全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究.pdf

书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金（）；四川省自然科学基金项目（）全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究?子龙，杨凌，李永乐，潘俊志（西南交通大学复杂艰险山区铁路防灾减灾铁路行业重点实验室，四川成都）作者简介：?子龙，年月生，副教授，博士，硕士生导师，电子邮箱：。主要从事研究方向：深水大跨桥梁工程、桥梁水动力、桥梁抗风，先后主持或参与多项国家自然科学基金等重点项目课题，发表论文余篇，获授权发明专利、软著等项。摘要：全封闭式屏障相较普通墙式透孔式屏障具有更好的隔音与防风性能，近年在铁路与轨道桥梁中应用广泛。然而，全封闭式屏障体积较大，透风率较低，可能显著影响主梁气动外形与抗风性能。因此，为评价全封闭式屏障对大跨桥梁抗风性能的影响，本研究以某在建公铁两用双层悬索桥为工程背景，采用风洞试验与数值计算方法，研究全封闭式屏障对主梁气动力系数、涡激振动、颤振稳定性与抖振响应等关键抗风性能的影响。研究结果表明：全封闭式屏障对双层桁架梁的气动力参数影响较明显，阻力与升力系数增加，力矩系数减小；设置全封闭式屏障可能诱发主梁的涡激振动，但对颤振稳定性未观察到显著影响；设计风速下，全封闭式屏障会增加主梁静风位移，并显著改变主梁抖振响应。关键词：全封闭屏障；公铁双层桁架桥；风洞试验；抗风性能文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，（，）铁道技术标准 ：，：，：，（），：；：（）：引言近年来，轨道噪声与车辆横向稳定性问题备受关注，特别是跨海大桥与城市公铁两用桥梁，对噪声和行车安全性控制提出了更高的要求。目前，在桥面两侧或轨道两侧加装屏障是隔音与防风的主要措施。相较于传统的直立式与半封闭式屏障，全封闭式屏障具备更好的降噪和防风性能，但因其体积较大、透风率低，使得桥面加装全封闭式屏障后主梁断面气动外形以及表面压力分布变化显著，桥梁的抗风性能也会随之发生改变。已有研究中，韩旭等研究全封闭屏障对高速铁路（以下简称“高铁”）箱梁表面压力以及气动性能的影响，表明横风作用下，全封闭屏障对主梁气动力参数与表面压力分布影响显著；等利用风洞试验研究桥梁设置声屏障前后的风荷载，分析有无声屏障对桥梁气动性能的影响；黄永明等研究横风作用下高铁全封闭矩形屏障的气动性能，为高铁桥上全封闭矩形式屏障结构的抗风设计提供了理论依据；李永乐等研究了一个设置分段式声屏障的公铁两用桥梁的涡激振动性能，结果表明声屏障的设置会显著提高桥梁的涡振稳态幅值。既有研究中，国内外学者大多关注箱梁结构与半封闭式屏障，而对设置全封闭式屏障的公铁两用双层桁架桥梁抗风性能影响研究相对较少。然而，上述研究表明桥面加装屏障对桥梁的气动力参数以及抗风稳定性均有显著的影响，在设计阶段应予以重视。为评价全封闭式屏障对公铁两用双层桁架桥梁抗风性能的影响，本研究以某在建大跨悬索桥为工程背景，采用风洞试验与数值计算方法，研究全封闭式屏障对主梁气动力系数、涡激振动、颤振稳定性与抖振响应等关键抗风性能的影响。研究结论可为大跨径公铁双层桁架桥的抗风性能评估提供理论支持以及屏障的选择和设计提供参考。?子龙等：全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究项目概况某公铁两用跨江大桥，大桥采用单孔悬吊双层连续钢桁梁悬索桥，跨径布置为（）。大桥上层为双向车道城市快速路，下层桥面中央设置双向轨道，两侧为双向车道城市主干路与人行道。桥梁立面图见图。图桥梁立面图（单位：）为降低列车穿越居民聚集区带来的噪声污染以及防止列车在大风环境下发生脱轨与倾覆事故，下层轨道设置了全封闭式屏障，该屏障整体为矩形断面，高 ，宽 ，沿主梁通长布置，其顶部与棱角均以圆弧面与侧壁相连，圆弧半径分别为 和 ，主梁与屏障标准断面图见图。图主梁与屏障标准断面图（单位：）为研究风荷载作用下主梁在横向、竖向及扭转方向发生的静力变形与动力响应，本研究利用建立了桥梁的有限元模型，其中，为明确计算时加载点荷载及位置，通过刚度等效原则将加劲梁等效为“单主梁”，分析得到桥梁主要模态见表所示。表桥梁主要模态阶次方向频率 振型特点横桥向 一阶正对称横弯 一阶反对称横弯竖桥向 一阶正对称竖弯 一阶反对称竖弯扭转 一阶正对称扭转 一阶反对称扭转屏障对桥梁气动力参数的影响静力三分力系数是风致响应计算分析的基础，而桥面设置全封闭式屏障对主梁气动外形改变较大，可能会对主梁静力三分力系数造成显著变化。本研究通过节段模型风洞试验系统测试桥面安装全封闭式屏障前后种方案的气动力参数。试验于工业风洞第二试验段中开展，静力试验节段模型固定在侧壁支撑与测力天平系统上，由计算机控制模型的姿态角来调整攻角的变化，节段模型测力试验见图。图节段模型测力试验节段模型与屏障均采用塑料制作，缩尺比为铁道技术标准 ，主梁尺寸为 ，全封闭式屏障尺寸为 ，屏障顶面与侧面圆弧过渡段均严格满足几何相似准则。试验流场为均匀流，风速为 ，测试范围为 风攻角。在梁上作用的静风荷载通常使用体轴坐标系（）和风轴坐标系（）表示，三分力示意图见图。图三分力示意图图中：、分别为体轴下的单位长度静风阻力与静风升力，；、分别为风轴下的单位长度静风阻力与静风升力，；为单位长度静风力矩，；为风攻角，。主梁在风轴坐标系下的阻力系数、升力系数与力矩系数分别为（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）式中：（）、（）分别为不同攻角情况下采用风轴坐标系时的阻力、升力，；、（）为不同攻角情况下采用风轴坐标系时的力矩，；为空气密度，取 ；为来流平均风速，即 ；、为模型断面的高度、宽度和长度，分别为、。不同工况下的静力三分力系数见图。可以发现，加装全封闭式屏障后，主梁的阻力系数增大，升力系数绝对值和力矩系数明显减小。对于阻力，流体通过封闭式屏障时将在屏障结构上作用气动力，该气动力会增大主梁的阻力系数；对于升力，这是由于在负攻角下，气流直接作用在屏障上表面上，但由于该屏障上表面具有良好的流线外形，使得屏障与桥面的总压力小于气流直接作用在桥面上的力，表现为升力系数绝对值变小。特别是攻角靠近时，这种影响更显著，当攻角接近时，这种压力效应逐渐减小。在正攻角范围内，由于桥面屏障的干扰作用，表面负压力进一步变小，从而使主梁有屏障状态的升力系数低于无屏障状态的升力系数；对于力矩，这主要是气流流经无屏障的下层桥面时，气流产生的黏滞力使桥面产生较大的扭转力矩，但由于屏障的作用影响了表面比较平稳的气流，使这种扭转力矩变小，进而表现为负攻角时升力矩系数绝对值增大，而在正攻角时绝对值减小。此变化规律与文献 给出的试验结果保持一致。图不同工况下的静力三分力系数屏障对桥梁涡激振动的影响大跨径悬索桥柔度大、频率低，对风的作用较为敏感，容易在较低风速下，发生涡激振动。本研究通过动力节段模型风洞试验测试全封闭式屏障布置前后主梁的涡激振动性能，该试验模型与静?子龙等：全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究力试验所使用的节段模型相同，试验通过刚性节段模型模拟主梁的气动外形，利用根拉伸弹簧悬挂在支承系统上，形成了以竖向和扭转自由度为主的振动系统，节段模型动力试验见图。图节段模型动力试验在进行动力节段风洞试验前，本研究严格依照 公路桥梁抗风设计规范（）与相似准则设计试验参数，涡激振动试验参数见表，表中质量均表示主梁每延米等效质量。经调试，试验风速比为，实桥竖弯、扭转频率与节段模型竖弯、扭转频率通过此风速比进行换算，试验时，按照表中参数对不同试验工况进行参数配置，控制模型的实现值与要求值误差在以内。表涡激振动试验参数参数实桥值模型要求值模型实现值高度 宽度 单位质量（）单位质量惯性矩（）回转半径 竖弯频率 扭转频率 竖弯阻尼比 扭转阻尼比 扭弯比 试验主要测试了全封闭式屏障安装前后在、和 种风攻角下主梁竖向与扭转涡振响应情况。测试均在均匀流场中进行，试验风速区间为 ，对应实桥风速为 ；试验采用的风速步长为 ，对应实桥风速为 ，涡振区间内取较短步长，其余区间取较宽步长，各风速下采样时间为。参考文献 ，利用竖弯、扭转基频计算得到竖向涡振和扭转涡振容许幅值分别为 和。试验采用激光位移计测量模型的振动响应，测量得到屏障安装前后主梁竖向涡振响应幅值见图，扭转涡振响应幅值见图。图主梁竖向涡激振动响应曲线由图、图可知，在标准阻尼比（）下，无屏障梁段在、和风攻角下均未出现明显地涡激振动。带屏障梁段在风攻角 、情况下涡振性能较稳定，但由于加装全封闭式屏障后，主梁气动外形及阻塞率显著改变，结构在风攻角情况下涡振性能显著下降，在 风速区间内出现明显的竖向涡激振动，其最大响应振幅为 ；在 区间内出现明显的扭转涡激振动，最大响应振幅为。尽管振幅满足规范限值，但起振风速较低，振幅较大，从行车舒适性与安全性考虑，应对加装全封闭式屏障的双层桁架桥予以重视。铁道技术标准图主梁扭转涡激振动响应曲线屏障对桥梁颤振临界风速的影响桥梁颤振稳定性是大跨径桥梁设计中的关键考虑因素之一。本研究桥梁位于中部平缓地带，所在区域江面开阔，参照文献 可确定该地域地表粗糙度为类，地表粗糙度影响系数。气象资料显示桥址区大风天气常有发生，年一遇的 平均基本风速为 ，主梁基准高度处设计基准风速 ，因此可得桥梁颤振检验风速为 式中：为颤振稳定性分项系数，取；为风速脉动空间影响系数，取；为攻角效应分项系数，取。本研究测试了全封闭式屏障安装前后种不同方案在、和 种工况下主梁的颤振临界风速，所有工况均在均匀流场中进行，试验风速区间为 ，对应实桥风速为 。本试验所用模型及参数与涡振性能测试试验节段模型保持一致。测试结果见图、图。可以看出，安装全封闭式屏障前后，实桥的颤振临界风速均大于颤振检验风速，最低临界风速可达 。从振幅来看，桥面加装屏障后，攻角的竖向振动幅值比未安装屏障时偏大，攻角的扭转振动幅值比未安装屏障时偏大。说明安装全图竖弯颤振临界风速试验结果图扭转颤振临界风速试验结果封闭式屏障对公铁双层桁架桥的颤振稳定性影响有限，这可能与屏障顶部圆弧面有关，使主梁在较高风速下颤振性能表现良好。屏障对桥梁风致静动力响应的影响随机紊流场作用下，阵风带中的平均风成分将激发结构发生静风位移，脉动风成分则激发结构发生抖振位移，其常遇风速较低，发生频度较高。当桥面加装全封闭式屏障后，主梁静力三分力系数?子龙等：全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究变化显著，这种变化将直接影响桥梁的静风响应与抖振响应。为系统研究全封闭式屏障对公铁双层桁架桥风致静动力响应的影响，结构的静风荷载为（）（）（）式中：、分别为静风阻力、升力，；为力矩，；为长度，；、分别为体轴下的阻力、升力、力矩系数。并基于自激力模型与抖振力相结合的修正模型，利用频域多模态耦合分析方法分析不同工况下的抖振位移响应。主梁单位长度抖振阻力、升力、力矩分别由自激力表达式与准静态抖振力表达式两部分构成。（）式中：、分别为自激阻力、升力、力矩；、分别为抖振阻力、升力及力矩。自激力在均匀流场中为 （）（）（）式中：（）表示折算频率；、分别表示竖向、扭转及侧向振动位移，；、（，）分别为主梁竖向、扭转及侧向颤振导数（本研究采用平板颤振导数，于 风速区间内等间隔取个风速等级）。运用准定常假定，紊流场作用下结构所受抖振力为()（）（）()（）()（）式中：、表示风轴下的阻力、升力、力矩系数，、分别为其斜率；、分别为横桥向与竖桥向脉动风速，。结构静力三分力系数是抖振分析的关键参数，对桥塔、主缆及吊杆而言，只需考虑风载阻力的影响，依照规范，矩形截面桥塔阻力系数取，圆截面主缆与吊杆阻力系数取。当 时，抖振响应计算基本参数见表。表抖振响应计算基本参数气动力参数无屏障梁带屏障梁（）（）（）（）（）（）脉动风速空间相干函数采用形式：（）（()）（）式中：为无量纲衰减因子，偏保守取；为点和点的间距，；为结构自振频率，；（）为高度处的平均风速，。横桥向风速谱采用沿高度变化的谱，竖向风速谱采用谱，（）（）（）（）（）（）式中：（）、（）分别为脉动风在高度处的顺风向和竖直向功率谱密度函数；为风的脉动频率；（）为相似律坐标；为气流摩阻速度，。本研究选取了竖向、横向与扭转自由度下的对铁道技术标准称与反对称阶模态，如表所示，其中，各阶模态阻尼比取，参照文献提出的振型组合方法选取指标，本研究各模态响应采用平方和开平方（）法进行组合。采用自行研发的桥梁结构科研分析软件（）计算得到设置全封闭式屏障前后主梁静风位移与抖振位移均方根，主梁风致静动力响应结果见图，各工况下的响应极值与差异见表。图主梁风致静动力响应结果表主梁风致静动力响应结果汇总类别横向 竖向 扭转 静风有屏障 无屏障 差异 抖振有屏障 无屏障 差异 分析结果表明，位移响应极值出现在跨中附近，加装全封闭式屏障对主梁横向静风位移、抖振位移以及扭转静风位移响应影响较小，其静风与抖振位移差异不超过；而设置屏障后，主梁竖向静风位移偏大，而竖向与扭转抖振位移偏小，响应幅值相差以上。由此可见，全封闭式屏障对主梁风致静动力响应影响显著，设计中应予以重视。结论本研究通过对一大跨悬索公铁两用桁架桥进行节段模型风洞试验，测试了主梁下层轨道设置全封闭式屏障前后的静力三分力系数以及抗风性能。通过对比分析试验结果，得出以下结论：（）全封闭式屏障对公铁两用双层桁架梁静力三分力系数影响较大。主梁安装屏障后，迎风面积增大，气流在屏障上作用附加气动力，使得阻力系数增大；而屏障与桥面形成的总压力与表面粘滞力小于气流直接作用于桥面上的力，导致升力系数绝对值与力矩系数均减小。（）在标准阻尼比（）下，主梁未设置屏障时，在风攻角、种情况下均未出现显著的涡激振动，设置屏障后，在风攻角下出现较明显的竖向与扭转涡振，表明桥面加装全封闭式屏障会诱发桥梁发生涡激振动的可能性，设计中应予以重视；但屏障对桥梁颤振稳定性未观察到显著影响。（）在设计风速下，对比全封闭式屏障加装前后主梁的风致静动力响应结果，主梁横向静风位移、抖振位移以及扭转静风位移响应受屏障影响较小，前后相差不超过，而竖向静风位移相比于无屏障时增大 倍，竖向和扭转抖振位移相比于无屏障时减小 和。?子龙等：全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究参考文献：李晏良，李耀增，辜小安，等高速铁路声屏障结构气动力测试方法初探 铁道劳动安全卫生与环保，（）：，：苏洋公铁两用双层桥梁风屏障气动机理及优化研究成都：西南交通大学，李永乐，潘俊志，?子龙，等设置分段式声屏障桥梁的涡振幅值反演方法 西南交通大学学报，（）：韩旭，彭栋，向活跃，等横风作用下高速铁路桥梁全封闭声屏障气动特性的风洞试验研究铁道建筑，（）：，（）：黄永明，何旭辉，邓锷，等横风作用下高铁全封闭矩形声屏障气动性能 铁道科学与工程学报，（）：周立，葛耀君上海长江大桥节段模型气动三分力试验中国公路学报，（）：肖海珠，高宗余，刘俊锋西堠门公铁两用大桥主桥结构设计桥梁建设，（）：赵会东，陈良江，肖海珠，等高速铁路大跨度桥梁涡激振动振幅限值研究 桥梁建设，（）：廖海黎，王骑，李明水大跨桥梁颤振分析理论研究进展中国公路学报，（）：李永乐，廖海黎，强士中考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析 空气动力学学报，（）：张明金，李永乐，廖海黎大跨度柔性斜拉悬索体系风致静动力响应研究 工程力学，（）：杨世杰风振响应分析中振型组合方法选取的指标北京：北京交通大学，边巧城市轨道交通噪声影响评价和降噪措施研究成都：西南交通大学，李永乐，廖海黎，强士中桥梁抖振时域和频域分析的一致性研究工程力学，（）：交通运输部公路桥梁抗风设计规范：北京：人民交通出版社，责任编辑：张航