文摘
虽然并不总是导致灾难性的失败,涡激振动(韦夫)响应可以严重影响桥梁的疲劳寿命和功能,特别是对于独立双箱梁斜拉桥。本研究调查的影响三个气动措施:光栅、斜腹板,挡板分离箱梁斜拉桥。实验结果表明,光栅不同的开放率能有效控制涡激振动,本文和优化光栅开口率是40%。增加斜腹板的角度有很大的控制缓解的涡激振动。然而,有一个最佳角度,涡激振动的振幅是最小的在低风速。涡激振动的振幅变大的web倾斜角的增加超过了最佳角度。相对,双方挡板安装在斜网更有效抑制涡激共振。计算流利动力学(CFD)软件是用来调查实验结果的机制。
1。介绍
涡激振动(韦夫)是一个典型的风致振动,特别是大跨度桥梁。由于非线性流体结构相互作用,涡激振动(韦夫)展示了极限环振荡(LCOs)。尽管并不总是导致灾难性的失败,韦夫响应可以严重影响疲劳寿命和功能的建筑。应该注意的是,大多数研究的焦点在过去的韦夫圆柱(1- - - - - -11];然而,薇芙大桥,一个典型的钝头体结构作品,展览从圆柱大大不同的流动特性。为了研究大桥物的涡激振动的特点,许多研究人员已经从几个方面做了很多工作。小松和小林12)进行了一系列的实验在不同横截面比例与各方面,所以他们指出,卡门涡街(后缘产生的)和motion-induced涡(产生的前缘)的两个主要来源韦夫虚张声势的移动气缸。受伤和松本13]调查五简化桥面横截面与不同纵横比指导甲板优化向薇芙响应降低。结果表明,桥甲板与后方的身体更有效减轻韦夫更长。松本et al。14]调查之间的交互卡曼和motion-induced漩涡矩形筒的长宽比4:1和六角箱形梁/无扶手;薇芙的实验结果表明,两种模型本质上是兴奋的motion-induced漩涡被卡门旋涡的存在减轻。然而et al。15]研究了雷诺数效应的韦夫昂船洲桥。看来桥面附件(例如,纵向导流叶片和维护龙门rails)低效率在减轻韦夫响应在低雷诺数与高雷诺数。欧文et al。16)监测Kessock大桥的“开放截面”,并指出它需要一定的时间来建立一个大的振幅响应韦夫相应的涡旋脱落后发生。减少强烈韦夫反应观察Rio-Niteroi大桥钢双箱桥面,罗纳尔多和米歇尔(17)设计的被动和主动控制装置,大大减少或停止韦夫从现场观察到的更大的强度。新兴的计算能力的增长,CFD是成为一个强大的工具在结构风致效应的分析。藤原et al。18]调查韦夫大桥的三种类型的弹性安装边梁横截面的二维域通过n - s方程的直接集成。野村证券(19)调查的韦夫Tacoma-like桥面(thin-H部分的长宽比5)在2 d域基于有限元法使用场公式。
最近,Zhang et al。20.]研究摘要西堠门大桥韦夫甲板(双箱)和各种按比例缩小的模型。实验结果表明,在低雷诺数的情况下,“锁定”出现在更高领域的阻尼比和较大的振幅和更广泛的风速范围相比,高雷诺数情况下。李等人。21,22]研究了韦夫吊桥的双箱形梁和1650中心。是确定结构运动涡旋脱落强度增加;“锁定”阶段的涡旋脱落不仅大桥发生在两者之间的差距和下游末端的甲板部分在薇芙的早期阶段,但也发生在上游的尾端甲板部分在整个下游甲板表面低。马拉et al。23)利用范德Pol-type方程来模拟桥甲板的薇芙。这是观察到的方程是一致的物理特征的现象。帕蒂尔et al。24]研究了阻尼的平衡措施,由此产生的成本通过制定问题,多目标优化问题。搜索引擎优化等。25]讨论了干扰影响薇芙在一个平行的双胞胎斜拉桥。结果表明,几个修改的空气动力添加剂没有有效地减少薇芙,但结构阻尼的增加有效减轻振动。朱et al。26)进行了新的改进经验非线性涡激力的模型被证明是更适合于有关大桥平面闭盒比斯坎兰的经验非线性模型。金等。27)研究的深层干扰韦夫两平行斜拉桥对下游和上游的相互运动甲板现场监测。可以看出阻尼力和风力对互动韦夫方向有很大的影响。Morgenthal et al。28)进行了pseudo-three-dimensional涡实用方法的延伸。
在本文中,我们讨论了不同气动措施的影响的韦夫独立双箱梁通过风洞试验,试图解释他们的控制机制通过计算流利动力学(CFD)技术。关闭框梁相比,单独对箱梁的颤振稳定性明显改善,,然而,由高韦夫可能性[补偿29日,30.]。为了抑制薇芙与单独对箱梁桥的,重要的是要选择一个适当的空气动力配置。然而,到目前为止,相应的报告基于单独的空气动力学研究箱梁相对较少。
2。工程背景
Hongkong-Zhuhai-Macao河海运河大桥主桥斜拉桥,是129 + 258 + 258 + 129年跨度完全(774米)。使用单一的列类型塔的桥梁。它的任何塔的高度是96米。整体梁的宽度是38.8米。部分的中心线的高度是4米。标准梁的横截面图所示1。桥的主要振动模式如表所示1。
3所示。实验研究
3.1。一般
为了研究薇芙的特点,进行节段模型的振动测量测试CA-1大气边界层风洞的长安大学,确定最佳VIV-resistant桥的措施。测试设置包括旋转机制,激光加速度传感器,激光位移传感器、DAWON采集系统和计算机数据采集和处理。
3.1.1。设置
弹簧悬挂模型的规模比1:45是由使用铝合金作为脊柱泡沫填料和环氧树脂板外套。机械弹簧的连接旋转机制,用于调整风攻角。图2显示了段振动测量模型悬浮在风洞。相似性因素表中列出2在测试之后。
如图3最后,两个激光位移传感器排列的光束等距中心。垂直弯曲位移和扭转响应的值可以通过代数和代数差分操作由激光位移传感器测量。两个加速度传感器在刚性臂等距排列从中心为了验证数据。
3.1.2。测试条件
薇芙通常发生在低风速。在该测试中,5米/秒的风速范围到35米/秒。风攻角−3°,0°,分别和+ 3°。阻尼比的垂直弯曲和扭转是0.21%和0.23%,分别。考虑小湍流对激振动的振幅的影响,测试是在均匀流进行保守。
3.2。风洞试验
它可以从风洞试验的结果有两个韦夫部分甲板。第一个是在8.37米/秒的风速11.47米/秒,129.955毫米的峰值振幅观察到风攻角为0°和3°;另一种是在18.6米/秒的风速31.31米/秒,205.960毫米的峰值振幅观察到风攻角−3°。第一个是垂直弯曲韦夫,另一种是扭转薇芙。原梁薇芙的特点如表所示3。为了减轻韦夫,研究了若干措施。
3.2.1之上。光栅
如图4光栅附着在中央开槽的大梁。被定义为光栅比率,在哪里光栅的轮廓宽度和吗的腔宽度光栅。不同比率的值可以通过调整。
为了得到一个最佳的开放率,本研究使用五开放比率,即0%,20%,40%,60%,和80%,通过比较他们的韦夫振幅与拟议的甲板上。
3.2.2。角斜网络
腹板斜角度的定义是倾向之间的角度(钝角)网络和底部,如图5。本研究侧重于web板倾斜角的影响在薇芙通过设置角为119°,129°和139°,分别。
3.2.3。挡板
挡板两侧斜网和中部槽的位置,分别。前条件下,挡板设置平行的斜网和底板的模型。挡板和模型之间的距离是15毫米,和挡板的长度到底板,平行斜web 15毫米和25毫米,分别。在后一种情况,挡板设置15毫米的距离底板和15毫米深度进入中央开槽。挡板位于中央开槽底板45°。布局如图6。
为了比较不同措施对韦夫抑制的影响,测试用例排列如下。
例0。原梁(100%的光栅开口率,一个web倾斜角度109°,和没有挡板)。
案例1。光栅开口率0%。
案例2。光栅开口率20%。
案例3。光栅开口率40%。
例4。光栅开口率60%。
例5。光栅开口率80%。
案例6。119°角的倾斜。
例7。129°角的倾斜。
案例8。139°角的倾斜。
例9。侧挡板。
例10。中央挡板。
3.3。测试结果
3.3.1。光栅
根据风洞试验,梁的韦夫特征与不同的开放率在不同风攻角图所示7。
(a)韦夫大梁的光栅不同的开放率在0度的风攻角。
(b)韦夫大梁的光栅不同的开放率在风攻角3度。
(c)韦夫大梁的光栅不同的开放率在风攻角−3度。
在图7风攻角为0°时,不管光栅开口率,弯曲韦夫克制,但扭转韦夫是复杂的特点。当光栅开口率是20%,弯曲韦夫明显减轻。光栅开口率的40%、60%、和80%,弯曲和扭转韦夫都极大地限制。风攻角的−3°和+ 3°,当光栅开口率是40%,弯曲韦夫减轻,扭转韦夫是有效地减少。从上面的,很明显,光栅开口率为40%是最好的。这表明,有一个最佳开放比抑制或减轻薇芙。
3.3.2。角斜网络
在图8弯曲韦夫,风攻角为0°,是否3°,或−3°,幅度是最小的,当web夹角是119°。随着角度的增加,弯曲薇芙的振幅增加,该地区的锁定风速韦夫变得狭窄,和薇芙的速度开始减少。
(a)韦夫梁的不同角度倾斜的web的风攻角0度。
(b)韦夫大梁的风攻角的不同角度倾斜的web 3度。
(c)韦夫大梁的风攻角的不同角度倾斜的web−3度。
扭转薇芙,当斜web的角增加,风攻角为0°,3°,或−3°,一开始的速度韦夫将成为低,薇芙的锁定区域狭窄,激振动的振幅更大。其中,当web夹角为119°,风攻角是−3°,韦夫幅度仍不能满足的要求抗风设计规范高速公路。当web夹角为129°,薇芙将极大地限制。此外,当web夹角为139°,韦夫甚至会消失。
最重要的是,增加的角度倾斜网络可以有效地抑制扭薇芙。web夹角越大,控制效果就越好。然而,弯曲韦夫,存在一个最佳角度的幅度是最小的。激振动的振幅与web倾斜角增加超过最佳角度。如今,大多数研究者只关注薇芙在较低风速但忽视韦夫更高的风速。然而,当风速在桥的位置迅速增加,在高风速韦夫不容忽视。
3.3.3。挡板
在图9薇芙将几乎总是发生在挡板两侧斜网。当挡板设置中间甲板的中央位置,薇芙仍然和锁定风速地区几乎不会发生变化。尽管弯曲薇芙的振幅要小得多,扭转激振动的振幅降低无关紧要的3°和−3°风攻角。很明显,挡板两侧的斜网更有效抑制薇芙。
(一)韦夫梁在风攻角与挡板的0度。
(b)梁与挡板的韦夫风攻角3度。
(c)韦夫梁在风攻角与挡板的−3度。
4所示。讨论
4.1。一般
为了研究薇芙的机制在不同的情况下,计算流利动力学(CFD)技术是用来解释激振动的机理。从测试结果看,弯曲的锁定风速在不同条件下薇芙都接近10 m / s。在接下来的CFD分析,风速10 m / s,而风攻角是0°。自韦夫桥是在垂直方向,主梁的垂直风压力作为韦夫评价的指标。
4.2。CFD分析不同的措施
如今,大多数的CFD分析案例关注封闭箱形断面甲板的桥梁。本研究试图利用CFD研究不同气动措施的机制独立双箱梁。
4.2.1。准备光栅
在图10,甲板表面周围的气流相对较慢,当光栅的开放率是0%或20%,分别。然而,该地区周围的气流是远离梁以更高的速度移动。在这种情况下,静止气流梁的上下表面容易产生空气压力。显然,上表面的低速气流更比下表面,导致空气压力的很大的区别。最大的区别的空气压力将迫使主梁在垂直方向振动。当开幕式比例是100%,80%,60%,分别有一个伟大的上下表面之间气压分布的差异,这将导致梁的垂直振动。当开幕式比例是40%,几乎没有区别的空气压力之间的上、下表面的甲板上,和下游风速远离在梁的梁小于。这将使气流很难保持梁表面诱导垂直空气压差。
(a)部分的流场跟踪与光栅的开放率100%
(b)段的流场跟踪与光栅的开放率80%
(c)流场跟踪部分与光栅的开放率60%
(d)部分的流场跟踪与光栅的开放率40%
(e)流场跟踪部分与光栅的开放率20%
(f)段的流场跟踪与光栅的开放率0%
4.2.2。角斜网络
在图11,当风速设定在10 m / s和网络板夹角为109°,附近的风速的不同网络是最大的,其次是在web板倾斜角度119°和129°。当web板夹角为139°,风速在梁的区别是最小的。这个谓词,减少固定梁和很难产生气流的空气压力会导致梁的垂直振动。在这种情况下,一旦发生振动,振幅较大可能小空气压力在梁的区别。然后气流可以保持更容易在梁的上下表面,这将有助于薇芙。
(一)流场跟踪109度的部分。倾斜角度的网络
(b)流场跟踪119度的部分。倾斜角度的网络
(c)流场跟踪129度的部分。倾斜角度的网络
(d)部分的流场跟踪139度。倾斜角度的网络
4.2.3。挡板
如图12失踪的挡板,风速较低之间的web和底部和更高的风速在该地区远离大梁,这将很容易诱发涡在梁和导致激振动的发生。当挡板安排两边的斜网在低风速、挡板将迫使正涡斜web下游附近的梁移动远离梁。正涡上方的负涡从圆形变成一根细长的椭圆形状和进一步扩展由于下游迁移的积极的漩涡。通过指导下游气流,气流不单独在梁的前端,但移动挡板的方向指导。经过画廊由挡板、主梁的底部的气流将打破了尾流涡在一定的速度。当气流经过网络和底板之间的角落,风速会增加明显削弱的影响涡激振动空气动力,这样会迅速消失。
(a)部分的流场跟踪与困惑
(b)段的流场跟踪没有挡板
5。结论
独立双箱梁的韦夫特点从理论上探讨斜拉桥和实验。从节段模型风洞试验和计算流体动力学分析,可以得出以下结果:(1)不同的光栅开口率可以有效地控制梁的薇芙。有一个光栅的最佳开比,薇芙的可以最有效地控制;(2)增加倾向于web的角可以有效地抑制梁的扭转薇芙。web夹角越大,控制效果就越好。的弯曲韦夫桥,有一个最佳角度幅度是最小的。激振动的振幅与web倾斜角增加超过最优角度;(3)中央挡板和双方挡板韦夫梁的控制是有效的,尤其是对梁的两侧挡板;然后梁的韦夫很难发生。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
本文是由陕西教育部门的特殊研究项目,在批准号14 jk1436。作者感谢长安大学风洞实验室的实验仪器、设备和供应也感谢李教授j .他的建设性意见。