平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究.pdf

第 20 卷 第 7 期2023 年 7 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 7July 2023平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究夏伟1，罗祎2，黄智文3，温青4,3，华旭刚3(1.安徽省交通勘察设计院有限公司，安徽 合肥 230011；2.中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430101；3.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；4.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)摘要：为满足日益增长的交通需求，多幅大跨连续钢箱梁桥应用日益广泛，多幅主梁间复杂的气动干扰效应引起的风致振动及其减振是桥梁设计和运营必须解决的问题。以某主跨180 m平行4幅连续钢箱梁桥为工程背景，设计制作4幅连续梁桥气弹模型，开展全桥气弹模型风洞试验，研究2幅和4幅梁桥的气动干扰效应，分析桥幅数量、主梁间距、并列和错列布置等因素对桥梁风致振动特性的影响。风洞试验结果表明：多幅桥梁的风致振动特性与桥幅数量、主梁间距和主梁布置方式密切相关。单幅桥梁在试验风速内发生了极小振幅涡振、没有发生驰振。并列双幅桥在小间距工况(D=0.75 m，D/B=0.06)条件下，下游桥会发生明显的尾流致涡振，增大主梁间距至大间距工况(D=13 m，D/B=0.98)后，下游桥驰振临界风速减小到40 m/s，但涡振消失。并列4幅桥在小间距条件下，下游第3幅和第4幅桥梁在30 m/s风速左右发生尾流致涡振，在大间距条件下，下游第3幅和第4幅桥风致振动幅值随着风速增大而迅速增大，发生软驰振。错列布置的小间距4幅桥在试验风速范围内没有发生明显的涡振和驰振现象，抗风性能优于小间距并列布置4幅桥。研究成果可为类似桥梁设计提供指导。关键词：平行4幅钢箱梁桥；气动干扰；气弹模型；风洞试验中图分类号：U441.2 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）07-2551-10Wind-induced vibration of four parallel steel box girder bridges employed aeroelastic model wind tunnel testsXIA Wei1,LUO Yi2,HUANG Zhiwen3,WEN Qing4,3,HUA Xugang3(1.Anhui Traffic Survey and Design Institute Co.,Ltd.,Hehui 230011,China;2.China Railway Major Bridge Reconnaissance&Design Institute Co.,Ltd.,Wuhan 430101,China;3.School of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;4.School of Civil Engineering,Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China)Abstract:In order to meet the increasing traffic demand,multi-frame bridges were widely used.The wind-收稿日期：2022-06-29基金项目：国家自然科学基金资助项目(52025082，51708208)；湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ40208)通信作者：温青(1985)，男，湖南桃江人，副教授，博士，从事桥梁抗风与抗振研究；E-mail：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20221299铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月induced vibration caused by aerodynamic interference effect between the main beams are the key issue that must be solved in the design and operation stages of bridges.Taking 4-frame continuous steel box girders bridge with the main span of 180 m as the engineering background,four aeroelastic models of the bridge were designed and manufactured.Then,wind tunnel tests of the aeroelastic model were conducted to investigate the effects of the number and arrangement of the bridges on the characteristics of wind-induced vibration.The wind tunnel test results show that the wind-induced vibration of the multi-frame steel box girder bridges are closely related to the number of the girder,the spacing and arrangement of the girders.The single girder bridge is observed small-amplitude vortex-induced vibration(VIV).In case of the twin parallel girders bridge with small gap(D=0.75 m,D/B=0.06),the downstream girder occurs larger-amplitude wake-induced VIV,but in case of the bridge with the larger gap(D=13 m,D/B=0.98),the downstream girder transforms to soft gallop when the wind speed is larger than 40 m/s.In case of the four parallel girders bridge with small gap,the third and the fourth girders both occurs wake-induced VIV.But in case of larger gap,the vibration amplitudes of the third and fourth girders increase with the increase of wind speed and finally transforms to soft gallop.The staggered arrangement of the four bridges has better aerodynamic performance,and VIV and gallop are not observed in the test wind speed range.The research results can provide guidance for the design of similar bridges.Key words:four parallel steel box girder bridges;aerodynamic interference effect;aeroelastic model;wind tunnel test 钢箱梁具有跨越能力强、承载能力高等优点，近年来，随着钢结构的推广应用，钢箱梁桥在公路桥梁中应用越来越广泛。为满足日益增长的交通量，桥面越来越宽，陆续涌现了不少多幅钢箱梁桥，如我国的崇启大桥(双幅)、金峰廊桥(双幅)、青岛海湾大桥(双幅)以及泰州市京泰大桥(四幅)等。大跨钢箱梁桥梁具有质量轻、阻尼小的特点，在风荷载作用下，易发生涡振、驰振等风致振动19。其中，一些已经建成的连续钢箱梁桥观测到涡激振动现象，如里约尼泰罗伊1、东京湾大桥2、伏尔加河大桥3。我国的崇启大桥4、港珠澳深水区非通航道桥5等在风洞试验中也出现了涡激振动，这些连续钢箱梁桥均采取调谐质量阻尼器措施进行涡激振动控制并取得了良好的抑制效果。多幅桥梁因主梁间的气动干扰效应，风致振动变得更加复杂。韩国的珍岛平行双幅斜拉桥10，因气动干扰，背风侧桥梁发生了明显的涡激振动，最后采取调谐质量阻尼器进行风致振动控制。为了研究多幅桥梁间的气动干扰效应，国内外学者以串联双矩形主体、双幅桥梁断面等为例，开展了一系列风洞试验。刘志文等11通过风洞试验研究了串列双幅桥梁断面的静风荷载气动干扰效应。刘志文等1214通过风洞试验研究了双幅桥梁颤振稳定性问题。PARK等1516研究了主梁间距等参数对双幅桥梁涡激振动的影响。为了探究典型双柱体断面间气动干扰效应，以方形1719和矩形2021双柱体为例，开展了一系列风洞试验和数值风洞试验，研究了静风荷载和风致振动的干扰效应。目前，多幅桥梁气动干扰效应主要采用节段模型风洞试验开展研究，且桥幅数量以2幅为主，鲜有4幅桥梁气动干扰的研究成果。另外，桥梁的风致振动对主梁断面的气动外形十分敏感，大跨连续钢箱梁桥多为变截面，节段模型试验很难准确模拟主梁外形在展向的变化特征，气弹模型风洞试验是研究变截面钢箱梁桥风致振动更为可靠的方法。鉴于此，本文以某平行四幅钢箱梁桥为工程背景，开展全桥气弹模型风洞试验，研究桥幅数量、主梁间距、主梁布置形式对桥梁风致振动的影响。1 研究背景1.1工程概况拟建桥梁上部结构由4幅平行变高度直腹板连续钢箱梁组成，跨径布置为(100+180+100)m，中2552第 7 期夏伟，等：平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究间支点处梁高为9 m，中跨跨中直线段和边跨端部直线段梁高为 4.5 m，桥梁立面布置如图 1 所示。第1幅和第4幅钢箱梁顶板宽度为11.75 m，其中箱宽6.25 m，两侧悬臂宽度均为2.75 m，包括桥面设置人行道、非机动车道和机动车动道。第2幅和第3幅钢箱梁顶板宽度为13.25 m，两侧悬臂宽度均为3.5 m，桥面设置机动车道。主梁横断面布置如图2所示。该连续梁桥采用钢箱主梁且主跨跨径大，具有基频低、质量轻、阻尼小的特征，主梁4幅平行布置，气动干扰复杂，风致振动成为该桥梁设计必须解决的关键问题。为了优化桥梁设计，开展了气弹模型风洞试验。2 气弹模型设计和动力特征2.1模型设计风洞试验在湖南大学 HD-2 低速段实验室开展，试验段长 15 m，高 2.0 m，宽 8.5 m。根据风洞试验条件，气弹模型几何缩尺比选取1 55。气弹模型采用钢骨架模拟桥梁结构刚度，塑料外衣模拟气动外衣，通过配重使结构满足质量相似性要求。原结构的主梁为变截面钢箱，气弹模型设计中，采用分段等截面等效模拟原结构刚度，全桥简化成5个等截面段。钢骨架选用A3钢材料制作，钢骨架之间通过焊接方式连接，如图3所示。全桥气弹模型见图4。单位：m(a)立面图；(b)平面图图1桥梁立面和平面图Fig.1Elevation view of the bridge单位：m(a)边幅主梁横断面；(b)中幅主梁横断面图2桥墩处主梁横断面图Fig.2Cross-sectional view of the main girder at the pier图3气弹模型芯梁和外衣设计图Fig.3Core beam and outer garment of the aeroelastic model2553铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月2.2气弹模型动力特征采用自由振动动力试验识别了成桥状态各幅桥梁气弹模型的第1阶竖弯模态频率和阻尼比，识别结果如表1所示，动力试验及测点布置如图5所示。第1幅和第2幅桥梁的实测自由振动响应及其功率谱分别如图 6和图 7所示。由表 1可知：第 1幅和第4幅桥梁的第1阶竖弯模态频率相同，第2幅和第3幅桥梁的第1阶竖弯模态频率相同，这4幅桥梁的第 1阶竖弯模态阻尼比处于 0.5%0.6%之间。3 单幅主梁气动振动特性研究在-3，0和+3这3个风攻角条件下，独立的中幅(第2幅)桥梁的竖向位移均方根(换算成实桥值)随风速的变化曲线如图8所示。由图8可知：在40 m/s风速内，0和+3风攻角条件下的桥梁没有出现大幅涡振和驰振现象，而3风攻角条件下，在2030 m/s的风速范围内，中跨跨中竖向位移先增大，后减小，呈现涡振特性，但最大涡振振幅仅为5 mm，满足该桥梁涡振振幅限值54 mm的要求。图4全桥气弹模型图Fig.4Full aeroelastic model表1 实桥与气弹模型1阶竖弯模态参数Table 1 Parameters of the bridge and the model for the first vertical modal桥幅1234实桥频率/Hz0.7340.7290.7290.734气弹模型频率/Hz5.7625.7375.7375.762阻尼比/%0.500.510.530.56频率比7.847.887.887.84风速比7.026.986.987.02图5动力试验及激光位移计测点布置图Fig.5Layout of measuring points of laser displacement meter for the dynamic tests(a)自由振动位移时程；(b)自由振动位移功率谱图6第1幅桥梁实测位移响应及其功率谱Fig.6Measured displacement response and its power spectrum for the first girder(a)自由振动位移时程；(b)自由振动位移功率谱图7第2幅桥梁成桥状态实测位移响应及其功率谱Fig.7Measured displacement response and its power spectrum for the second girder2554第 7 期夏伟，等：平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究4 双幅桥风致振动特征4.1小间距设定第1幅和第2幅桥梁之间的主梁净间距D=0.75 m(小间距工况)，即净间距比 D/B=0.06，开展并列双幅桥风洞试验(0风攻角和 0风偏角)，如图9所示。图10给出了迎风侧桥梁和背风侧桥梁的竖向位移响应均方差随风速的变化曲线。在42 m/s风速范围内，迎风侧桥梁未观测到大幅风致振动，但背风侧桥梁发生了明显的尾流致竖向涡振，涡振锁定区间为 2742 m/s，最大振幅为58 mm。4.2大间距进一步研究了迎风桥梁和背风桥梁大间距工况双幅桥的风致振动特性，即净间距D=13 m，净间距比D/B=0.98，风洞试验如图11所示，结果如图12所示。桥梁间距增大之后，双幅桥的风致振动特征发生了显著变化。在42 m/s风速范围内，背风桥梁的涡激振动现象消失，但是，在2040 m/s的风速区间内，背风桥梁的竖向振幅随着风速增大而显著增大；当风速大于40 m/s后，下游桥梁竖向振幅突然急剧增大，从位移均方根50 mm增大(a)3风攻角；(b)0风攻角；(c)+3风攻角图8中幅桥梁不同测点竖向位移响应随风速变化曲线Fig.8Vertical displacement responses of wind induced vibration of the girder for the case of a single bridge图9小间距工况双幅全桥气弹模型试验Fig.9wind tunnel test of the full-bridge aeroelastic model of twin parallel box girders for small gap图10小间距工况双幅桥梁竖向位移响应随风速变化曲线Fig.10Vertical displacement responses of wind induced vibration of the twin parallel box girders for small gap2555铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月到 100 mm，发生了驰振。与小间距的情况相比，大间距工况虽可以消除背风桥梁的涡振，但背风桥梁的驰振临界风速降低至40 m/s。5 平行四幅桥风致振动特征5.1错列布置四幅桥风致振动特性错列平行 4幅连续梁桥平面布置如所示 13所示。第1幅和第2幅桥梁、第3幅和第4幅桥梁桥墩 中 心 水 平 间 距 均 为 12.8 m，主 梁 净 间 距 为0.75 m。第2幅桥梁和第3幅桥梁桥墩中心间距为13.8 m，主梁净间距为 1 m。风洞试验如图 14 所示，各主梁中跨和边跨的跨中竖向位移响应随风速变化曲线如图15所示。在42 m/s风速范围内，4幅桥梁均没有发生涡振和驰振。随着风速的增大，4幅桥梁的竖向风致振动非常缓慢地增大，与单幅桥梁0风攻角工况类似，以特征紊流引起的抖振响应为主。错列布置的4幅变截面桥梁使得桥梁顺风向每个横断面的气动外形不同，打乱了尾流分布特征，减弱了气动干扰响应。5.2小间距并列布置四幅桥风致振动特性为了对比主梁错列布置和并列布置2种方式对4幅桥风致振动特性的影响，进一步开展了小间距并列4幅桥全桥气弹模型风洞试验，如图16所示。并列布置工况中，桥墩中心线在同一直线上，主梁净间距与主梁错列布置相同。图17给出了各幅主梁跨中竖向位移风致振动振幅随风速的变化曲线。可以看到：1)与错列布置方案相比，并列布置4幅桥方案更容易发生尾流致振，第3幅和第4幅桥表现为明显的尾流致振，随着风速的增大，第3和第4幅桥竖向振动显著增大；2)在3035 m/s风速区间，第3幅和第4幅桥出现了涡激振动现象；3)当风速大于 35 m/s 后，第3幅和第4幅桥主跨跨中截面的竖向位移近似线图11大间距并列双幅桥气弹模型风洞试验Fig.11Wind tunnel test of the full-bridge aeroelastic model of twin parallel box girders for small gap case图12大间距工况双幅桥梁竖向位移响应随风速变化曲线Fig.12Vertical displacement responses of wind induced vibration of the twin parallel box girders for large gap case单位：m图 13错列布置平行4幅桥平面Fig.13Arrangement of the girders with small gaps2556第 7 期夏伟，等：平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究性的随风速增大而增大，表现为软驰振现象。当风速达到42 m/s时，第3和第4幅桥的竖向位移均方根分别为12 mm和18 mm。来流风速30 m/s时的第4幅桥梁主跨跨中位移响应及其功率谱如图18所示。主梁发生以第1阶竖弯模态为主的尾流涡振，振幅不稳定，具有“拍振”的特征，加速度峰值为0.6 m/s2，也小于规范规定的舒适度标准(1.1 m/s2)。5.3间距对并列布置四幅桥风致振动特性的影响对于并列布置方案，进一步研究了相邻主梁净间距为13 m(约1倍梁宽)的大间距工况4幅桥风致振动特征。风洞试验如图19所示，风致振动特征如图20所示。结果表明：大间距工况，尾流区桥梁风致振动显著增大，离迎风主梁越远，尾流区主梁风致振动振幅越大。以40 m/s风速为例，第2幅至第4幅桥梁主跨中竖向位移均方差值分别为(a)主跨跨中；(b)边跨跨中图15错列布置4幅桥主梁竖向位移响应随风速变化曲线Fig.15Vertical displacement responses of wind induced vibration for staggered arrangement of the four parallel girders图16小间距并列4幅桥风洞试验Fig.16Arrangement of the girder with small gaps in Wind tunnel图14错列布置4幅桥气弹模型风洞试验Fig.14Staggered arrangement of the four parallel girders图 17小间距并列4幅桥风致振动响应Fig.17Vertical displacement responses of wind induced vibration of the girder for the case of small gap2557铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 7月30，75和100 mm，第3幅桥梁的竖向振幅是小间距工况的7倍左右，第4幅桥梁的竖向振幅是小间距工况的6倍左右。35 m/s风速时第4幅桥梁主跨跨中位移响应及其功率谱如图21所示。主梁发生以第1阶竖弯模态为主的非平稳风致振动，实测加速度峰值已经达到了2.0 m/s2，超过了桥梁抗风设计规范中规定的舒适度标准(1.1 m/s2)。6 结论1)在42 m/s风速内，单幅桥梁仅3风攻角发生了位移均方根为5 mm的涡振，没有发生驰振。2)并列双幅桥在小间距工况(D=0.75 m，D/B=0.06)条件下，背风侧桥发生最大位移均方根达58 mm 的尾流致涡振，在大间距工况(D=13 m，D/B=0.98)下，背风侧桥梁驰振临界风速减小到(a)位移响应；(b)功率谱图 1830 m/s时第4幅主梁跨中位移响应实测及其功率谱Fig.18Vertical displacement responses and its power spectrum of the fourth girder in wind speed of the 30 m/s(a)大间距并列4幅桥远景图；(b)大间距并列4幅桥近景图图19大间距并列4幅桥梁风洞试验布置图Fig.19Arrangement of the girder with large gaps in wind tunnel图20大间距并列4幅桥风致振动跨中竖向位移响应Fig.20Vertical displacement responses of wind induced vibration of the four girders for the case of larger gap(a)位移响应；(b)功率谱图2135 m/s时第4幅主梁跨中位移响应实测及其功率谱Fig.21Vertical displacement responses and its PSD of the fourth girders in wind speed of the 35 m/s2558第 7 期夏伟，等：平行四幅连续钢箱梁桥风致振动气弹模型试验研究40 m/s，但涡振消失。3)并列4幅桥在小间距条件下，下游第3幅和第4幅桥梁在30 m/s风速左右发生尾流致涡振，在大间距条件下，下游第3幅和第4幅桥风致振动幅值随着风速增大而迅速增大，发生软驰振。错列布置的4幅桥在小间距条件下，在42 m/s风速范围内，没有发生涡振和驰振现象，抗风性能优于小间距并列布置4幅桥。多幅桥梁的风致振动特性与桥幅数量、主梁间距和主梁布置方式密切相关。错列布置的小间距4幅变截面桥梁抗风性能较好，建议作为桥梁设计方案。参考文献：1BATTISTA R C,PFEIL M S.Reduction of vortex-induced oscillations of Rio-Niteri bridge by dynamic control devicesJ.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2000,84(3):273288.2FUJINO Y,YOSHIDA Y.Wind-induced 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