半封闭式风嘴PK断面钢箱梁桥气动性能研究.pdf

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1、一s一⋯G一◎半封闭式风嘴PK断面钢箱梁桥气动性能研究李陆蔚．王达磊(同济大学桥梁T程系，上海200092)摘要：风嘴作为可有效地提高大跨径缆索承重桥梁抗风性能的气动措施而被广泛地采用。然而，针对实际工程中提出的一种新型的半封闭式风嘴主梁的气动性能研究较少。以某PK断面钢箱梁独塔斜拉桥为工程背景．采用风洞试验和理论分析相结合的手段．对这种半封闭式风嘴桥梁的颤振稳定性能进行了研究。结果表明：该断面成桥和施工状态的颤振驱动机理是不同的，半封闭式风嘴桥梁具有很好的颤振稳定性。针对采用半封闭式风嘴与全封闭式风嘴主梁在颤振、涡激共振以及结构风荷载响应等方

2、面的比较表明：两者的气动性能差异较小。鉴于半封闭式风嘴良好的气动性能和结构维护方面优点．可应_f_}j于实际工程之中。关键词：半封闭风嘴；颤振；节段模型试验；PK断面钢箱梁0引言大跨径缆索承重桥梁属于典型的柔性风作用敏感结构。自1940年美国Tacoma大桥发生桥梁颤振失稳事故之后，大跨径桥梁的气动稳定性就成为了桥梁风工程研究的重要问题之一㈠2I。针对主梁的气动外型抗风设计可以有效地改善桥梁的抗风性能。例如二战后欧洲各国采用了薄壁箱型加劲梁．极大地提高了桥梁气动稳定性。后续还有诸如风嘴、导流板、中央开槽等一系列气动措施[361在现代大跨桥梁设计

3、中得到了广泛地应用。其中，风嘴作为最为常见的主梁气动措施，为大跨径缆索承重桥梁所普遍采用。针对风嘴对桥梁结构颤振稳定性的影响问题。Larsen一一的研究表明选择适当的风嘴可以大幅度提高桥梁的颤振稳定性。杨泳昕等?针对风嘴对于闭口箱梁的颤振性能做了一系列风洞试验研究，并利用气动导数对于颤振发生机理进行了阐释。孟晓亮等[8。研究了风嘴角度对于钢箱梁颤振和涡激共振的影响。但是在实际的桥梁工程中．由于施工以及检修的需要，考虑采用一种新式的半封闭式风嘴，如图1所示。显而易见的是，在来流风作用下，不封闭区域中容易产生涡流滞留一一。然而近年来对于流线型钢箱梁

4、确定的流动分离点位置又暗示这种开口可能不对桥梁气动性能形成关键的影响。由于这种半封闭式风嘴对于桥梁气动性能的影响尚属未知，还有待进一步研究。收稿日期：2016一04—28基金项目：中央高校基本科研业务费专项资金(20140794)为此，本文以某PK断面主梁独塔斜拉桥为工程背景，采用风洞试验和理论分析相结合的手段，研究了这种半封闭式风嘴对桥梁颤振稳定性的影响。具体通过节段模型测振试验测定了成桥状态与最长单悬臂施1=状态的颤振临界风速以及颤振导数；依照不同的颤振驱动原则对主梁断面的气动阻尼和气动刚度进行分析，发现这种断面形式的成桥状态与施工状态是由

5、于不同的驱动机理导致的颤振失稳。半封闭式风嘴仍然可以有效地改善桥梁的气动性能。最后，与全封闭风嘴的对比研究表明：两种形式的风嘴在颤振、涡激共振以及静风荷载等方面并没有明显差异。由于半封闭式风嘴在施工、检修上的优点，可以考虑用其替代传统风嘴并广泛应用于实际工程。一川i』；驾曲y’一：{1一一二监一一；。”‘、罐融两fI址‘i葡卜川j』j⋯。

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7、梁结构断面布置图(单位：cm)l两种风嘴形式与节段模型试验以国内某PK断面钢箱梁独塔斜拉桥为例，该桥跨径组合为66+69+260一395m，边中跨比o．52，具体结构布置见图2。该桥主跨采用钢箱梁，桥面全宽40．5m，梁高3．5m。因桥梁在设计时需要将排水和电力管线布置在风嘴内部，为了便于对管线的日常管理，风嘴在设计中采用了半封闭形式。本文以该桥为工程背景，设计NO．22016上冯么缘47◎⋯⋯G—s一了半封闭风嘴节段模型试验．对其气动性能进行研究，其中半封闭的风嘴结构如图3(A1)所示。图2某斜拉桥桥梁结构布置总图(单位：m图3风嘴结构(单位

8、：mm)对采用半封闭式风嘴主梁节段模型进行了大气边界层风洞试验．主梁节段模型测振试验模拟结构竖向和扭转方向两个自由度的振动特性。节段模型采用l：70的缩尺比，悬挂于风洞中的测振试验模型如图4所示。表l给出了主梁节段模型的动力特性检验结果，各项误差均较小，模型可以精确地模拟实桥的气动性能。图4风洞节段模型测振试验(成桥状态表l节段模型动力特性检验成桥状态施T状态实桥值设汁值模型值误差实桥值设计值模型值误差，啭弯f、7Hz0．4262．98l2．984I)l()％0．32j3．1193．0063．63％扭转¨HzO．9166．J126．429()．

9、26％O．7307．0047．OljO．16％扭弯比2．1jl2．155{)16％2．24j2．2452．3343．94％竖弯阻尼比EhO．jO．2O