特大跨钢桁梁悬索桥主梁气动参数试验研究.pdf

第 3 6卷第 2期 2 0 1 0年 4月 四川建筑科学 研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 43 特大跨钢桁梁悬索桥主梁气动参数试验研究 马存明 ， 李 丽。 ， 廖海黎 ， 徐洪涛 1 ．西南交通大学土木学院风工程试验研究中心， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ； 2 ．西华大学建筑与土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 9 摘要 以一大跨悬索桥坝陵河大桥钢桁梁主梁断面为研究对象 ， 通过节段模型风洞试验和高频动态天平测力试验， 得到了 钢桁梁主梁优化断面并试验得出三分力系数、 颤振导数以及气动导纳 ， 归纳出适合钢桁梁桥梁断面的气动导纳经验公式， 改 善了传统上计算抖振在气动导纳上的明显缺陷。研究成果已经应用于坝陵河大桥的建设， 且可以为以后类似桥梁的抗风设 计提供参考。 关键词 钢桁梁； 气动参数 ； 风洞试验 中图分类号 T U 3 9 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 0 0 2 0 4 304 S t u d y o n a e r o d y n a m i c p a r a me t e r o f a n t r u s s g i r d e r f o r a l o n g s p a n s u s p e n s i o n b r i d g e MA Cu n mi n g ， L I L i ， LI AO Ha i l i ， XU Ho n g t a o 1 ． R e s e a r c h C e n t e r f o r Wi n d E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n gi n e e r i n g ， X i h u a U n i v e r s i t y ， C h e n g d u 6 1 0 0 3 9 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f a s t e e l t r u s s g i r d e r u s e d i n a l o n gs p a n s u s p e n s i o n b ri d g e w e r e me a s u r e d i n w i n d t t mn e l b y s e c t i o n mo d e 1 ． An o p t i mi z e d s e c t i o n i s g e t f r o m t h e t e s t a n d t h e a e r od y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s s u c h a s me an a e r o d yn a mi c f o r c e c o e f f i c i e n t ， fl u t t e r d e r i v a t i v e s a n d a e r o d y n a mi c a d mi t t a n c e a l s o t e s t e d ． A n e x p e ri e n ti a l f o r mu l a f o r t r u s s girde r h a s b e e n d e v e l o p e d t o r e v i s e t h e f a t a l fl a w u s e d i n t r a d i t i o n al b u ff e t i n g an a l y s i s ． Ke y wo r d s t r u s s g i rd e ； a e r o d y n a mi c p ara me t e r ； wi n d t u n n e l t e s t 0 引 言 2 0世纪 以来 ， 世界各类桥型的跨度纪录不断地 被刷新 ， 总的趋 向是桥梁结构向大跨 、 高强、 轻型 的 方向发展， 以缆索交承的柔性体系桥梁的发展 占据 了桥梁发展的主导地位 ， 扁平 闭合箱梁 和桁架梁是 两种最具竞争力的主截面桥梁。黔西坝陵河大桥主 跨为 1 0 8 8 m， 是 国内首座跨径超过千米的钢桁架加 劲梁悬索桥。该桥地处峡谷 ， 两岸地势陡峭 ， 地形变 化急剧 ， 起伏很大 ， 河谷深达 4 0 0～ 6 0 0 m， 风速场空 间分布复杂， 如图 1所示 。 由于该桥跨度大、 阻尼小 ， 桥梁 的抗风特性是 该桥成桥运营阶段的关键 问题之一。为了研究该桥 的抗风稳定性 ， 在西南交通大学风工程研究 中心进 行了一系列气动选型和气动参数 的风洞试 验研究 。 收稿 日期 2 0 0 9 8 1 4 作者简介 马存明 1 9 7 6一 ， 男， 山东单县人， 讲师， 博士， 主要从事 桥梁结构研究。 基金项 目 国家 自然科学 基金 5 0 0 7 8 0 4 7 ； 西 部交通 建设科技 项 目 坝 陵河 特大桥 梁建设关 键技 术研究 项 目资助 胜境关 西 一 桥跨布置 ’ 标准横断面 ■ 吊索一 一 上检 ． 上检修遭护栏 。 7 7 5 0 3 7 5 O - 5 0 0 * 1 5 0 0 5 0 0 2 3 5 5 0 0 2 4 5 q ＼ wi】 吊索耳板、 蕊⋯⋯ ． 禚 ． 軎 ． ⋯ 举 ⋯ ⋯ } ；； } 一 一 一 一 一；_ _ 泄水管一 气动翼板一 醪 险查车轨道托架 月 7 000【 7 ’ 单位 mi D - 主梁断面 图 1 坝陵河大桥桥 型布 置 F i g ． 1 Ge n e r a l v i e w o f Ba l i n g h e b r i d g e 本文重点介绍节段模型的主要研究成果以及抖振计 算理论 ， 可为今后类似桥梁的抗风设计提供参考。 1 气动优化试验研究 为了避免 1 9 4 0年美国大跨度钢桁梁悬索桥 因 四川建筑科学研究 第3 6卷 风致颤振引起的桥梁破坏事件的发生 ， 对坝陵河大 桥的气动外形进行 了一系列 的优化试验 ， 图 2是风 洞中的试验照片。其优化措施见表 1 。试验结果表 明， 原始 的断面形式在添加 了细部构件 导轨 、 吊 环、 电缆线检修道 无电缆线 以后 ， 颤振临界风速 表 1 坝陵河大桥气动外形优化试验内容 Ta b l e 1 Ae r o d y n a mi c s e c t i o n o p t i mi z e d c o n t e n t s 在 3 。 不能够达到设计要求 ， 在 0 。 也是刚刚达到要 求 ， 富裕量不大 。为此 ， 经过了一系列的优化试验 ， 试验结果汇总在表 1和图 3中。从表 1和图 3中可 以看出， 方案 7 ， 即桥面板表面开孔再加上导流翼板 的形式 ， 是最优方案。 编号 1 2 3 4 优化 内容 1 2 系统添加细部 构件 导 轨， 吊环 ， 电缆 线 检修道 无 电 缆线 桥面板 中间开 孔 系统添加 细部 构 件 导 轨 ， 吊环 ， 电缆 线 检修道 无 电 缆线 桥 面板 中间不 开孔 系统添加细部 构件 导 轨， 吊环 ， 电缆 线 检修道 有 电 缆线 桥面板 中间不 开孔 检修道网加 密 系统添加细部 构件 导 轨。 吊环 ， 电缆 线 检修道 有 电 缆线 桥 面板 中间开 孔 检修道网加密 加裙板 系统添加细部 构件 导 轨， 吊环 ， 电缆 线 检修 道 有 电 缆线 桥面板中间不 开孔 检修道 网加密 加裙板 系统添加细部 构件 导 轨， 吊环 ， 电 缆 线 检修 道 有 电 缆线 桥面板中间不 开孔 检修道 网加密 加翼板 宽 4 o c m 系统添加细部构 件 导轨， 吊环， 电缆 线 检 修 道 有电缆线 桥 面中间开孔 检修道 网加密 加 翼 板 宽 4 o c m 图 2 节段模 型风 洞试验照片 F i g ． 2 T h e s e c t i o n mo d e l p h o t o i n w i n d t u n n e l ；一 一 一 优化方案1 0 一 优化方案 口 优化方案3 优化方案4 ． 畸一优化方案5 一 一 优化方案6 十优化方案7 一颤振检验风速 - 6 - 4 - 2 0 2 4 6 来流攻角， 。 图 3 各优化方案的颇振 临界风速 Fi g ． 3 Fl u t t e r c r i t i c al wi nd s pe e d of t he s e c t i o n o pt i mi z e d 2 钢桁梁主梁断面静力三分力 系数 静力三分力系数是表征各类结构断面在平均风 作用下受力大小 的无量纲 系数 ， 它反映了风对桥梁 的定常气动作用， 用于确定主梁的静风荷载和其他 动力响应的计算 。静力三分力试验在西南交通大学 工业风洞 x N J D ～1 第二试验段中进行 。该试验段 断面为2 ． 4 m 宽 2 ． 0 m 高 的矩形， 最大来流 风速为 4 5 m ／ s ， 最小来 流风速为 0 ． 5 m ／ s 。试验段 中设有专为桥梁节段模型静力三分力试验用的侧壁 支撑及测力天平系统， 由计算机控制的模型姿态角 来流相对 于模型的攻角 调整机构角度变化 的范 围为 2 0 。 ， 变化间隔最小为 0 ． 1 。 ， 并与数据采集系 统相联 。用于测量静力三分力的三分量应变式天平 其设计荷载为 阻力 ’ 。 5 0 k g f ， 升力 F 1 2 0 k ， 俯仰力矩 M 1 2 k m。本研充试验风速为 U 1 0 m ／ s 和 1 5 m ／ s ， 试验攻角为 一1 2 。 一1 2 。 ， △ 1 。 。本文中的静力系数定义为 C D ／ 1 U 2 H L C L F L ／ 1 1 c M z ／ 扩 式中C 。 ， C ， C O L 攻角 时的静力 系数 ； P一 气流动压； u lU ‘， rJ ， 日， ， 卜节 段 模 型 的 高 度、 宽度和长度 ； F D ， F ， Mz 攻角 情况下采 用风轴坐标系时 的阻 力、 升力 和 俯仰力矩。 图4给出了试验 的三分力系数随攻角的变化 曲 线。从 图4中可以看出， 升力系数 曲线和力矩系数 曲线的斜率在较大 的攻 角范 围内均为正 ， 这说明该 断面在较大的攻角范围内具备气动力稳定的必要条 件 。 蚰 ∞ 如 ∞ 如 ∞ 一 ∞ ， Ⅲ一、 匮略罂骣甚 马存明， 等 特大跨钢桁梁悬索桥主梁气动参数试验研究 4 5 图 4 坝陵河大桥 主梁断面三分力 系数 F i g ． 4 M e a n a e r o d y n a m i c f o r c e c o e ffi c i e n t o f Ba li n g h e b rid g e 3 钢桁梁 主梁 断面颤振导数 颤振导数是桥梁结构颤振及抖振分析所需的基 本参数 ， 精确有效地识别颤振导数 ， 是桥梁结构抗风 分析的前提条件 。桥梁断面的颤振导数 ， 可通过节 段模型风洞试验 、 节段模型水洞试验、 气弹模型试验 和 C F D计算等多种途径来获取。本文基于节段模 型风洞试验的 自由振动识别方法 ， 是 目前获取桥梁 断面颤振导数的主要途径。图 5给出了本文研究 的 结 果 。 图 5 坝陵河大桥主梁 断面 颐振 导数 Fi g ． 5 Th e fl u t t e r d e r i v a ti v e s o f Ba l i n g h e b r i d g e 4 钢 桁 梁 主 梁 断面 气 动 导 纳 函数 试 验研 究 2 0世纪 6 0年代， D a v e n p o r t 建立了柔性细长结 构抖振响应的分析方法 ， 并引入了气动导纳的概念， 用来表达结构某一单位长度上 抖振力 的非定 常性 ， 是将拟定常气动力转化到非定常气动力的传递函 数。由于桥梁断面与紊流风之间的作 用非常复杂， 常常用适用于薄板 的气 动导纳s e a r s函数作 为 桥梁断面的气动导纳 1 l ∞ I L i e p m a n n 近似 2 式 中 桥面宽度 ； CD ． L ． ，Ct D ,L , M 三 个方 向上 的静 力 系 数 和 斜 率 ； S ∞ ， S 纵 向及竖 向的紊流风速谱 ； 2wn 式中 为频率。 随着桥梁跨度越来越大 ， 桥梁抖振的精细化分 析越来越重要。但是 ， 迄今人们所用的抖振分析理 论是由 D a v e n p o r t 所奠定 的。对 于工程结构物这类 “ 钝体” ， 现有 理论 由于在气 动力描 述方面存 在缺 陷， 导致计算结果往往与实际情况严重偏离。该问 题的症结在于 ， D a v e n p o rt理论 中基于“ 片条假定” 的 气动导纳难以合理反映空间紊流对实际桥面所施加 的抖振荷载。现有气动导纳的研究和识别方法还不 成熟 ， 气动导纳的研究现状 已经成为风振分析精细 化研究方向上 的一个瓶颈 ， 急需突破。 目前计算 中 对于气动导纳函数的取值， 一般为如下两种情况 1 取值为 1 ， 即不考 虑对非定 常气动力 的修 正 ； 2 取 S e a r s函数 ， 即将桥梁断面按照机翼断面 的气动导纳进行修正。 传统上利用 S e a r s 函数作为桥梁断面的气动导 纳以及利用风速相关作为抖振力的相关来模拟结构 受到的抖振力存在着明显缺陷， 会导致抖振计算结 果与实际情况严重偏离。本文利用动态天平测力技 术 ， 实测得到钢桁梁断面的气动导纳， 可以修正传统 算法 中以 S e a r s函数 的缺陷 ， 能更精 确反映实 际桥 梁真正的抖振荷载。 表’2给 出了试验时的紊流场环境 ， 图 6给 出了 以坝陵河大桥为研究对象的钢桁梁桥梁断面的气动 导纳试验结果 。 表 2 风洞试验 测点位置紊流场主 要紊流特性 Ta b l e 2 ，I I l r b u l e n c e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e wi n d fie l d s s i m u l a t e d i n t h e wi n d t u n n e l t e s t s 根据 试验 得 出 的结 果 ， 利 用最 小二乘 法 拟合 ， 司 以得到钢桁梁断面的气动导纳 函数如下 升力导纳 函数 ㈤ 阻力导纳 函数 ㈤ 力矩导纳 函数 I X 式 中k为折减频率 B为桥宽 U为平均风速。 四川建筑科学研究 第 3 6卷 0． 01 01 1 Rc d uc c d f r e q ue nc y K 图 6 钢桁梁桥梁断面气 动导纳与 S e a r s函数 Fi g． 6 Co mpa r i s o n s a m o ng t he me as ur e d r e s ul t s AAF a nd Se a r s f unc t i o n 5 结 论 1 通过优化试验 ， 确定 了带导流翼板 的钢桁 梁断面形式 ， 并对检修道以及桥面板开孔大小进行 了优化。坝陵河大桥对这种断面形式直接采用 ， 提 高了坝陵河大桥 的颤振 临界风速 ， 使该桥的颤振稳 定性得到了保障。该研究成果为我国大跨度钢桁梁 悬索桥的气动稳定性提供了保障 ， 可以直接被其他 类似桥梁引用 。 2 通过风洞试验 ， 得到了钢桁梁断面 的三分 力系数、 气动导数 ， 这些气动参数的研究在坝陵河大 桥的风致响应计算 中起到了重要的作用 ， 可 以为其 他钢桁梁断面的抗风设计提供参考。 3 利用高频动态天平试 验， 得到了钢桁 梁断 要 l喜 虿 导 g 面的气动导纳经验公式 ， 弥补 了以往大跨度桥梁 ， 特 别是大跨度钢桁梁桥梁在抖振计算上 的不足 ， 利用 新 的气动导纳函数 ， 修正 了以往利用 S e a r s函数作 为气动导纳的缺陷。 参 考 文 献 [ 1 ] D a lc e n p o r t A G ． T h e a p p l i c a t i o n o f s t a t i s t ic a l c o n c e p t s t o t h e w i n d l o a d i n g o f s t r u c t u r e s [ J ] ． P r o c ． I C E， 1 9 6 1 ， 1 9 2 4 4 9 _ 4 7 2 ． [ 2 ] S e a r s W R． S o m e a s p e c t s o f n o n s t a t i o n a r y a i r f o i l t h e o r y a n d it s p mc t i c al a p p l i c a t i o n [ J ] ． J ． A e r o n a u t i c al S c i e n c e ， 1 9 4 1 ， 8 1 0 4 1 0 8 ． [ 3 ] M u d g e B D ． G u s t l o a d i n g o n s t r e a m l i n e d b ri d g e d e c k s [ J ] ． A e r o - n a u t i c a l Q u a r t e r l y ， 1 9 7 1 ， 2 2 4 3 0 1 - 3 1 0 ． [ 4 ] 西南交通 大学 风工程 中心． 坝 陵河 大桥抗 风性能 研究 [ R] ． 2 O O 7 ． 上接第 3 1页 图 1 1 特征点处荷载一应变关 系 Fig．1 1 Th e r e l at i ons h i p o f l o a di ng s t r a i ns a t po i nts 对角线方向的预应力筋承担 了较多的荷载 ； 由此可 以看出， 柱端弯矩变化比较小 ， 而跨中弯矩和沿对角 线方向的中间位置处的弯矩 的变化非常大 ， 即随着 荷载的增加， 预应力筋起着越来越大的作用 。 3结论及建议 通过比较分析可看出， 在竖 向荷载作用下 ， 沿对 角线配筋的无梁楼盖体系 ， 由于力的传递路径实现 了最简短的原则 ， 因此 ， 在 同等条件下 ， 沿对角线配 筋的无梁楼盖的挠度较小 ， 裂缝开展缓慢 ， 预应力筋 参与作用的时间较早 ， 预应力筋的应力增加较快 ， 能 充分发挥预应力筋 的作用 。因此 ， 沿对角线布置预 应力筋 ， 是比较合理 的布筋方案。沿对角线布筋的 无梁楼盖的端部构造需加强 ， 而且在水平荷载作用 下的受力性能 ， 有待于进一步研究 。 参 考 文 献 [ 1 ] 朱聘 儒． 双 向板无梁 楼盖 [ M] ． 北京 中国建筑工 业 出版 社， 1 9 9 9， 6 3 9 - 6 0 ． Z h u p i n n a ． T w o - w a y s l a b and c o l u m n s y s t e m [ M] ．B e i j i n g C h i n a Ar c h i t e c tur a l I n d u s t r y p u b l i s h i n g c o m p a n y ， 1 9 9 9 ， 6 3 9 -60 ． [ 2 ] 陶学康． 无粘结预应力 混凝土设计 与施工 [ M] ． 北京． 地 震出 版社 。 1 9 9 3 2 8 - 4 0 ． T a o x u e k a n g ．De s i g n a n d Co n s t r u c t i o n o f u n b o u n d e d rei o ree d c o n c r e t e s t r u c t u r e s[ M] ． B e ij i n g S e i s mi c p u b l i s h i n g c o mp a n y ， 1 9 9 3 2 8 - 4 0 ． [ 3 ] 钟春玲． 均布荷载作用下无粱楼盖预应力筋配筋形式研究 [ D] ． 哈尔滨 哈尔滨 工业大学 ， 2 0 0 2 ． Z h o n g c h u n l i n g ．R e s e a r c h O N arr a n g e me n t mR n n e r o f p res t res s i n g b a r s f o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e F l a t P l a t e[ D ] ． H a r b i n H a r b i n I n s t i l u t e o f Te c h n o l o g y ．Ma s t e r s Di s s e r ta t i o n of Ci v i l E n g i n e e rin g， 2 O O 2． 0 0 星爿日 3 1 g口 ． ‘ 寸2 0