大跨度箱形钢拱肋气弹模型涡振试验研究

　　拱肋作为拱桥的主要承重构件往往较钝,当气流绕过拱肋时,可能会产生流动分离和周期性的旋涡脱落,使拱肋上下两侧表面出现交替变化的正负压力和力矩。当旋涡脱落频率接近或等于拱肋竖弯振动频率时,可能会引起拱肋的涡激振动。涡振是一种带有强迫和自激双重性质的风致限幅振动。当振幅较小时,涡激力表现为强迫力的性质;当振幅较大时,涡激力表现为自激力的性质。对于已建成的大跨度桥梁,如我国的西堠门大桥、丹麦的GreatBelt桥东引桥、英国的Second Severn桥以及加拿大的LionGate桥等都出现过大幅涡激振动。主梁断面涡激振动[1-8]研究主要通过风洞试验方法或数值方法研究在不同断面、风速、阻尼比、紊流度、攻角、偏角、雷诺数条件下涡振起振风速、锁定区间、振幅及振动控制措施。桥塔断面涡激振动[9-10]研究思路与此相似。相对主梁断面涡振和桥塔而言,拱肋涡振研究较少,主要原因是拱肋刚度相对较大,涡振起振风速可能较高。在对上海卢浦大桥[11]、重庆菜园坝大桥[12]、湖南茅草街大桥、浙江三门口大桥、四川宜宾岷江二桥进行全桥气弹模型试验过程中均发现了拱肋涡激共振现象。通过数值方法二维模拟对上海卢浦大桥拱肋断面进行了涡振分析,并对多种气动措施进行了数值分析,找到了有效的抑振措施。对拱肋原断面和整体隔板断面进行了流态对比分析,进一步揭示了产生涡振的机理。

　　影响拱肋涡振的主要因素有:气动外形、来流攻角及偏角、紊流强度、雷诺数(Re)、斯托罗哈数(St)和斯科如通数(Sc)。钢拱肋由于质量和阻尼比相对低于混凝土拱肋, Sc较低,因此在风荷载作用下更容易发生涡激振动,而且振幅相对更大。本文以某大跨度斜跨异型拱桥矩形断面钢拱肋气弹模型为对象,研究其在均匀流场和紊流场中,不同攻角多种偏角条件下的对称竖弯和反对称竖弯涡振特性。

　　1 工程概况

　　张家口清水河通泰大桥为钢箱梁斜跨拱桥,主跨190 m,主梁宽34. 15 m,高3 m,位于R=600 m的平面曲线上。拱肋为单箱单室矩形钢箱形式,宽7. 04 m,高3. 82m,板厚26mm,加厚段拱肋板厚30mm,箱内横截面每隔60 cm~70 cm设置一道工字型加劲肋。拱高62 m,拱脚间距180 m,矢跨比0. 345。该桥跨度较大,结构造型独特,受力复杂。通过全桥气弹模型风洞试验对其进行了抗风性能研究。由于该桥拱肋为矩形钢箱截面,阻尼较小,试验发现面临严重的涡振问题。本文主要介绍拱肋气弹模型在不同攻角、不同偏角、不同风速条件下横风向(一阶对称竖弯和一阶反对称竖弯)涡激共振响应。图1为全桥静力试验模型(1B25)与风洞试验气弹模型(1B66)。

　　2 拱肋气弹模型制作与调试