大跨度桥梁抗风设计常用气动措施分析

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桥梁建设ZOl5年第45卷第2期(总第231期)BridgeConstruction。Vo1．45，No．2，2015(TotallyNo．231)77文章编号：1003—4722(2015)02—0077—06大跨度桥梁抗风设计常用气动措施分析胡长灿，詹昊(1．中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430056；2．西南交通大学，四川I成都610031)摘要：为提高大跨度桥梁的抗风性能，对该类桥梁抑制涡激共振和提高颤振稳定性的常用气动措施及其机理进行初步分析。桥梁涡激共振和颤振稳定性与旋涡的产生和漂移有关，因此气动优化的一般原则是改善结构迎风面和背风面的气动外形以延缓或避免流动分离、减小分离涡尺度、阻碍旋涡漂移路径。抑制桥梁涡激振动一般采用设置倒角、安装风嘴和优化风嘴形状、安装导流板等气动措施；提高桥梁颤振稳定性一般采用安装风嘴和优化风嘴形状、安装稳定板和气动翼板等气动措施。研究表明采用气动措施后，大跨度桥梁的气动性能得到改善。关键词：大跨度桥梁；涡激共振；颤振；倒角；风嘴；导流板；抗风设计；气动措施中图分类号：U442．5；U443文献标志码：AAnalysisofCommonAerodynamicMeasuresforWindResistantDesignofLongSpanBridgesHUChang—carl．ZHANHao’。(1．ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignGroupCo．，Ltd．，Wuhan430056，China；2．SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031，China)Abstract：Toimprovethewindresistantperformanceoflongspanbridges，thecommonaero—dynamicmeasuresandtheirmechanismforsuppressingthevortex——inducedresonanceandforim——provingtheflutterstabilityofthebridgesarepreliminarilyanalyzed．Sincethevortex-inducedres—onanceandflutterstabilityofthebridgesarecorrelatedwiththevortexgenerationandvortexdrift，thegeneralprincipleofoptimizingtheaerodynamicmeasuresistoimprovethewindwardandleewardstructuralaerodynamicprofilesinordertodelayoravoidtheflowseparation，reducetheseparatedvortexscalesandimpedethevortexdriftpaths．Asregardstheaerodynamicmeasuresforsuppressingthevortex-inducedvibrationofthebridges，theroundedcornersandwindfairingsaregenerallyinstalled，theshapesofthewindfairingsareoptimizedandtheguidevanesarein—stalledwhileasregardsthemeasuresforimprovingtheflutterstability，thewindfairingsaregen—erallyinstalled，theshapesofthewindfairingsareoptimizedandthestabilizersandaerodynamicwingplatesareinstalled．Researchesindicatethattheaerodynamicperformanceofthelongspanbridgescanbeimprovedafterthesemeasureshavebeentaken．Keywords：longspanbridge；vortex-inducedresonance；flutter；roundedcorner；windfair—ing；guidevane；wind—resistantdesign；aerodynamicmeasure1前言的结构体系和主梁断面以提高桥梁的整体刚度，在现代桥梁向大跨度发展，其抗风性能越来越受此基础上选择恰当的气动措施以提高结构整体的气到人们的关注。通常采用结构措施、气动措施和机动性能。气动优化的原则是改善结构迎风面和背风械措施提高桥梁的抗风性能，其关键在于采用合理面的气动外形以延缓或避免流动分离、减小分离涡收稿日期：2015—01—19作者简介：胡长灿，高级工程师，E-mail：hucc@brdi．corn．ca。研究方向：桥梁工程CAD。 78桥梁建设Bridge【、onstFiletion尺度、破坏旋涡流动路径。桥梁抗风设计巾关注的主要问题一般为涡激共振和颤振稳定性。涡激共振易发在拉索、吊杆、自立状态的钢塔和主梁等部位，导敛疲劳损伤。一般而言颤振是一种发散性的自激振动，会导致灾难性的破坏。本文主要研究抑制桥梁涡激共振和提高颤振稳定性的常用气动措施(a)江西九江长江大桥(b)南京大胜关长江人桥并对其机理进行初步分析。图1实桥吊杆Fig．1SuspendersofActualBridges2抑制涡激共振的气动措施流体经过物体时．其表_面边界层在逆压梯度下发生涡激共振。一般通过对桥塔截面设置倒角等气分离．形成有规则的旋涡结构(卡门涡街)，产生脉动动措施抑制或减轻涡激共振的影响。EI本明石海峡力。当旋涡脱落频率接近结构同有振动频率时，旋大桥采用矩形切角和安装TMD抑制施_I状态下钢涡脱落频率被同有频率锁定，发生涡激共振现象。塔风致振动；智利查考海峡大桥拟采用网形截面的涡激共振足一种限幅振动，具有一定的锁定风速I)(桥塔；香港昂船洲大桥采用圆锥形独柱式桥塔。某nIJ。涡激』振起掀风速卡兀埘较低，发生频率较高，容桥桥塔采用不同截面时的旋涡脱落示意如罔2所易他结构物产乍疲劳损伤、行乍障碍以及诱发过桥示。由图2可知。顺桥向和横桥向来风时。正方形截者的／f安个感。2占构形状的微小变化能够较大地改¨1I没置倒角后旋涡分离点后移，旋涡脱落规模减小．变旋涡脱落形态．·般通过设置倒角、安装风嘴和优巾网角截面旋涡脱落规模最小。数值仿真汁算结化风嘴形状、安装导流板等气动措施减弱旋涡脱落果表明倒网角截面阻力系数最小，受到的涡激力最小。强度、减小涡激力大小从抑制涡激共振。住气动措施不能充分满足抗风要求时，往往还需通过安装阻尼器来抑制涡激共振。2．1没倒』史I吊杆发乍涡激共振损坏的例子屡见小鲜。1929{F美的塔科尼一帕尔迈拉(Tacony—Pal—(a)正方形截面(b)三角形切角截而myra)桥(刚性梁柔性拱桥)的H形吊杆遭到风振疲劳破坏。1)73年3月美围的科莫多巴里(Commo—doreBarry)桥(恳臂桁梁桥)的H形竖杆和斜腹朴产乍疲劳破坏。¨本的向岛桥和马下桥吊杆发生了(c)lE方形切角截而(d)倒圆角截面涡激共振。通过对吊杆截面设置倒角等措施优化吊杆气动外形可以减小旋涡脱落规模，从而减小涡激图2桥塔不同截面旋涡脱落示意Fig．2VortexSheddingofDifferentSectionsofTowers力，在一定程度_J减小涡激共振振幅。同时，往往还需安装质量调谐阻尼器TMD或液体一质量双调谐2．2安装风嘴、导流板阻尼器TIMD以完伞抑制涡激共振。如图1所示，钢箱主梁有可能发生涡激共振。通过安装风嘴江西几江长江大桥采用腹板开孔的1：字形吊杆，在和优化风嘴外形可以减小分离涡尺度。AlanLars—10m／s左的风速时。观测到吊杆最大扭转角为en通过风洞试验系统研究了风嘴角度对钢箱梁涡8。，弯f¨1最大振幅达7cnl，安装TMD后抑制了涡激激共振的影响，试验结果表明．当风嘴下部斜腹板与共振l_。南京大胜关长江大桥采用切角钢箱吊杆，水平线的夹角小于15。后，箱梁尾部旋涡脱落规模成桥后观测到10cm左右的弯曲振动，安装TIMD减小，涡激共振现象消失。后抑制了涡激共振。桥梁吊杆设计叶1还可采用其他安装导流板一般能够抑制流动分离，往往可以方法(如格构式吊杆和钢板式吊杆)改善气动性能、形成高速气流阻碍大型旋涡的形成。图3为某桥主减小涡激共振的影响，但需综合考虑适用范同、施T梁安装导流板前、后旋涡脱落示意，南冈3可知，箱难度和经济成本。梁下底板安装导流板后箱梁风嘴下部斜腹板处旋涡施1期间处丁F1立状态的桥塔，尤其是钢塔易脱落规模减小。 大跨度桥梁抗设计常川e动措施分析胡K灿，詹是(a)安装导流板前(b)安装导流板后图3某桥主梁安装导流板前、后旋涡脱落示意Fig．3VortexSheddingofMainGirderofaBridgebeforeandafterInstallationofGuideVane以上2种方法能够在一定程度』抑制主梁涡激振幅以及相位关系，使得桥梁结构能够在流动的气共振，但有时还需安装TMI)以完全抑制涡激共振。流中不断吸收能量．而该能量又大干结构阻尼所耗表l巾儿座采用钢箱主梁的桥梁。通过安装风嘴、导散的能量时将发生颤振。颤振是一种危险性最大的流板或TMD后抑制了主梁的涡激共振：～。自激振动，T程上要求颤振临界风速超过颤振检验风速。1818年起，至少已有l1悬索桥毁于强风。表l抑制钢箱主梁涡激共振的几座桥梁Tab．1SeveralBridgeswithVortex。InducedResonancel940年美同塔科玛海峡大桥存小到2Om／s的风速ofl'heirSteelBoxMainGirdersBeingSuppressed下毁于分离流引起的扭转颤振，发生颤振时主梁扭转变形(图4)，旋涡脱落形态如图5所示。F}1【訇5可知，该桥扭转失稳南旋涡脱落0I起．陔桥主梁抗扭刚度弱，其两侧是密不透风的钝体形状纵梁。易产大型旋涡而导致气动弹性不稳定。一般通过安装风嘴和优化风嘴形状、安装稳定板、气动翼板和采川分体式结构提高桥梁的颤振稳定性“。3．1安装风嘴和优化风嘴形状3提高颤振稳定性的气动措施安装风嘴和优化风嘴形状是提高桥梁颤振稳定一般颤振是一种发散性的自激振动。当空性的常刚措施，其日的是破坏主梁端部大型旋涡的气的流动速度影H向或改变了不同广1南度运动之问的形成。风嘴一般采用角形式，如丹友人海带桥，英图4塔科玛海峡大桥发生颤振时主梁扭转变形Fig．4l'orsionalDeformationufMainGirderofTacomaNarrowsBridgeuponOccurrenceofFlutter图5塔科玛海峡大桥发生颤振时主梁旋涡脱落形态Fig．5VortexSheddingofMainGirderofTacomaNarrowsBridgeuponOccurrenceofFlutter 桥梁建设BridgeConstruction同塞文桥则采用了角型风嘴外加挑臂。也有少数座桥梁颤振临界风速的变化。，由表2可知，采州气桥梁采川弧线型风嘴，如法围诺曼底大桥往主梁两动措施后桥梁颤振稳定性达到要求。南丁稳定饭的侧安装『l11线型的整流罩．俄罗斯岛桥采用了半网型高度对气动效果影响很大，需仔细研究。风嘴以改善卒气静、动力特性。弧线型风嘴可以延表2安装稳定板前、后桥梁的颤振临界风速缓角点处的流动分离，往往有利于颤振稳定性，但需Tab．2FlutterCriticalWindSpeedsofBridges进一步研究。图6为某桥主梁分别采用角型风嘴bef．weandafterInstallatit’nofStabilizers和弧线型风嘴的旋涡脱落示意。由图6可知，当桥梁名称气动措施笔景风攻角较小时，主梁在_二角型风嘴上部拐点处发生流动分离，形成较大的旋涡；而采用弧线型风嘴的主梁没有发生流动分离而形成大型旋涡。由数值仿真汁算结果可知主梁采用弧线型风嘴时的颤振临界风3．3安装气动翼板速高丁采用t角风嘴的。安装在桥梁上的气动翼板是一种耗能装置，作3．2安装稳定板用在翼板上的气动力能够有效耗散气流由主梁输入安装稳定板是提高桥梁颤振临界风速的有效方系统的能量，从而使系统的颤振稳定性得到改善。法．旋涡沿主梁上、下表面漂移是导致桥梁颤振的原如罔8所示，墨西拿海峡大桥在栏杆上安装了气动之一．旋涡沿主梁断面的漂移与非定常演化过程翼板，贵州坝陵河大桥在桁架梁的中部安装气动翼直接影响物体受到的流体动力。安装稳定板后．旋板。安装气动翼板后。坝陵河大桥颤振临界风速南涡沿主梁表面的漂移受到阻碍，有利于提高颤振稳38．8m／s提高到42．4m／s，达到了颤振稳定性要定性。如图7所示，某桥中央安装I：、下稳定板后，求。主梁l面的大旋涡分离为2个较小的旋涡，下表3．4采用分体式结构面的旋涡漂移被阻断。表2为安装稳定板前、后几分体式钢箱梁是继闭口钢箱梁后重要的桥梁断(a)三角型风嘴(b)弧线型风嘴图6主梁旋涡脱落示意Fig．6VortexSheddingofMainGirder＼(a)安装稳定板前(b)安装上、下稳定板后图7某桥安装上、下稳定板前、后旋涡脱落示意Fig．7VortexSheddingofaBridgebeforeandafterInstallationofUpperandLowerStabilizers(a)墨西拿海峡大桥(b)贵州坝陵河大桥图8实桥中的气动翼板Fig．8AerodynamicWingPlatesonActualBridges 夫跨度桥梁抗风设计t常用气动措施分析胡长灿，詹吴8】面革新，作为一种特殊的断面形式，其颤振稳定性能浅箱梁构成，桥面上、下气流几乎不受干扰地自由流还处于探索阶段。一般而寿分体式结构减小上、下动。。采用分体式箱梁建成的桥梁有舟山西堠门空气压差，增加了气动阻尼，能够较大程度地提高颤大桥、香港昂船洲大桥以及韩国的光阳大桥。西堠振临界风速。加劲梁的设计原则是要获得足够高的门大桥原单箱梁方案颤振临界风速不到50rn／s，采颤振临界风速而又不过分增大截面尺寸，这种理念用分体式箱梁后颤振临界风速提高到8Om／s以L，在对器阿拿海峡大桥的研究中得到充分体现。如图达到了颤振稳定性要求。9所示，墨西拿大桥加劲梁是南3个分离的流线型(a)墨西拿海峡大桥(b)舟山西堠门大桥(c)香港昂船洲大桥图9实桥中的分体式箱梁结构Fig．9SeparatedBoxGirderStructuresofActualBridges4结论本文主要研究了抑制桥梁涡激共振和提高颤振参考文献(References)：稳定性的常用气动措施，并对其机理作了初步分析，得以下主要结论：[1]铁道部大桥工程局．九江长江大桥技术总结[M]．武(1)通过设置倒角等措施优化吊杆气动外形可汉：武汉测绘科技大学出版社。1996．以减小旋涡脱落规模，从而减小涡激力，在一定程度(MajorBridgeEngineeringBureau，MinistryofRail—ways．TechnicalSummaryofJiujiangChangjiangRiver上减小涡激共振振幅，但往往还需安装TMD或Bridge[M]．PressofWuhanFechnicalUniversityofFIMD以完全抑制涡激共振。对于处于施T自立SurveyingandMapping，1996．inChinese)状态的钢桥塔亦是如此。[2]AllanI．arsen．AerodynamicsofLargeBridges[M]．(2)通过安装风嘴和优化风嘴外形可以减小分Rotterdam：AABalkemaPublishers，l992．离涡度。安装导流板一般能够抑制流动分离，往[33Allangarsen，SorenEsdahl，JacobEAndersen，eta1．往可以形成高速气流阻碍大型旋涡的形成。这2种StorebeltSuspensionBridge～VortexSheddingExcita—方法能够往一定程度上抑制主梁涡激共振，但有时tionandMitigationbyGuideVanes[J]．Journalof还需安装TMD以完全抑制涡激共振。对于流线型WindEngineeringandIndustrialAerodynamics．2000．钢箱梁结构，往往可以通过减小风嘴下腹板与水平(88)：283～296．面的夹角减小涡激共振的影响。[4]AllanLarsen，MikeSavage，Andr6aneLafreniere，eta1．InvestigationofVortexResponseofaTwinBox(3)桥梁颤振稳定性与旋涡的产生和漂移有BridgeSectionatHighandLowReynoldsNumbers关，通过安装风嘴和优化风嘴形状可以减小分离涡I-J]．JournalofWindEngineeringandIndustrialAero—尺度，安装稳定板可以破坏旋涡流动路径，这2种方dynamics，2008，(96)：934—944．法能够提高颤振临界风速。[5]AllanI．arsen，AlannaWal1．ShapingofBridgeBoxGi—(4)气动翼板能有效耗散气流由主梁输入系统rderstoAvoidVortexSheddingResponse[J~．Journal的能量，提高颤振稳定性。一般而言分体式箱梁减ofWindEngineeringandIndustrialAerodynamics，小了下空气压差，增加气动阻尼，能够较大程度2O12，(1O4一l06)：159—165．地提高桥梁颤振临界风速，但其机理还需进一步[6]徐恭义．板式加劲梁悬索桥[M]．成都：西南交通大学研究。出版社，2O10． 82桥梁建设BridgeConstruction2015，45(2)(XUOong-yi．SuspensionBridgeswithPlateStifle—SpanBridges：TheMessinaBridge[J]．JournalofningGirders[M]．Chengdu：SouthwestJiaotongUni—WindEngineeringandIndustrialAerodynamics，versityPress，2010．inChinese)2013，(122)：38—49．Er3HaoZhan，WanshunXu．FlutterStabilityStudiesofLongSpanSuspensionBridgewithStreamlinedSteelBoxGirderofDifferentFairingsbyNumericalSimula—胡长灿1962～，男，高级工程师tion[c]／／Abstractsofthe6thInternationalSymposi一1983年毕业于上海铁道学院计算lonComputationalWindEngineering。Hamburg。机专业，工学学士。研究方向：桥梁Germany，2014：376—377．工程CAD[83YozoFujino，KiehiroKimura，HiroshiTanaka．WindE—mail：hucc@hrdi．corn．cnResistantDesignofBridgesinJapan-DevelopmentsandPractices[M]．NewYork：Springer，2003．[9]徐洪涛．山区峡谷风特性参数及大跨度桁梁桥风致振动研究(博士学位论文)[D]．成都：西南交通大学，詹昊2009．1971一，男，高级工程师(XUHong-tao．ResearchofWindCharacteristicPa—2009年毕业于华中科技大学桥梁与隧道工程专业，工学博士。研究rametersandWind—InducedVibrationofLongSpan方向：桥梁抗风设计BridgewithTrussGirderinMountainousArea(Doc-E—mail：p0etryzhanha0@163．corntoratDissertation)[D]．Chengdu：SouthwestJiaotongUniversity，2009．inChinese)ZHANHao[1O]GDiana，GFiammenghi，MBelloli，eta1．WindTunnelTestsandNumericalApproachforLong■～■(编辑：叶青)