杭州三江大橋橋塔渦振模型試驗(yàn)研究

杭州三江大橋橋塔渦振模型試驗(yàn)研究

1橋塔方案及研究進(jìn)展在施工階段，由于沒有傾斜的傾斜壓力，橋塔對風(fēng)的作用非常敏感。尤其是純鋼橋塔,其剛度和阻尼更低,在風(fēng)的作用下更容易發(fā)生大的渦振,可能嚴(yán)重影響到施工人員的作業(yè)和結(jié)構(gòu)的安全。浙江杭州之江大橋全長3540m,主橋?yàn)橐豢鐝?16m+246m+116m的鋼斜拉橋。箱形鋼主梁寬41.0m,高3.5m。兩個(gè)箱形斷面拱門型鋼橋塔高90.5m(不含基座),總寬約43.5m,塔柱斷面橫橋向?qū)?.6m,順橋向?qū)?.0～6.0m。之江大橋鋼橋塔布置圖如圖1所示。由于該橋?yàn)槿摻Y(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)阻尼較小,加上橋塔外形獨(dú)特,CFD計(jì)算分析顯示橋塔自立狀態(tài)在較低風(fēng)速下有出現(xiàn)渦振的可能。在實(shí)際環(huán)境下,橋塔是否發(fā)生渦激共振,以及振幅的大小還與來流的紊流度、結(jié)構(gòu)的阻尼比等因素密切相關(guān)。因此,本文首先進(jìn)行橋塔自立狀態(tài)下的氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn),以確定渦振風(fēng)速區(qū)間及最大渦振振幅。以往對于主梁的渦振控制措施研究較多,Battista采用TMD作為巴西Rio-Niteroi橋的渦振控制措施,并成功抑制了渦振。Larsen采用導(dǎo)流板作為GreatBelt橋的渦振控制措施,在實(shí)際運(yùn)營階段也較好地控制了渦振的發(fā)生。最近研究者還發(fā)現(xiàn)采用風(fēng)障也可以達(dá)到控制渦振的目的。而對于橋塔渦振,還是以在橋塔上設(shè)置TMD增加結(jié)構(gòu)阻尼為主要手段。葛耀君等通過在橋塔塔頂設(shè)置TMD,增加結(jié)構(gòu)自身阻尼比,使橋塔渦振振幅大幅減弱。文獻(xiàn)也針對施工狀態(tài)橋塔進(jìn)行了TMD渦振控制措施研究,還對TMD的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。這些研究充分證明了TMD控制措施的有效性,但這一控制措施總是要通過耗散積累的能量而得以實(shí)現(xiàn),并且TMD本身制作和安裝較為復(fù)雜,代價(jià)也較高。與設(shè)置TMD相比,在橋塔上設(shè)置導(dǎo)流板等類似的氣動(dòng)控制措施,可以從根本上防止能量的積累,也更為方便經(jīng)濟(jì)。能否找到一些切實(shí)可行的氣動(dòng)控制措施成為本文的主要研究任務(wù)之一。2塔的氣彈模型2.1模型結(jié)構(gòu)參數(shù)采用有限元方法對之江大橋橋塔自立狀態(tài)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。橋塔順橋向彎曲、橫橋向彎曲和扭轉(zhuǎn)基頻分別為0.6395,0.9069和1.7964Hz。根據(jù)TJ-2風(fēng)洞試驗(yàn)斷面尺寸與橋塔高度,確定模型縮尺比為1∶50,,設(shè)計(jì)風(fēng)速比取為1∶5.5,實(shí)橋與模型的頻率比為1∶9。之江大橋采用箱型斷面鋼橋塔。為保證模型與實(shí)橋橋塔的各階動(dòng)力特性相似,塔模型芯棒斷面無法采用較為常規(guī)的矩形斷面。經(jīng)過反復(fù)試算,最終芯棒斷面選用以1和3mm厚的鐵皮焊接而成的箱型斷面。橋塔外衣采用ABS板制作。圖2給出了橋塔模型某一斷面圖。2.2橋塔模型的建立試驗(yàn)之初,首先對模型的動(dòng)力特性進(jìn)行了測試。在橋塔的頂點(diǎn)、3/4高度、1/2高度、1/4高度處7個(gè)斷面設(shè)置了14個(gè)加速度計(jì),監(jiān)測橋塔的順橋向與橫橋向振動(dòng)。圖3給出了安放于TJ-2風(fēng)洞中的橋塔模型。橋塔模型動(dòng)力特性測試結(jié)果如表1所示。由表1可知,橋塔各階頻率均略低于模型設(shè)計(jì)值。造成這種偏差的原因應(yīng)當(dāng)在于模型采用鐵皮焊接而成,而鐵皮之間的焊接強(qiáng)度無法得到充分保證,從而在一定程度上降低了模型的整體剛度。模型頻率降低后,各階模態(tài)所對應(yīng)的實(shí)際風(fēng)速比如表1所示。實(shí)橋渦振風(fēng)速可采用對應(yīng)階次的風(fēng)速比乘試驗(yàn)風(fēng)速得到,這就排除了模型頻率偏低對試驗(yàn)結(jié)果的影響。各階模態(tài)的阻尼比均接近5‰,符合規(guī)范中鋼橋規(guī)定。圖4給出了橋塔模型各基頻模態(tài)振型圖。從圖中可知,實(shí)測振型值與理論計(jì)算曲線符合的較好,說明本次試驗(yàn)的模型設(shè)計(jì)、制造和安裝是成功的。3橋塔的渦旋軸性能3.1試驗(yàn)風(fēng)速及風(fēng)向角根據(jù)文獻(xiàn)和橋位處的地形地貌,確定橋位處基本風(fēng)速為V10=28.6m/s;地表類別為A類,風(fēng)剖面冪指數(shù)α=0.12。由此確定橋塔65%高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為41.9m/s。施工階段風(fēng)速重現(xiàn)期取為20年一遇,施工狀態(tài)的裸塔設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速取為成橋狀態(tài)的0.88倍,即36.8m/s。根據(jù)橋塔水平截面CFD分析結(jié)果,計(jì)算橋塔自立狀態(tài)下,風(fēng)向角為0°時(shí)順橋向共振風(fēng)速范圍為16.8～21.2m/s,風(fēng)向角為90°時(shí)橫橋向渦激共振風(fēng)速范圍為28.1～34.5m/s。最終擬定試驗(yàn)風(fēng)速范圍2～7m/s,這樣就可以保證最高實(shí)際風(fēng)速接近40m/s,超過了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速。風(fēng)向角由0°至90°每隔15°取1個(gè),再加1個(gè)5°風(fēng)向角,共計(jì)8個(gè)風(fēng)向角。風(fēng)向角示意圖如圖5所示。3.2橋塔點(diǎn)渦流隨風(fēng)向角的變化規(guī)律當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),橋塔較容易出現(xiàn)一階順橋向彎曲振動(dòng),是工程中必須防止出現(xiàn)的振動(dòng)形式。隨風(fēng)速增高,還有可能出現(xiàn)一階橫橋向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。在本試驗(yàn)的風(fēng)速范圍內(nèi),橋塔氣彈模型表現(xiàn)出的振動(dòng)形式為一階順橋向彎曲,其在0°風(fēng)向角下的渦振最為明顯,渦振風(fēng)速區(qū)間在21～34m/s之間,最大渦振振幅換算到實(shí)橋?yàn)?.22m。圖6給出了0°風(fēng)向角下橋塔頂點(diǎn)渦振幅值隨風(fēng)速變化曲線。隨風(fēng)向角增大,渦振振幅有逐漸減小的趨勢,90°風(fēng)向角下橋塔未出現(xiàn)渦振。圖7給出了橋塔頂點(diǎn)渦振幅值的峰值隨風(fēng)向角變化曲線。譜分析得到渦振區(qū)間內(nèi)橋塔振動(dòng)頻率鎖定在5.68Hz,對應(yīng)實(shí)橋的一階順橋向彎曲振動(dòng)頻率為0.6395Hz。如采用抗風(fēng)規(guī)范中提供的公式7.2.6-1計(jì)算渦振振幅允許值,其值為0.063m。0°風(fēng)向角下出現(xiàn)的最大渦振振幅0.22m,大大超出了渦振振幅的允許值,需要采取必要的氣動(dòng)措施減小渦振振幅,以滿足施工過程中橋塔正常使用要求。4軸振蕩器既有橋塔渦振控制措施大多以增加結(jié)構(gòu)阻尼為主要途徑,下文研究將針對在橋塔上設(shè)置擾流裝置,改變橋塔氣動(dòng)外形等氣動(dòng)控制措施展開。4.1橋塔氣動(dòng)控制策略的考慮根據(jù)以往渦振控制措施的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),可以通過增大斷面凹角的方法來減小渦振振幅。但考慮到該橋塔斷面橫橋向尺度較小,若進(jìn)一步增大凹角,則橋塔鋼箱內(nèi)空間將過小,影響拉索錨固裝置的安裝,因此需要考慮其他的氣動(dòng)控制措施。從渦振發(fā)生的機(jī)理來看,可能起作用的措施必須能夠較好地?cái)_亂橋塔迎風(fēng)面兩側(cè)渦的有規(guī)則脫落。本文對以下3種可能的方案展開了進(jìn)一步的風(fēng)洞試驗(yàn)研究,即分別在橋塔凹角處設(shè)置擾流欄桿、多孔角型擾流器和多孔擾流板。擾流欄桿可以直接擾亂橋塔迎風(fēng)面兩側(cè)渦的脫落,而多孔角型擾流器與多孔擾流板通過允許部分氣流穿過擾流器(板),達(dá)到干擾或削弱有規(guī)則旋渦脫落的目的。圖8給出了這3種方案的構(gòu)造示意圖。4.2橋塔點(diǎn)潮振幅值由于原始斷面橋塔模型在0°風(fēng)向角下出現(xiàn)的渦振振幅最大,因此首先有針對性地對采取措施后的0°風(fēng)向角下的橋塔渦振性能進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),以明確3種氣動(dòng)控制措施的渦振控制效果。圖9給出了0°風(fēng)向角下原始斷面及采取了3種控制措施后橋塔頂點(diǎn)渦振幅值隨風(fēng)速變化情況。由圖9可知:(1)3種控制措施與原斷面相比都起到了一定的渦振控制作用,多孔擾板效果最為顯著,擾流欄桿次之,多孔角型擾流器較差。(2)原斷面凹角處設(shè)置多孔擾流板后,其橋塔頂點(diǎn)渦振幅值降至0.062m,小于規(guī)范限值0.063m,而其他兩種措施均未能將渦振振幅降值規(guī)范限值之內(nèi)。為進(jìn)一步驗(yàn)證多孔擾流板措施在其他風(fēng)向角下是否同樣有效,對其他7個(gè)風(fēng)向角下的橋塔渦振分別進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)。圖10給出了設(shè)置了多孔擾流板后的橋塔模型照片。圖11給出了橋塔頂點(diǎn)渦振幅值峰值隨風(fēng)向角變化曲線。由圖11可知,橋塔模型在設(shè)置了多孔擾流板后,最大渦振峰值依然出現(xiàn)在0°風(fēng)向角下,故多孔擾流板在各個(gè)風(fēng)向角下均為有效措施,可作為最終渦振控制氣動(dòng)控制措施采用。5關(guān)于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)和可減振方案可減少渦流沖擊的橋塔資源量過大的原因浙江杭州之江大橋剛橋塔結(jié)構(gòu)形式較為特殊,凹角尺寸不足導(dǎo)致橋塔自立狀態(tài)下的渦振振幅大大超出規(guī)范限值,為減小渦振振幅,本文對擾流欄桿、多孔角型擾流器和多孔擾流板3項(xiàng)措施進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究,并得到了以下結(jié)論,可為今后解決同類工程問題提供參考:(1)多孔擾流板具有顯著的渦振減振效果,其原因在于它允許適量的氣流穿過,從而擾亂或削弱了橋塔兩側(cè)有規(guī)律的旋渦脫落;(2)多孔角型擾流器能在一定