钝体断面列车对斜拉桥涡振稳定性影响的试验研(2)
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【关键词】
【摘要】:表1 节段模型试验参数表项目参数实桥值相似比模型值几何参数列车l(m)12λL=1∶(m)3.284λL=1∶(m)3.767λL=1∶主梁L(m)84λL=1∶(m)21λL=1∶(m)2.34λL=1∶质量参数m(kg·表1 节段模型试验参数表项目参数实桥值相似比模型值几何参数列车l(m)12λL=1∶(m)3.284λL=1∶(m)3.767λL=1∶主梁L(m)84λL=1∶(m)21λL=1∶(m)2.34λL=1∶质量参数m(kg·m-1)41 578.1λL=1∶(kg·m2·m-1)1 681 900.3λL=1∶频率参数fh(Hz)0.5808.2∶14.756ft(Hz)风速参数风速比-λv=1∶6.6-阻尼参数竖弯阻尼比(%)--0.5%扭转阻尼比(%)--0.5%
图3 节段模型横断面示意图(mm)
2.2 试验装置
主梁节段模型涡激共振试验在湖南大学风工程试验研究中心HD-2边界层高速试验段进行。节段模型采用8根弹簧自由悬挂方式固定,主梁下方对称布置4个激光位移计[17],用于测量主梁振动的位移时程,设备采样频率为100 Hz。模型前方布置与主梁等高的风速测定仪[17],能够对来流风速进行监测和记录。试验中位移时程通过东华系统[17]进行采集。节段模型测振系统如图4所示。
图4 节段模型测振系统示例图
2.3 涡振峰值限制
由于在试验过程中,均未观测到扭转涡振,因此本文的研究仅针对竖向涡振展开。基于目前铁路桥梁抗风设计缺乏相应的规范,故通常采用《公路桥梁抗风设计规范》[19](下文简称《规范》)标准进行判断,根据《规范》规定,成桥状态下主梁竖弯涡振容许振幅峰值为:
[h]=0.04/fh=0.04/0.580=0.069 m
RMS值:
3 试验结果及分析
涡振试验分定性分析和定量分析两个阶段进行。试验首先采用《规范》规定的阻尼比定性地研究了列车对桥梁涡振稳定性的影响,再通过减小阻尼比,使各工况下均出现涡振现象,进一步定量地讨论了列车气动外形对桥梁涡振性能的影响。
3.1 定性分析
为研究列车气动外形对桥梁涡振性能的影响,依据《规范》在阻尼比ζ=0.5%条件下进行了桥面无车和桥面迎风侧有车空载无盖板2种断面形式, +3°、0°和-3°风攻角下共6个工况的涡振试验。试验结果如下页图5所示。相比满载有盖板状态,空载无盖板状态的涡振稳定性更加不利,因此定性分析阶段没有进行满载有盖板工况的试验研究。
由图5可知,该桥在-3°风攻角桥面无车状态下,发生了明显的竖向涡激振动,临界起振风速为15 m/s,振幅达到0.071 m,超过了《规范》容许值0.049 m,表明该桥在-3°风攻角条件下的涡振性能是不稳定的,而在0°和+3°风攻角条件下具有良好的涡振稳定性;在锁定区间内,涡振频率与模型的竖向振动频率一致,为4.785 Hz(见下页图6)。当列车空载状态布置于桥面迎风侧时,并未出现涡激共振,这表明列车的存在避免了涡振的出现,对桥梁涡振具有抑制作用,更确切地说,列车的存在使桥梁在-3°风攻角条件下具有较好的涡振稳定性。
图5 主梁竖向涡激振动曲线图(ξ=0.5%)
(a)时程曲线
(b)频谱图图6 16.75 m/s风速时实桥竖向涡激振动曲线和频谱图
3.2 定量分析
为了进一步研究列车对桥梁涡振稳定性的影响,需使主梁在不同攻角下均发生涡激振动,从而定量地比较列车气动外形对主梁涡振性能的影响,因此有必要在低阻尼条件下进行相关的涡振试验。
将阻尼比由0.5%降低到0.2%,分别进行了桥面无车、桥面有车空载和满载3种断面形式,+3°、0°和-3°风攻角下共9个工况的涡振试验,其中桥面有车状态时,列车均位于所受风荷载略大的迎风侧。试验中各工况下均观测到了竖向的涡激振动,并未观测到扭转涡振现象,试验结果如图7~9所示。
图7 +3°风攻角竖向位移RMS值-风速曲线图
(1)+3°风攻角不同断面涡振性能的比较。从图7可以看出,+3°风攻角时,相比桥面无车状态(起振风速17.5 m/s、锁定风速区间长度5.04 m/s、振幅0.121 m),桥面有车状态下的起振风速提前,涡振锁定风速区间长度及振幅增加较大,因此列车的气动外形对主梁涡振十分不利,这主要是由列车在这一攻角下的钝体效应最为明显造成的。相比桥面有车无盖板状态(起振风速14.8 m/s、锁定风速区间长度10.47 m/s、振幅0.187 m),桥面有车有盖板状态的起振风速提高较大,为16.6 m/s,涡振锁定风速区间长度相对较小,为8.9 m/s,振幅下降较大,为0.152 m,因此列车满载状态较空载状态时对涡振更为有利。究其原因,列车空载与满载在断面上虽然只是极微小的变化,但在实际运营中,+3°风攻角时盖板处于背风侧,在某种程度上具有导流作用。
(2)0°风攻角不同断面涡振性能的比较。由图8可知,0°风攻角时,相比桥面无车状态(起振风速15.4 m/s、锁定风速区间长度5.95 m/s、振幅0.186 m),桥面有车状态下的起振风速略有提前,振幅也有所增加,涡振锁定风速区间长度与+3°风攻角时基本相同,表明列车的气动外形对主梁涡振不利,原因与+3°类似,仅程度有所减小。相比桥面有车无盖板状态(起振风速14.4 m/s、锁定风速区间长度11.13 m/s、振幅0.230 m),桥面有车有盖板状态的起振风速(14.7 m/s)与涡振锁定风速区间长度(10.80 m/s)基本相同,振幅有所下降,为0.206 m,表明列车满载状态较空载状态对涡振稳定性略为有利,这与+3°风攻角时的试验结果基本一致。究其原因,由于在0°风攻角时,盖板处于水平状态,其导流作用受到削弱。
文章来源:《采矿与安全工程学报》 网址: http://www.ckyaqgcxb.cn/qikandaodu/2021/0205/459.html