設(shè)置分段式聲屏障橋梁的渦振幅值反演方法

　　摘 要：大跨橋梁的渦激共振常采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)量。由于節(jié)段模型試驗(yàn)建立在二維理論上，當(dāng)橋梁由于分段式聲屏障導(dǎo)致沿跨向存在多種氣動(dòng)外形時(shí)，渦振響應(yīng)難以通過節(jié)段試驗(yàn)直接測(cè)量。本文基于線性渦激力模型提出考慮多氣動(dòng)外形影響的節(jié)段-實(shí)橋渦振幅值反演方法。首先分別對(duì)帶屏障與無屏障段截面進(jìn)行節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)。然后通過諧響應(yīng)頻域分析，反演全跨布置與不布置屏障兩種工況的實(shí)橋渦振幅值，獲得對(duì)應(yīng)的渦激荷載。最后根據(jù)聲屏障實(shí)際布置位置分段施加渦激荷載，得到設(shè)置分段式聲屏障橋梁的實(shí)橋渦振響應(yīng)。此外，基于本文方法，對(duì)不同聲屏障布置方案進(jìn)行了參數(shù)分析與討論。試驗(yàn)結(jié)果表明，全封閉聲屏障會(huì)顯著降低主梁抗風(fēng)性能，屏障的分段布置對(duì)整體渦振影響較大。本文方法可通過二維模型試驗(yàn)結(jié)果直接估算多氣動(dòng)外形橋梁的全橋渦振響應(yīng)。基于該方法的計(jì)算結(jié)果表明，聲屏障布置應(yīng)在滿足降噪條件下盡量布置于邊跨，若布置長(zhǎng)度超過橋塔位置，須盡量縮短布置長(zhǎng)度以減小渦振響應(yīng)。

　　關(guān)鍵詞：大跨橋梁;渦激振動(dòng);聲屏障;節(jié)段模型;振幅換算

　　李永樂; 潘俊志; 遆子龍; 饒綱， 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào) 發(fā)表時(shí)間：2021-11-18

　　引 言

　　聲屏障因其良好的降噪效果而被廣泛應(yīng)用在城市軌道橋梁中。由于其改變了主梁斷面氣動(dòng)外形，對(duì)橋梁抗風(fēng)性能影響較大[1]。在各種聲屏障形式中，全封閉聲屏障降噪效果最佳，韓旭[2]針對(duì)高速鐵路橋梁全封閉聲屏障的氣動(dòng)性能進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，屏障顯著改變了橋梁的氣動(dòng)外形，可能降低橋梁抗風(fēng)性能。因此，由聲屏障帶來的抗風(fēng)問題值得關(guān)注。

　　大跨度橋梁柔度較大，在周期性風(fēng)荷載作用下易產(chǎn)生渦激共振。渦激共振雖然對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)危害有限，但會(huì)對(duì)行車舒適度、行車安全性、結(jié)構(gòu)疲勞造成不利影響[3]，因此避免發(fā)生渦激振動(dòng)或限制其振幅在可接受的范圍之內(nèi)具有十分重要的意義。渦激荷載是渦振研究的重點(diǎn)，目前渦激荷載存在多種理論，如經(jīng)驗(yàn)線性模型、升力振子模型、Scanlan 經(jīng)驗(yàn)線性與非線性模型等。周帥等[4]對(duì)大跨橋梁渦振幅值常用估算方法進(jìn)行了相關(guān)研究，對(duì)幾種主要的渦激力模型進(jìn)行了對(duì)比與總結(jié)，結(jié)果表明采用線性渦激力模型可以在計(jì)算精度得到保證的前提下大幅簡(jiǎn)化試驗(yàn)與計(jì)算流程。

　　1 項(xiàng)目概況

　　橋跨及聲屏障布置如圖 1 所示。聲屏障為全封閉式聲屏障，即上弦桿下緣至下弦桿上緣均被聲屏障覆蓋，截面形式由典型的空間桁架梁變?yōu)榻茙舯鄣南淞海髁航孛婕奥暺琳闲问揭妶D 2。

　　2 試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

　　通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行渦振性能分析，采用剛性節(jié)段模型以模擬其氣動(dòng)外形，采用彈性支承以模擬其動(dòng)力特性。節(jié)段模型主梁尺寸為 2.095m× 0.576m×0.195m，模型安裝見圖 3。材料采用 ABS 塑料與木材，縮尺比為 1:64.44，試驗(yàn)嚴(yán)格依照規(guī)范要求，滿足外形與動(dòng)力相似準(zhǔn)則。

　　試驗(yàn)風(fēng)速控制在 0-7m/s，控制風(fēng)速基本步長(zhǎng)為 0.05-0.13m/s，對(duì)應(yīng)實(shí)橋風(fēng)速 0.24-0.63m/s，分別對(duì)成橋態(tài)帶屏障、不帶屏障兩種模型在-3°、0°、+3° 攻角進(jìn)行試驗(yàn)，使用激光位移計(jì)測(cè)量各工況下豎向與扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)響應(yīng)，試驗(yàn)結(jié)果見圖 4。

　　通過試驗(yàn)結(jié)果可知，對(duì)于無聲屏障節(jié)段模型，+3° 攻角下存在豎彎與扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)間，其余攻角則無明顯渦振。對(duì)于帶聲屏障節(jié)段模型，由于加裝屏障后，主梁透風(fēng)率顯著下降，氣動(dòng)外形急劇鈍化，結(jié)構(gòu)渦振性能顯著下降，-3°、0°、+3°攻角下均存在渦振區(qū)間，且 0°、+3°攻角豎向渦振幅值超過規(guī)范限值。由此可見聲屏障影響了橋梁氣動(dòng)外形，對(duì)渦振性能有較大影響。

　　3 渦激振動(dòng)有限元反演方法

　　由式(1)線性渦振模型可以看出，結(jié)構(gòu)的渦振運(yùn)動(dòng)可以用簡(jiǎn)諧響應(yīng)描述，因此可利用諧響應(yīng)分析在頻域下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)渦振振幅的反演。通過節(jié)段風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了帶屏障和不帶屏障的主梁渦振風(fēng)速區(qū)間及實(shí)橋?qū)?yīng)響應(yīng)幅值?。在諧響應(yīng)分析中，由于此時(shí)沿跨向渦激力幅值 Ai 是一常數(shù)，對(duì) Ai 進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，使得跨中穩(wěn)態(tài)響應(yīng) l/2 y 滿足 l/2 y ??。即通過調(diào)整 Ai 使得跨中節(jié)點(diǎn)渦振響應(yīng)幅值為通過試驗(yàn)換算得到的渦振響應(yīng)幅值 η，此時(shí)各節(jié)點(diǎn)位移即為實(shí)橋反演渦振位移。由于?是通過二維節(jié)段模型得到，此時(shí)的實(shí)橋反演位移代表的是全橋均布置或不布置聲屏障時(shí)的位移。針對(duì)實(shí)際全橋分段布置聲屏障的情況，以下分三種工況分別討論其渦振反演方法：

　　4 反演結(jié)果

　　4.1 渦振力反演結(jié)果

　　由于經(jīng)驗(yàn)線性渦激力模型將渦激荷載看作作用于主梁上的簡(jiǎn)諧力，因此使用 ANSYS 諧響應(yīng)模塊進(jìn)行數(shù)值模擬。通過 ANSYS 建模并進(jìn)行動(dòng)力特性分析，得到結(jié)構(gòu)豎彎基頻為 0.221Hz，振型為對(duì)稱豎彎;扭轉(zhuǎn)基頻為 0.554Hz，振型為對(duì)稱扭轉(zhuǎn)。

　　根據(jù)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，在動(dòng)力模型上施加渦激荷載。渦激荷載采用節(jié)點(diǎn)力的形式加載于桁架節(jié)點(diǎn)。荷載的頻率取豎彎與扭轉(zhuǎn)基頻。對(duì)于豎向渦激振動(dòng)，將升力均分并加載于桁架斷面各縱梁節(jié)點(diǎn)。對(duì)于扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)，將扭矩加載于上橋面等效主梁節(jié)點(diǎn)。渦激荷載加載示意圖見圖 5。

　　4.2 全橋渦振反演結(jié)果

　　對(duì)加載渦激力后的模型進(jìn)行諧響應(yīng)分析，考慮豎彎與扭轉(zhuǎn)渦振對(duì)應(yīng)一階模態(tài)振動(dòng)，因此豎彎與扭轉(zhuǎn)渦振沿跨向最大幅值出現(xiàn)在跨中節(jié)點(diǎn)，故提取跨中節(jié)點(diǎn)豎向位移與扭轉(zhuǎn)角如表 2 所示。

　　5 屏障安裝長(zhǎng)度敏感性分析

　　基于上述理論與方法，可以對(duì)聲屏障最優(yōu)布置方案進(jìn)一步討論。通過對(duì)兩岸聲屏障布置長(zhǎng)度進(jìn)行遍歷，提取跨中渦振響應(yīng)幅值，得到聲屏障布置長(zhǎng)度與跨中渦振響應(yīng)曲線。

　　5.1 對(duì)稱布置方案

　　對(duì)于聲屏障對(duì)稱布置于兩岸，起點(diǎn)位于主梁兩端，終點(diǎn)不超過跨中的情況進(jìn)行諧響應(yīng)分析遍歷，得到布置長(zhǎng)度—響應(yīng)曲線如圖 7 所示。

　　如圖 7 所示，跨中渦振響應(yīng)隨布置長(zhǎng)度增大。當(dāng)單側(cè)布置長(zhǎng)度達(dá) 435m 時(shí)，即全跨布置聲屏障，跨中渦振響應(yīng)達(dá)到最值。對(duì)于豎向振動(dòng)，+3°風(fēng)攻角下渦振對(duì)布置長(zhǎng)度更為敏感，渦振響應(yīng)隨布置長(zhǎng)度明顯變化;對(duì)于扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，0°攻角下橋梁對(duì)布置長(zhǎng)度更為敏感。+3°攻角下扭轉(zhuǎn)響應(yīng)未隨屏障布置長(zhǎng)度而明顯變化。此外，當(dāng)聲屏障由邊跨向跨中布置長(zhǎng)度小于 135m 時(shí)，渦振響應(yīng)受布置長(zhǎng)度影響較小。當(dāng)布置長(zhǎng)度超過 135m 后，渦振響應(yīng)受布置長(zhǎng)度影響逐漸增大。這主要是由于邊跨較短且受橋塔與邊墩約束較強(qiáng)，使得渦激振動(dòng)不明顯。

　　5.2 非對(duì)稱布置方案

　　考慮更一般的情形，即考慮聲屏障不對(duì)稱布置，同時(shí)考慮聲屏障單側(cè)布置長(zhǎng)度超過跨中。結(jié)合實(shí)際情況將屏障起點(diǎn)仍設(shè)置在主梁端點(diǎn)是合理的。對(duì)上述情況進(jìn)行計(jì)算遍歷，結(jié)果如圖 8 所示。

　　由圖 8 可見，無論何種攻角、豎向或扭轉(zhuǎn)渦振，聲屏障所致渦振效應(yīng)均隨布置長(zhǎng)度而增加，與對(duì)稱布置情況一致。豎向渦振隨布置長(zhǎng)度正比增大，其斜率基本不變。扭轉(zhuǎn)渦振隨布置長(zhǎng)度同樣增大，但當(dāng)不對(duì)稱布置且單側(cè)布置長(zhǎng)度超過跨中時(shí)，曲面斜率發(fā)變化，具體變化為先變緩后變陡。此時(shí)單側(cè)長(zhǎng)距離聲屏障對(duì)扭轉(zhuǎn)渦振產(chǎn)生少許抑制作用。

　　6 結(jié)論

　　本文以某跨江大橋?yàn)槔瑢?duì)設(shè)置分段式全封閉聲屏障的主梁渦振進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)與全橋反演分析，得出的主要結(jié)論有：

　　(1)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，全封閉式聲屏障會(huì)顯著改變主梁的氣動(dòng)特性，影響橋梁的抗風(fēng)性能，較大地增強(qiáng)了主梁節(jié)段的渦激共振。

　　(2)本文通過基于經(jīng)驗(yàn)線性渦激力模型的諧響應(yīng)方法，對(duì)橋梁跨向各截面分別進(jìn)行節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，在頻域下估算全橋渦振響應(yīng)，避免了較高代價(jià)的全橋氣彈試驗(yàn)，提高了效率。計(jì)算結(jié)果表明，全橋渦振計(jì)算時(shí)，若忽略屏障分段布置的影響會(huì)使試驗(yàn)結(jié)果遠(yuǎn)大于實(shí)際情況。

　　(3)不同的聲屏障布置方案對(duì)實(shí)橋渦振響應(yīng)影響較大。跨中渦振幅值隨屏障布置長(zhǎng)度增加而增大，且聲屏障布置長(zhǎng)度超過橋塔后，渦振響應(yīng)隨布置長(zhǎng)度顯著增大。因此聲屏障的布置應(yīng)在滿足降噪要求的條件下盡量布置在邊跨部分，若必須超出橋塔位置，應(yīng)盡量縮短布置長(zhǎng)度以減小渦振響應(yīng)。

　　(4)本文所提出方法在未來將開展全橋氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證工作。