以进一步强化断面流线形、降低迎风侧的负压力并改变断面漩涡的规模和位置。随后通过主梁节段模型风洞试验验证了40风嘴的气动优化措施能较好地消减涡振，该研究可为流线形钢箱梁涡振性能研究提供参考。关键词 桥梁工程，流线形钢箱梁，涡振，风洞试验，CFD，风嘴Wind Fairing Effect on Vortex-Induced Vibration of Streamline Steel Box Deck by Wind Tunnel Test and CFDKANG Fujun1 GUO Feng1 WANG Jun2，*LI Jiawu2（1.Shunde Engineering Construction Center，Foshan 528300，China；2.School of Highway，Chang an University，Xi an 710064，China）Abstract In order to study wind fairing effect on the vortex-induced vibration（VIV）of streamline steel box deck，taking Shunde cable-stayed bridge of unequal pylons as engineering background，the VIV performance of the streamline steel box girder was studied by the method of segmental model wind tunnel test.It was found that the vertical bending vortex vibration and torsional vortex vibration of the original design section exceeded the limit during the service period.In order to improve the efficiency of wind tunnel model tests，firstly，the CFD method is used to analyze the influence of 62，50，40 wind fairing on the flow field characteristics of the section，and the smaller wind fairing makes the section streamline more obvious，reduces the negative pressure at the windward，and changes the scale and position of the vortex on the bridge deck.Then，the wind tunnel test results verify that the aerodynamic optimization measure of 40 can reduce the amplitude of VIV better.This study can provide reference for the research of VIV performance of streamline steel box girder.Keywords bridge engineering，streamline steel box deck，vortex-induced vibration（VIV），wind tunnel test，computational fluid dynamics（CFD），wind fairing收稿日期：2021-10-22基金项目：国家自然科学基金项目（51978077）作者简介：康福军（1979-），男，广东佛山人，本科，项目经理，主要从事工程管理。E-mail：*联系作者：王 俊（1992-），男，安徽安庆人，工学博士研究生，主要从事山区风特性及桥梁抗风研究。E-mail：wangjun340828 DOI:10.15935/ki.jggcs.2023.01.008Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study0 引 言 从 1940年美国旧 Tacoma桥1因颤振失稳倒塌以来，大跨桥梁的抗风性能得到广泛的关注和充分的重视2。由于常见的较低风速是钝体结构产生涡振的充分条件，以及大跨桥梁的广泛建设，桥梁涡激振动的现象频繁发生，比如丹麦的Storeblt大桥3，日本的 Trans-Tokyo Bay 大桥4，中国的西堠门大桥5-7，以及2020年5月5日虎门大桥的涡激振动8-9。大跨桥梁的涡激振动不仅带来广泛的舆论关注，对桥梁结构的使用寿命、行车的安全性和舒适性也有重要影响。因此，有必要对大跨桥梁的涡激振动做专门研究。自20世纪50年代以来，国内外学者对桥梁涡振现象、涡振机理和控制措施，从风洞试验、数值模拟、理论计算等7，10-13方面做了深入的研究。在气动措施对涡振的影响方面，崔欣等12研究了栏杆透风率对主梁涡振的影响。王骑等14基于风洞试验研究了风嘴对流线形钢箱梁涡振性能的影响。孟晓亮等15使用风洞实验和数值模拟方法，分析了风嘴角度对封闭和半封闭箱梁涡振性能的影响，发现适当减小风嘴角度可以抑制涡振，且不影响颤振检验风速。赵林等16对大跨桥梁的涡振控制措施作了综述性报道，其中风嘴的角度、位置、外形等对涡振均有影响。综上所述，桥梁风工程专家们对涡振的研究取得了丰富的研究成果，关于风嘴角度等气动措施对涡振的分析也做了详尽的探讨，建议较小的风嘴角度对抑制涡振有较好的效果。鉴于此，本文以顺德大桥为工程背景，通过节段模型测振风洞试验研究流线形钢箱梁断面的涡振性能，原始断面在成桥状态下会出现超出限值的涡振响应，通过改变风嘴角度，结合CFD数值模型的流场特性，分析气动外形对涡振的影响。本研究具有一定的应用价值。1 工程背景 佛山市顺德区南国东路延伸线工程位于佛山市顺德区东部新城，项目南北走向，在顺德港东侧，连接大良、容桂。其中跨容桂水道大桥佛山市顺德区南国东路延伸线工程大桥（以下简称顺德大桥）桥梁总长2222.50 m，其中主桥为26662659.526055=992.50 m，为高低塔混合梁斜拉桥，其中主跨流线形钢箱梁长度为602 m，边跨为预应力混凝土箱梁，桥型布置如图1所示，流线形钢箱梁截面宽 44.9 m、高 3.8 m，如图 2 所示。顺德大桥造型美观时尚，结构轻盈独特，建成后会成为当地的地标性建筑之一。2 节段模型设计 根据该桥结构特点，采用梁单元来模拟主梁、桥塔、刚臂等，杆单元来模拟斜拉索，并由Ernst公式考虑垂度效应，用质量单元来模拟护栏、桥面铺装等的质量及其质量惯性矩，然后使用有限元软件建立桥梁有限元模型，有限元模型如图3所示。根据有限元模型分析桥梁的动力特性、相似原则、风洞试验阻塞率17以及模型缩尺比的要求18，原设计方案节段测振模型缩尺比为1 50，长1.800 m，宽0.898 m，高0.076 m，测振模型如图4所示。动力特性及设计参数如表1所示，可以看出相关桥梁参数的设计值与实测值误差均小于3%，认为节段模型的设计是合理的。3 原设计断面节段模型试验研究 节段模型风洞试验在长安大学风洞试验室CA-1大气边界层风洞中进行，风洞试验段尺寸为宽3.0 m、高2.5 m、长15.0 m，风速可调区间为0图1成桥状态桥型布置图（单位：cm）Fig.1Bridge layout in completion state（Unit：cm）图2流线形钢箱梁断面图（单位：mm）Fig.2Section of streamline steel box girder（Unit：mm）142 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期其值为53.0 m/s，紊流度Iu0.3，流场品质优良。弹簧悬挂测振系统由激光位移传感器、信号采集仪、计算机等组成。涡振试验风攻角范围为-5+5，间隔2，共5个风攻角，采用均匀来流。根据抗风规范第8.2.2条和第8.2.3条17，当斜拉桥主跨跨径400L800 m时，需要开展节段模型涡振风洞试验，必要时可通过比例不小于1 30的大比例节段模型风洞试验进一步检验。此外，根据规范建议和工程经验，涡激振动限值如式（1）、式（2）所示。hvv0.04fv（1）tv4.56Bft（2）式中：hv为竖向涡激共振振幅（m）；fv为竖向振动频率（Hz）；t为扭转涡激共振振幅（）；B为实桥宽度（m）；ft为扭转振动频率（Hz）；v为涡激共振分项系数，根据风洞试验获取hv时取为1.0。根据式（1）、式（2），计算得到与原设计方案对应的涡激振动限值见表2。原设计断面的涡振试验结果如图5所示，在施工状态，振动响应幅值随着风速增加而增加，但不同攻角均未出现涡振现象，满足规范要求；但是在成桥状态，均出现双重锁定区间的涡激共振现象，并且某些工况下涡振共振振幅最大值超过了规范限值。出现的涡激共振具有以下特点：（1）不论是竖弯振动还是扭转振动都具有双锁定区间的特征，且竖弯涡振起振风速比扭转涡振起振风速低，涡振锁定风速区间相邻，但不相互重叠。此外，第二个涡激共振响应更明显，说明高阶模态对涡激振动的影响是不可忽略的。（2）来流风攻角对涡振响应影响明显，以 图3斜拉桥有限元模型Fig.3Finite element model of cable-stayed bridge图4测振节段模型Fig.4Aerodynamic test of sectional model表1 涡振试验节段模型设计参数Table 1Design parameters of sectional model in VIV test参数施工状态m/(kgm-1)Im/(kgm2m-1)fb/Hzft/HzsTsV实桥值2.561044.641060.268 80.603 0相似比1/5021/50450/2.250/2.2设计值10.240.746.1113.710.50%0.50%实测值10.150.766.2013.600.10%0.43%误差-0.88%2.27%1.47%-0.77%实桥值成桥状态3.301047.861060.280 90.626 8相似比1/5021/50450/2.550/2.5设计值13.221.265.7812.540.50%0.50%实测值13.191.275.6112.700.15%0.36%误差-0.20%0.98%-3.03%1.29%表2 涡激共振振幅限值Table 2Amplitude limit of VIV涡振限值hv/mmt/()施工状态148.80.17成桥状态142.40.16143Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study-5最安全，+5最不利，这与成桥状态的附属构造对桥梁断面气动外形的关系紧密。（3）竖弯涡振的锁定区间在 711 m/s，扭转涡振的锁定区间在1320 m/s，后者较前者有所滞后，分析原因在于桥梁结构竖弯基频为0.280 9 Hz，小于扭转基频0.626 8 Hz。4 数值风洞模拟 因成桥节段模型涡振振幅超出规范限定值，需采取措施来减小涡振振幅。已有研究表明，适当减小主梁截面的风嘴角度，有利于降低竖弯涡振和扭转涡振振幅，且颤振稳定性更优15-16，比如：象山港大桥将风嘴角度从56减小为38，椒江二桥将风嘴角度从70减小为58。为提高风洞节段模型试验的效率，首先使用数值风洞的方法分析了风嘴对该桥梁断面流场特征的影响。4.1网格划分及参数设置限于篇幅，仅针对最不利工况，即成桥状态+5风攻角，对62、50和40风嘴断面进行二维流场分析，拟从压力和迹线等方面分析风嘴角度对流场特性的影响。计算域采用规范推荐的尺寸。采用ICEM软件划分网格，由于附属构造的影响，为了便于网格划分采用三角形非结构网格模式，主梁断面附近加密，采用渐变的模式，远处网格尺寸逐渐增加，增长率不大于1.15，网格质量控制在0.46以上。经过网格无关性验证后，最终计算方案的网格数量约10万。数值风洞模拟采用Fluent软件，湍流模型采用常用的SST k-，Simple算法，二阶迎风格式，参数残差设置为110-6。计算域及网格如图6所示。4.2断面流场分析在最不利的工况，将原设计方案 62风嘴依次减小12、22，主梁断面更具流线形特征，主梁断面附近的流场形态发生显著变化，特别是在主梁迎风侧的上侧。一方面，从主梁断面压力云图的角度（图7），风嘴减小后，对上游最外侧人行道图5原设计断面涡激振动试验结果Fig.5VIV test results of original section图6计算域及网格示意图Fig.6Schematic diagram of computing domain and grid144 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期栏杆和检修道栏杆处的负压力影响明显，依次减小了35.6%、40.7%。由于62风嘴断面在桥面人行道外侧栏杆处的转角更明显，更容易造成流动分离，形成大尺度低频率的高能量漩涡，使得负压力更大。另一方面，从流场迹线的角度来看（图8），较小的风嘴有利于将主梁上侧原来一个大尺度漩涡分割打散成多个小尺度漩涡，且改变了漩涡中心的位置。风嘴减小改变了主梁断面上侧涡激力的作用位置和大小。另外，小尺度漩涡的气动力可能存在相干效应，改变了涡激力的相位，有利于耗散来流对主梁的做功。可以判断，减小风嘴角度，改变了主梁的气动外形，有利于抑制和削弱可能存在的对气动外形十分敏感的涡振。5 风嘴气动优化措施试验验证 根据数值模拟结果，建议将外延底板，使得两侧风嘴前端角度由 62减小到 40，如图 9 所示。风嘴优化后主梁两侧各增加约104 cm，主梁整体桥宽为约47.0 m，使得主梁断面更具流线形特点。从图10可以看出：风嘴角度减小22后，成桥状态竖弯振动和扭转振动均得到很好地抑制和削减；+5风攻角时，在11.5 m/s时，竖弯涡振最大振幅从164 mm减小到8.8 mm，降幅为94.6%；+5风攻角时，在19.25 m/s时，扭转涡振最大振幅从0.327下降到 0.038，降幅为 88.4%；风洞试验结果也验证了数值模拟结论的可靠性，降低了试验成本，提高了试验效率。6 颤振性能试验检验 在满足涡振要求的基础上，对两种桥梁断面进行了颤振试验，如表3所示，试验结果表明，风嘴改变对该桥颤振稳定性影响可以忽略，两种设图7成桥状态+5风攻角主梁断面压力云图Fig.7Pressure contour of main girder section during service period at+5 wind attack angle图8成桥断面+5风攻角主梁断面迹线图Fig.8Trace map of main girder section during service period at+5 wind attack angle图9风嘴气动优化措施示意图（单位：mm）Fig.9Schematic diagram of wind fairing（Unit：mm）145Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study计方案均能满足颤振稳定性要求，且颤振临界风速比检验风速高约20%。7 结 论 通过节段模型测振风洞试验和数值模拟的方法研究了流线形钢箱梁的涡振性能，研究发现：（1）节段模型试验结果表明，原设计断面62风嘴，在成桥状态会出现超过规范限值的双幅竖弯涡振和扭转涡振，应予以控制和削减。（2）使用CFD的方法，分析了风嘴对大攻角下流线形钢箱梁断面的影响，较小的风嘴使得断面更具流线形，减小了迎风侧的负压力，改变了漩涡的尺度和位置，进而影响了涡激力的大小和作用位置，有利于抑制和削减涡振。（3）将风嘴设置为40，能大幅地抑制成桥竖向涡振和扭转涡振，降幅在85%以上，且不影响颤振临界风速，同时验证了数值风洞的可靠性。参考文献1Irwin P A，Stoyanoff S，Xie J，et al.Tacoma Narrows 50 years later-wind engineering investigations for parallel bridges J.Bridge Structures，2005，1（1）：3-17.2张基进，郭吉平，刘杰.大跨度斜拉扣挂悬臂浇筑混凝土拱桥施工期抖振响应分析 J.结构工程师，2021，37（3）：183-188.Zhang Jijin，Guo Jiping，Liu Jie.Buffeting response analysis of long-span arch bridge during construction using the cantilever casting with temporary stays methodJ.Structural Engineers，2021，37（3）：183-188.（in Chinese）3Larsen A，Esdahl S，Andersen J E，et al.Storeblt suspension bridge-vortex shedding excitation and mitigation by guide vanes J.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2000，88（2）：283-296.4Fujino Y，Yoshida Y.Wind-induced vibration and control of 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