大跨度桥梁抗风
大跨度桥梁抗风目前研究状况
气流绕过一般非流线型外形的桥梁结构时, 会产生涡旋和流动的分离, 形成复杂的空气作用力。当桥梁结构的刚度较大时, 结构保持静止不动, 这种空气力作用只相当于静力作用; 当桥梁结构的刚度较小时, 结构振动得到激发, 这时空气力不仅具有静力作用, 而且具有动力作用。风的动力作用激发了桥梁风致振动, 而振动起来的桥梁又可能反过来改变流场和空气力, 形成风与结构的相互作用。桥梁风振理论一般可按桥梁风振的不同形式分成4种, 即桥梁颤振理论、桥梁驰振理论、桥梁涡振理论和桥梁抖振理论。不同的桥抗风具有不同的特点
一．不同类型桥梁抗风的各自特点
1.连续刚构桥
大跨度刚构桥由于其施工和造价上的优势成为一种很有竞争力的桥型。但由于其上部结构悬臂施工长度大、自重大, 墩体又常采用薄壁墩, 其最大双悬臂状态的振动频率往往较低, 因而风致振动和风致结构内力就成为桥梁设计、施工者们十分关心的问题。闻生、于向东等人通过宜昌长江铁路大桥双悬臂施工中的风荷载计算, 提出采用数值模拟计算的方法确定空气静力系数。它无需试验设备, 特别是能模拟复杂的几外形绕流或湍流问题, 流场可视性好, 现已被越来越广泛地应用到工程研究中, 成为桥梁与结构抗风研究的重要手段之一,为大跨度预应力混凝土薄壁柔性墩刚构桥抗风计算提供了一种简便、经济的方法。
2.斜拉桥
刘世忠等人对国内首次采用环氧全涂平行钢绞线的独塔单索面部分斜拉桥进行了动力特性和抗风稳定性分析。最后得出结论为(1)最大悬臂施工阶段为桥梁抗风性能最差的状态, 弯扭颤振临界风速低
于检验风速, 因而此阶段的工期安排必须避开当地台风季节;(2)单索面部分斜拉桥不论是施工阶段还是成桥状态,发生纯扭转颤振失稳的可能性小;(3)成桥状态, 虽然单索面斜拉索不再提供抗扭能力, 但部分斜拉桥主梁抗扭刚度大, 扭转基频与竖弯基频之比在2倍以上。
二、在理论分析方面研究状况
根据荷载的表达方式不同, 风致振动分析理论有频域分析和时域分析。在频域内分析桥梁结构颤振的理论有经典耦合颤振理论、分离流颤振理论和多模态颤振理论。经典耦合颤振理论最早是B le ich 用Theodorsen的平面薄翼理论研究悬索桥颤振而发展起来的, 该理论以Theodorsen自激力模型为基础。由于实际的桥梁主梁断面不是薄板, 且也并不完全处于势流流场中, 这使得以薄板理论为基础的Theodorsen非定常空气动力函数就不能完全反应真实情况。分离流颤振理论是Scan lan将飞行器的颤振导数理论推广运用到桥梁主梁断面的颤振导数理论; 该理论对作用在桥梁上的非定常空气动力的描述和经典耦合颤振理论不同。在频域内分析桥梁结构抖振的理论有Davenport抖振分析理论、Scanlan 抖振分析理论、Scanlan 多模态抖振理论。
1.风振理论的精细化
对于非危险性的限幅风致振动, 如抖振和涡振, 应该说虽然已经建立起一套可用于解决工程抗风设计的近似方法,但对于风特性参数的合理取值, 气动参数、特别是气动导纳函数的识别以及通过节段模型识别参数时的雷诺数效应等都存在着一些不确定性和难度, 致使分析结果与现场实测数据还不能取得一致, 需要通过典型工程的案例研究加以对比和验证, 对现行的抖振和涡振分析理论进行精细化的改进,甚至建立新的分析理论和方法。可以说, 要更好地解决桥梁抖振和涡振的分析和控制问题, 还有许多工作要做。
2.概率性评价方法
风是一种随机荷载。对各种风振的安全检验和评价理应采用概率性的方法。然而, 由于动力可靠度分析在理论上的困难以及各种统计参数的缺乏, 目前虽然国内外部分学者对几座大桥做了概率性评价的初步探索, 但几乎所有国家的抗风设计规范仍采用基于经验安全系数的确定性方法来进行各类风振的安全检验。在世界桥梁设计规范已经向基于可靠度理论的方向过渡的总形势下, 应当通过努力尽快改变抗风设计规范的落后局面。
3.桥梁等效风荷载
风荷载是大跨度桥梁设计中的控制荷载, 尤其是在施工悬臂拼装阶段, 风荷载更是关系到施工安全的重要因素。然而, 目前规范中规定的风荷载计算方法仍是近似的。除了平均风引起的静风荷载外, 脉动风的作用则分解成用阵风系数考虑的静力作用以及抖振响应所引起的惯性荷载作用。实际上两部分作用是不可分割的, 存在相互作用的机制, 即随时间变化的脉动风对振动着的桥梁结构的总作用。
三.在试验研究方面
3.1.静力三分力试验
静力三分力是指桥梁断面在平均静气动力作用下的阻力、升力和扭转力矩及其随攻角的变化
3.2.风洞试验[1.2]
桥梁结构模型风洞试验可分为节段模型试验、全桥模型试验、拉条模型试验; 按照悬挂方式的不同节段模型试验可以分为刚性悬挂节段模型试验、强迫振动节段模型试验、自由振动节段模型试验、弹性悬挂节段模型试验。
3.3.节段模型试验
1）刚性悬挂节段模型试验
刚性悬挂节段模型试验可以获得桥梁结构断面的在不同攻角下的静力三分力系数以及桥梁结构断面在平均风作用下的表面压力分布。为静风响应计算、抖振响应计算、静风稳定性计算及施工监控分析等提供计算参数, 并可初步判断桥梁结构发生驰振的可能性。
2）强迫振动节段模型试验
强迫振动节段模型试验主要用于测定颤振导数。该模型试验需要一套振动激励系统, 用于悬挂并驱动节段模型在风洞内作简谐振动。系统的竖向振动频率可以通过改变弹簧的刚度和模型的重量来调整, 系统的扭转振动频率可以通过调节弹簧间的距离来调整。通过位移传感器组桥可以分离出系统竖向振动和扭转振动的位移信号。该方法是通过直接测定颤振自激力, 然后再推算颤振导数, 因而可以直接研究颤振自激力本身的特性, 除此之外, 该模型试验还具有试验稳定, 数据重复性好, 可测量的折减风速范围宽, 交叉项导数与对角项导数具有同等精度等一系列优点。
3) 自由振动节段模型试验
自由振动节段模型试验主要用于测定颤振导数。采用分状态测量系统的频率和阻尼来获取非耦合气动导数;在稳态振动(颤振) 条件下, 通过测量模型系统的振型、频率、相位差等, 并利用求出的非耦合气动导数从运动方程中求解耦合气动导数[3]。自由振动节段模型试验测定颤振数简单方便, 但在提取交叉导数的过程中, 很难做到模型的竖向运动和扭转运动在所有的风速下都具有相同的频率比和阻尼比, 同时非耦合导数的识别误差将带到耦合导数中。该模型试验适合的风速不大, 对耦合颤振导数的测量工作量大, 模型的涡激振动、支撑的振动等对试验的影响很大, 信号受干扰严重。由于自由振动节段模型试验有这些缺点, 因而强迫振动节段模型试验受到了重视。
3.4.弹性悬挂节段模型试验
弹性悬挂节段模型试验用于测定桥梁结构的非定常气动力特性(气动导数、气动导纳)和在非定常气动力作用下的稳定性和振动响应, 以及桥梁结构主梁断面在非定常气动力作用下的表面压力分布状态, 分析不同时刻的主梁断面压力分布变化情况。该模型试验既要求模型与实桥之间满足几何外形相似, 原则上又需满足动力相似律, 即模型与实桥之间满足弹性参数、惯性参数、阻力参数的一致。
3.5.全桥气动弹性模型试验
全桥气动弹性模型试验可以在均匀流场和湍流流场下进行施工状态和运营状态的颤振试验和抖振试验。可以弥补节段模型试验中对大气边界层的紊流、桥梁结构在紊流风作用下的气动响应的模拟不足。可以更为真实地反映桥梁结构在实际大气边界层中的气动稳定性和风致振动响应, 对于特别重要的大跨桥梁一般都要进行全桥模型的风洞试验。在全桥气动弹性模型设计中, 除须满足几何外形的相似外, 还应满足惯性参数、弹性参数、重力参数、粘性参数、阻尼参数等无量纲参数的一致性条件。
3.6.拉条模型试验
由于节段模型和全桥气弹模型试验结果之间存在差异。同时为了考虑空间三维效应和排除桥塔、拉索、主缆等对主梁气动特性的干扰, 由此产生了拉条模型。拉条模型试验用于测定桥梁主梁在均匀流及紊流下的涡激共振、抖振响应和颤振; 可以用模态参数识别方法进行拉条模型试验的颤振导数识别。该模型试验可以考虑桥梁结构前面几阶振动模态的风致振动响应, 可以考虑二维效应和三维振动效应。
四.数值模拟
数值模拟是应用计算流体力学方法( CFD)模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况并求解结构表面的风荷载。这是近几十年发展起来的一种结构风工程研究方法。随着计算机技术的普及与应用能力的提高, 数值模拟技术得到了迅速的发展, 可用于桥梁结构空气动力参数研究的计算流体力
学方法有多种, 如有限体积法、有限元法、有限差分法、离散涡方法。数值模拟结果的准确性和可靠性依赖于对实际问题建立正确的数学模型和算法。目前, 对于气动弹性分析的数字模拟技术, 在二维模型和均匀来流条件下的计算比较成熟, 正在向三维模型、紊流风场和高雷诺数方向发展。
参考文献
[1] 陈政清, 项海帆. 桥梁风工程[M ] . 北京: 人民交通出版社, 2005
[2] 贺德馨. 风工程与工业空气动力学[M ] . 北京: 国防工业出版社, 2006
[3] 王卫华, 李明水, 陈忻. 强迫振动法提取桥梁气动导数研究
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