南京長江第三大橋橋塔氣動彈性模型試驗研究

南京長江第三橋是南京繼南京長江二橋之后，又一座橫跨長江的大橋。主橋為雙軒橋，全長63m。257m648m257m63m。該橋橋塔呈倒Y型布置,全高215m,橋塔上部為平行的雙柱式結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。主梁以上采用鋼結(jié)構(gòu),整個結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、阻尼小,且整個橋塔較高,對風(fēng)的作用較為敏感。為確保南京長江第三大橋橋塔結(jié)構(gòu)具有優(yōu)良的抗風(fēng)性能,就需對該橋塔進行基于模型風(fēng)洞試驗的氣動選型研究。根據(jù)南京地區(qū)的氣候條件,斜拉橋施工階段設(shè)計風(fēng)速可按30年一遇進行推算,此時橋塔頂部設(shè)計風(fēng)速、基準高度(65%塔高)處設(shè)計風(fēng)速及馳振檢驗風(fēng)速如表1所示。1橋塔結(jié)構(gòu)設(shè)計結(jié)構(gòu)自振特性反映了結(jié)構(gòu)振動的基本特性,是進行模型風(fēng)洞試驗及風(fēng)致振動研究的基礎(chǔ)。采用有限元法對橋塔結(jié)構(gòu)進行單元離散,墩柱及橫梁均采用空間梁單元進行模擬。結(jié)構(gòu)前5階模態(tài)的頻率及振型特點如表2示。2風(fēng)洞的第一測試2.1模型參數(shù)的確定根據(jù)力學(xué)相似理論,用于風(fēng)洞試驗的氣動彈性模型應(yīng)遵循下述準則:即在原型(實橋)和模型之間保持下列無量綱參數(shù)的一致性:彈性參數(shù)、慣性參數(shù)、風(fēng)速參數(shù)、阻尼參數(shù)、粘性參數(shù)等。在氣動彈性模型設(shè)計中,彈性參數(shù)、慣性參數(shù)的一致性條件必需要嚴格滿足,才能保證模型的結(jié)構(gòu)動力特性以及模型的位移、內(nèi)力等力學(xué)參量與原型相似。模型的幾何縮尺比定為CL=1/100。根據(jù)XNJD-1風(fēng)洞第一試驗段的風(fēng)速范圍,兼顧橋塔渦激振動試驗和馳振試驗對風(fēng)速的要求,模型設(shè)計時對彎曲振動和扭轉(zhuǎn)振動取不同的風(fēng)速比,即:對于順橋向和橫橋向振動,風(fēng)速比取為CU=1/4,由相似條件可得頻率比為Cf=25/1;對于扭轉(zhuǎn)振動,風(fēng)速比取為10,由相似條件可得頻率比為Cf=10/1。關(guān)于粘性參數(shù)的一致性條件,目前縮尺模型風(fēng)洞試驗中無法滿足。鈍體空氣動力學(xué)研究表明,對于橋梁結(jié)構(gòu)這類鈍體,粘性參數(shù)條件并不顯著影響其繞流的流態(tài)相似。南京三橋橋塔系鋼結(jié)構(gòu)其阻尼較小,在模型設(shè)計和制作中盡可能降低系統(tǒng)阻尼,使模型主要模態(tài)的阻尼比達到要求。2.2頻率和阻尼測試模態(tài)測試的目的是檢驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)動力特性是否與原型計算值之間滿足相似關(guān)系。對于低頻振動采用初始位移法測試頻率和阻尼,對于高頻振動采用基于環(huán)境振動的頻譜分析確定頻率。表3列出了模態(tài)試驗的主要結(jié)果。從表3可以看出:模型重要模態(tài)的頻率測試值與要求值吻合良好,這說明,南京三橋橋塔氣動彈性模型的設(shè)計與制作可滿足試驗要求。同時,模型的主要模態(tài)的阻尼比也在合理范圍之內(nèi)。2.3振動切角形式的確定渦激振動是一種限幅振動,對結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和阻尼較為敏感,當結(jié)構(gòu)質(zhì)量和阻尼均較小時,渦激共振振幅可能很大。渦激振動易使結(jié)構(gòu)構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞。南京三橋橋塔的塔柱截面為帶切角矩形,斷面較為鈍化。此外,塔柱采用鋼結(jié)構(gòu),其質(zhì)量和阻尼均較小,易發(fā)生渦激共振。因此,常遇風(fēng)速下的渦振響應(yīng)是南京三橋橋塔的主要振動形式。馳振是一種由氣動負阻尼效應(yīng)引起的發(fā)散性的自激振動,其振動形態(tài)可能是橫風(fēng)向彎曲振動,也可能是扭轉(zhuǎn)振動。已有研究表明,結(jié)構(gòu)發(fā)生馳振的臨界風(fēng)速與結(jié)構(gòu)的質(zhì)量及阻尼比均呈正比。南京三橋橋塔較高,質(zhì)量和阻尼均較小,因而有發(fā)生馳振的可能性。基于結(jié)構(gòu)的渦振及馳振性能,共進行了9種切角形式(如表4所示)的氣動外形比選,針對每一種切角形式進行了5種β角的振動特性測試。試驗來流為均勻流,β角以22.5°遞增。,模型β角為0度時表示順橋向吹風(fēng),模型β角為90°時表示橫橋向吹風(fēng)。2.4切角對渦流振的影響試驗結(jié)果表明,β=90°時(橫橋向吹風(fēng)),模型發(fā)生了明顯的順橋向渦激振動和具有發(fā)散性質(zhì)的扭轉(zhuǎn)振動,其它β角條件下未觀測到明顯的渦振或其它振動。圖3顯示了β=90°時九種切角斷面的渦振情況,由圖可見,切角為1.2m×0.6m時渦振響應(yīng)最大,實橋塔頂全振幅達1730mm,切角為0.8m×0.6m時渦振響應(yīng)最小,實橋塔頂全振幅僅為320mm,推薦采用0.8m×0.6m的切角形式。此外由圖3還可以看出當切角較小時(如切角0.0m×0.0m、切角0.3m×0.3m及切角0.6m×0.6m)渦振的發(fā)振風(fēng)速明顯變小,并可能出現(xiàn)兩個渦振區(qū)。圖4、圖5給出了不同切角長寬比渦振響應(yīng)的對比情況,由圖可以看出,當切角長寬比較大時,其渦振響應(yīng)亦較大。圖6為不同切角斷面扭轉(zhuǎn)響應(yīng)隨風(fēng)速變化情況。由圖可見,這種扭轉(zhuǎn)振動是一種帶有發(fā)散性質(zhì)的馳振,其最低發(fā)振風(fēng)速(臨界風(fēng)速)為65m/s,高于該橋塔的馳振檢驗風(fēng)速。因此,各種切角情況下橋塔的馳振均不會對結(jié)構(gòu)的安全性帶來危害,在氣動選型中可不予考慮。3第二次氣動彈性模型的風(fēng)洞試驗3.1模型設(shè)計及對比由圖3可見,南京三橋橋塔順橋向渦振響應(yīng)發(fā)振風(fēng)速較低,模型的部分試驗發(fā)振風(fēng)速低于1m/s。當風(fēng)速過低時,風(fēng)洞的流場品質(zhì)及試驗精度難以保證,且風(fēng)速的調(diào)節(jié)不易控制,可能會漏掉最大值。另渦激共振的“鎖定”現(xiàn)象,進一步增加了捕捉渦振響應(yīng)最大值的難度。為確保南京三橋橋塔氣動選型的可靠性,我們根據(jù)上一次試驗的結(jié)果,重點針對順橋向渦振,將模型風(fēng)速比提高(CU=1/3),重新設(shè)計制作了模型。并在重復(fù)原有九種切角形式的基礎(chǔ)上,增加了0.6m×0.8m的切角形式。3.2模型試驗?zāi)Ｐ偷哪B(tài)試驗結(jié)果如表5所示。3.3切角及切角時下內(nèi)云數(shù)之間的響應(yīng)圖7為β=90°時十種切角斷面的渦振情況。由圖可見,渦振響應(yīng)曲線風(fēng)速點密集,且規(guī)律性較好。切角0.8m×0.6m、切角0.6m×0.8m及切角0.6m×0.6m三種情況下的渦振響應(yīng)最小,盡管切角0.6m×0.8m及切角0.6m×0.6m時的響應(yīng)較切角0.8m×0.6m時的略小,但切角0.6m×0.8m及切角0.6m×0.6m時渦振發(fā)振風(fēng)速較低,渦振發(fā)生頻度較高。綜合比較以上十種切角斷面,以0.8m×0.6m的切角形式為最優(yōu)。3.4角對于2.8m0.7m的響應(yīng)在切角0.8m×0.6m的基礎(chǔ)上,較小地改變切角尺寸,增加兩種切角形式即0.9m×0.7m和0.8m×0.7m。同時,還進一步考查了這三種切角斷面當β角在90°附近變化時對渦振響應(yīng)的影響。圖8給出了這三種切角形式斷面在不同β角情況下的順橋向渦振響應(yīng)。由圖可見,對于切角0.8m×0.6m和切角0.8m×0.7m,當β角變小時結(jié)構(gòu)響應(yīng)亦變小,對于切角0.9m×0.7m,β角對結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響不大。三種切角斷面形式中,切角0.9m×0.7m的響應(yīng)最大,切角0.8m×0.7m的渦振響應(yīng)略小于切角0.8m×0.6m的?？紤]到切角0.8m×0.7m的渦振響應(yīng)最小,且便于施工,推薦采用該種切角形式。4切角大小對馳振的影響經(jīng)對南京長江三橋橋塔不同切角形式渦振及馳振特性的風(fēng)洞試驗研究,可得如下結(jié)論:(1)切角長寬比較大時,渦振響應(yīng)亦較大;切角尺寸較小時,渦振的發(fā)振風(fēng)速明顯變小