下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响

第39卷第19期
振动与冲击
JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.39 No. 19 2020下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响
郭俊杰$，唐浩俊李永乐陶齐宇2&蒋劲松2
(1.西南交通大学桥梁工程系，成都610031; 2.四川省交通运输厅公路规划勘察设计研究院，成都610041)
摘要：雅康高速泸定大渡河兴康特大桥跨越干热河谷区深大峡谷，其桥面中央设置了竖向稳定板以提高结构在复杂风环境下的颤振稳定性。

对于钢桁加劲梁而言，下稳定板的布置形式具有一定的可变性，为了进一步优化下稳定板
的抑振效果，研究了不同形式的下稳定板对该桥颤振性能的影响。

首先，通过风洞试验测试了不同位置的单稳定板及不
同形式的分离式稳定板对颤振临界风速的影响。

然后，建立简化的二维C FD模型，通过气动力输人能量的大小及流场的
变化规律对相应的气动机理进行了解释。

研究结果表明:设置稳定板后，各个攻角下的颤振临界风速均得到不同的提高，
尤其是在负攻角下。

当负攻角的绝对值较大时，扭转运动的不稳定性成为了颤振发生的主要原因，稳定板通过阻碍漩涡
移动、改变漩涡大小和增大迎风侧桥面板下侧负压区强度的方式提高扭转稳定性，因此，将中央稳定板设置为分离式竖向 的果。

关键词：稳定板'风洞试验;数值模拟;颤振性能;机理分析
中图分类号：U448.25 文献标志码：A D O I:10.13465/j.c n k i.0s. 2020.19.004
Effects of lower stabilizing plate forms onflutter performance of Xingkangte bridge
G U O J u n ji)，TANG H aojun\ LI YonglT, TAO Qiyu1，JIANGJinsong1
(1. Department of Bridge Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，C hina；
2. Highway Planing，Survey，Design and Research Institute，Sichuan Provincial Transport D epartm ent，Chengdu 610041，China)
Abstract:For the expressway connecting Ya/an and Kangding，Xingkangte Bridge over Dadu River at Luding crosses the deep Grand Canyon in dry-hot valley area.Vertical stabilizing plates are installed on the center of tlie bridge deck to improve the structural flutter stability under complex wind environment.For steel truss stiffened girders，layout form of lower stabilizing plates has a certain variability.H ere，in order to further optimize vibra lower stabilizing plates，effects of d ifferent forms of lower stabilizing plate on flutter performance of the brid Firstly，effects of a single stabilizing plate at different locations and separating type stabilizing plates with different forms
on critical flutter wind speed were tested in wind tunnel tests.Then simplified2-D C FD m o corresponding aerodynamic mechanism was e xplained with aerodynamic input energy values and varying laws of flow field. Study results showed that after installing stabilizing plates，critical flutter wind speeds at diffe especially，in cases of negative attack angles;when the absolute value of negative attack angle is larger，the instability of torsional motion becomes the main cause of flutter，stabilizing plates improve torsional stability through blocking vortex movement，changing vortex size and increasing strength of negative pressure area under the windward d eck，so it is better to set the central stabilizing plate as a separating type vertical stabilizing plate.
Key words ：stabilizing plate；wind tunnel test；numerical simulation；flatter performance；mechanism analysis
我国幅员辽阔，其中山区面积广大，占全国总面积 的69J。

随着我国西部大开发战略的深入推进，“一带 一路”倡议的贯彻落实，将有越来越多的大跨度桥梁在
基金项目：国家自然科学基金项目（51708463 ;51525804);中央高校基本 科研业务费专项资金资助（2682019CX04)
收稿日期：2019 -03-21修改稿收到日期：2019 -08-02
第一作者郭俊杰男，博士生,1994年生
通信作者唐浩俊男，博士，讲师,1988年生我国西部山区修建，抗风稳定性作为现代桥梁设计的 关键因素之一也随之受到了广泛的关注[1]。

为了确保桥梁的颤振稳定性，气动措施是最为常 用且可靠的方法。

大量研究证明，竖向稳定板是一种 十分有效的措施，广泛应用于大跨度桥梁中[23]。

稳定 板是沿桥跨方向设置的竖向结构，通常设置在桥面中 央，如Akashi Kaikyy Bridge、矮寨大桥、抵母河大桥等都 采用安装中央稳定板的方法提高颤振稳定性[47]。

近 年来，关于稳定板对颤振的控制机理也得到了进一步
20振动与冲击2020年第39卷
研究。

杨詠昕等[8]运用二维 合颤振分析方法对中央 的颤振控制效果和机理进行了 。

陈政清等利 主 的NACS对矮寨大桥进行了分析，结果表明中央 增强结构
的弯扭耦合程度。

白桦等[9]通过刘家峡大桥风 验了上、下央对桥 风速的 ，结果表明 、下 的效果要 单独布置，等[$〇]也得了的结论，并通过流场的变化阐述了 机理。

？n g等[11]现 来流风的增大，对颤振的 机 会发生变化，并与来流风和 的相对位 系。

但是，已有通 桥面 位置，了高度的 ，对 的位置及形式进化。

对 加 ，位桥
面上方，受车净空等因素，式为，通
通过封闭 撞护栏代替;但
是下 位 ，其安位置和形式、有的性，化性。

本文以兴康特大桥为背景，研究了下稳定板形式 对 性能的 。

首通过弹性悬挂模型风洞验，对比 了位置的单 及 式的分离式 对 风速的 。

然后基 CFD 值模拟，通过气动力输入能量的大小和流场的变化 律解释了相应的气动机理。

口，并设置竖向稳定板可提高桥梁的颤振稳定性[12]，但 综合 因素，桥面系中央 为部分透风的形式，透风率约'2. 7J，如图2所示。

兴康特大桥 跨越干热 区深大峡谷，其桥址区周围地势起伏较大，两岸山峰与 之间的 大，成从 下的来流风，从使桥位处负攻角的，风的概率统计均值达到了 -4.46〇[13]。

桥面系中央平面图
1■r im版. i fp tg g b L—J11
:i z s
T-
725625625725
图2加劲梁断面图（cm)
Fig.2 Cross section of the stiffening girder( cm)
1节段模型风洞试验
!1工程背景
兴康特大桥是 大跨度悬索桥，位四川甘孜
藏族 州 县大 面上，是康高路的重点 性工程之一。

桥址区位于高地震烈度带、海拔高、风场及 场环境复杂，被为“川 桥”。

该桥主跨1 100 m，主缆跨度布置为#220 m+ 1 100 m+ 253 m，全桥 主缆，缆心横向距为273m，如图1所示。

图1兴康特大桥
Fig.1Xingkang Bridge
兴康特大桥加劲梁采用钢桁梁，主桁桁宽27. 0 m、桁高8.2 m，了分离式的桥道系，间距约5.9 m。

前 结果表明封闭 桥道系之间的槽! 2试验参数
试验在西南交通大学XNJD—1工业风洞第二试验 段中进行，试验 为2.4 m x2.0 m x16.0m(宽X 高X长），该验门进行桥 模 力试验的 ，模 8 簧挂，形成可竖向运动和绕模 的二 系统。

试验 壁外，以免干扰流场。

风 安装了一对激光位移器来 桥梁模型的 。

模与实桥的比值为1/43. 63，模型长2.095 m，单位长度质量与质 量惯性矩分别为19. 195 k g/m和1. 171 kg •m2/m，竖 弯频率和扭转频率分别为1.743 H z和3.601 H z，竖向 运动和扭转运动的阻尼比分别为0.45 J和0. 35 J。

因此，实际风速与试验风速的比值为3.71。

安装在风洞 的动力 模型如图3所示，试验 地增大来流风速，并 风速下 结构 ，通过观记录结构的位 的变化，则达 状态，散则结构已经发生颤，则结构达 状态。

! 3气动优化措施
为了提高兴康特大桥的抗风 性，对加劲梁断面 进 气 化。

前 表 明，
明
第19期郭俊杰等#下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响21
显改善大跨度桥梁的 性能。

因，在兴康特大桥桥面的 和下侧同时安装了稳定板，其
位于桥面中央，高13+E，为了保证车辆的 驶，整的空 ，无法进 化。

而桥面下侧空间较大，的安装位置和形式 ，因此本文采用了 式的下 进行优化对比，以期找 布 式。

验 安 央 的方案作为原始方案，考查了 位置的单 和 式的分离式对兴康特大桥 性能的 。

单 高为343mm(对实际高度为1.5 m)的竖
单独地安装在桥面板纵梁下方，分别位于迎风侧距加 劲梁中央6.25 m$加劲梁中央、背风侧距加劲梁中央 6.25 m处，各工况布置示意图如图4所示。

分离式稳 定板方案 了式，即分式竖和分式斜 ，如图5所示。

分式竖
高度为343mm(对应实际高度为13m)的对称地安装在桥面板纵梁下方，距加 央6. 25 m ，安迎风与背风 '分离式斜 倾斜的下 ，其高度仍为34. 4 mm。

通过风洞试验研究了在-7。

〜+7。

下，对 性 的。

图4单稳定板布置示意图
Fig. 4 Diagram of the single stabilizer
图5分离式稳定板布置示意图
Fig. 5 Diagram of the separated stabilizers
2稳定板形式对结构颤振性能的影响
单稳定板
单 各攻角下的颤振临界风速试验结
果如图6所示。

由图知，在大 下桥梁的颤振稳性与 下的 大。

当安央：(原始断面），风 -7◦〜+5°时，随着风
的增大，风 增大。

在+3°和+5°，桥 良好的 性，但是在负攻角下的颤风 低，尤是当风为-7°时，桥 生扭 的风 463m/s。

Fig. 6 Critical flutter wind speed with the single stabilizer
同时设置上、下稳定板后，各个攻角下的颤振临界 风 得到不同程度的提高，尤是在负下。

对于_3°〜+5°，无论下 安 何处，在试验风速不断增大到20. 54 m/s(对应实桥风速为76. 2 m s)过程 ，的生，加 良的性。

当负 的绝对值较大时，即-7°、-5°，迎风 对 风速的提升效果 ，相对于原 面，分别提高了 24. 8J和31.5J。

随着
风 ，-7° 下 的风趋 原始方案，下 对 性能的影响可以被忽略。

对 +7°，安 央 的效果最好，风速高达74. 2 m/s，而安迎风
和背风 的效果相近。

2.2 离式稳定
分 式 各 下 的风 如图7所示。

结果表明：风 绝对值的增大，
加劲
22振动与冲击2020年第39卷
风速降低。

对于-3°〜+51，无论安何 式的分离式 ，在试验风 增大至20.54 m/s(对实桥风速为76.2 m/s)过程中，均
察到颤振的发生，加 良好的 性。

在-7。

和-5°° 下，加 生了 ，但是风 原 面 明显提升，果 单独布置的下 ，安分离式竖的加劲梁风 分离式斜 提高，在-7°
下，风相对于原面提咼了 30. 8J。

+7° 下，安 分 式 的风与安 央 的相比略有降低，但降低 ：，安分离式竖的性略高分离式斜 。

桥址区位于艰险复杂山
区，负 来流出现的概率及对应的风 大，应首
先保证负 下的 性，所综合来看分离式竖 为下 布 式。

风攻角/(。

)
图7设置分离式稳定板后实桥的颤振临界风速Fig. 7 Critical flutter wind speed with the separated stabilizers
3气动机理研究
由风洞试验结果可知，设置稳定板可以提高加劲 的性，且果显著，尤是在0°°与负攻角下。

本章采用C F D数值模拟的方法进 对 板对颤振的 机理进 。

3.1 CFD模型
为复杂的空 维结构，但是建立三维数值模 要的网格数量在107量，一般的工程计算无法满足。

邹明伟等[14]等距分为10 ，了斜腹杆位置对气 的，发现基 面的二维模拟结果与风 验相吻合。

李永乐等[15]安全地忽略了 杆 的相互气 ，维 结构等效为二维平面结构，极大地降低了建模难度和计 量。

本文基 方 法，对全桥通长结构 截取，而对于斜腹杆、上下平联斜杆，则取 位置，建立了二维 模型，保证了数值模型与实际桥梁挡风面积相同，构 状相似和各构 相互气 相似。

桥面系中央开槽的透风率较大，所 立二维模 桥面系中 央当作开槽 ，以便 地反映 的气动特性。

C F D模型缩尺比为1/43. 63，与风 验 保 致。

为了兼顾计 和计 率，将计区域分为刚体网格区域、动网格区域和静止网格区域三部 分，如图8所示。

刚体区域采 结构化四边形网格划分，该区域与加 共同运动，以保证加 周围流 场的模 。

为满足刚体区域竖向和扭转运动的要求，动网格区域 为非结构化 网格，可进
网格的局部重构。

静止网格区域米用结构化的四边 网格进 散。

总网格 325 356〜334 035,局部网格如图9所示。

迎风侧边界设为速度入口，距离箱 梁中心3.5Y;背风侧边界设为压力出口，距离箱梁中心 5.5Y;上下边界视来流风向而定，距离4Y，其中Y为两 侧上弦杆之间的距离。

加 表面设为光滑壁面。

选用SST湍流模型;用SIM PLEC算法解决动量方程分量和压力的耦合问题;动量方程、湍 方程及湍流耗散率方程均采用二阶离散格式。

采 FLU EN T软件进行计算，模的计长取0.001 s。

u,______________________________________________
| , 3.5B,| ,___________5J B__________J
图8计算区域
Fig. 8 Computational domain
3?气动机理分析
生的必要条件是气动力输入结构的能量大 于零，所 通过桥梁受迫 过程中的输入能量的大小 性。

在C F D计 ，通过编制UDF(User-defined Function)令截面发生单自由度的强 迫 ，单 竖 和扭 的运 方程为
'⑴='0sin($)(1)
*(?= *0sin($?(2)
^
^
第19期郭俊杰等#下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响23静止网格区域
分离式竖向稳定板
刚体网格区域
单稳定板
图9局部计算网格
Fig. 9 Local computational mesh
式中为竖向振动单峰幅值，设置为0.025Y;*为扭
的单峰幅值，为3°;$为的圆频率，设
置为 4/ rad/s。

因此，单自由度竖向或扭转振动过程中，单
位长度气动力输入的能量可分 ！h0$!z0表示，其表
达式为
!H0=L(t)h(t)d?
+ 0
(3)
!0=:丄 f Z(?*⑴dt
n0
(4)式中:和M(?分为升力与力矩;P为振动周期;+ 为计算周 ，取整数。

折算风速取，，该风速已超过原始方案在负攻角和 零 下的 风速，且 -7°° 下最优方案的 风速。

先计 的，待气
力变化 ，计算得到单 周 气动力输入的总能量值如图10所示。

由图10 知：对于原 ^面，！h0小 0,且 的增大 小，说明单 竖 维持当前的 状
;是！Z0远大于！H0，负的增大，！z d
增大并由负 ，说明加 扭转稳定性随风 的增大而降低，单 扭 是 的，进增大，生扭 ，这与试验中所观察到的现 致。

下 ，在各 下！H0略有变化，但幅度有限，且依旧小于零。

而！Z0随风 的化趋势 ，但是值明显减小，说明结构扭转稳定性提高了。

安单分离式斜向_
后，！z0降低幅度相 大。

安分离式竖向稳
后，！z0显著降低。

在-5°〜0。

攻角范围内，！M。

出现了 负值，说明加 该风速下已不再 生单自由扭 的。

在-7°攻角下，！M。

的降幅为89. 8 J，说明加 的颤振稳定性得到了大幅提高。

大 下扭 主导地位，所 通过分析单 扭 来 结构的颤性能。

以-7°为例，图11分 了各类
风攻角/(°)
图10 —个周期内气动力输入的能量
Fig. 10 Input energy by aerodynamic forces in one cycle
稳定板后截面在一个扭转振动周期内的瞬时压力云图 (P a)，折算风速仍取8，其中M + 1/47, + 1/27, + 3/ 4P分别对 大 位移，位为零（最大逆 •)，大逆 位移和位移为零(最大 ）的时刻。

当风攻角为-7°，仅设直上中央稳定板时（原始断 面），桥面板下侧共存 漩涡，是来流经过上弦杆 迎风 成的，高；是来流经过 央 ，穿过桥面系中央开槽 风 -成的 ，大 是 低。

当截 面逆 ，〜+ 1/2P时刻，与来流形成的相对风 增大，迎风 漩 的增 大，且迎风 桥面 下
负压区 增大，加了对截面扭转的。

当截面顺时针运动时，即£ + 1/2P〜+ P时刻，迎风侧桥面板 下侧负压区 降低，对截面扭转运动的阻碍作降低。

风漩下游 ，扭矩为结构扭转运动输入了能量，使结构发生以扭转运动为主的 。

下 对加 气动性能的 主要体现在桥面 下 。

迎风 使迎风 桥面 下负压区强度变大，不利截面的逆扭 性，是 碍迎风侧漩涡的 ，使分散成小漩涡，分布 周围，而且截面扭
24振动与冲击2020年第39卷
I1I I I11~~单位:Pa
■60 -50-40-30-20-100 10 20 30 40 50 60
(a) t( T)(b) t + 1/4T(c) t + 1/2T(d) t+ 3/4T
图11 -7°攻角下各工况扭转振动过程中的瞬时压力云图
Fig. 11 Contours of static pressure in torsional motion of various working conditions at -7°angle of attack
转过程中，迎风侧始终存在较强的负压区，减弱了对截 面 扭转的。

背风 碍背风侧漩涡的 ，，所与迎风类，主要还是通过增大 扭转过程中迎风侧桥面下侧的负压强度来阻碍截面的扭转运动。

迎风 和背风 ，即分式，可以兼得两类 的，而且无论截面是 是逆 运动，使漩涡平均地分布在桥面板下侧的四个空 ，漩的，对扭转运动的。

因，扭矩输入的能量较原 面明显减小，颤
性得到大 提高。

桥面下侧中央，将迎风侧漩涡和背风侧漩涡分隔开来，当截面逆时 扭 ，风 漩 增 大，，抵 分迎风侧漩涡的 ；而当截面 扭转时，风桥面板下侧的负降低，了对顺扭转运动的 ，提高了结构的 性。

由分离式斜 靠近桥面中央，所 机理与中央 类似，背风桥面板下侧负压区进一步降低，的是 斜 之 成了 小漩涡，小提高竖向运动的参与程度。

4结论
(1)央 ，兴康特大桥的颤振临界风 风攻角绝对值的增大而降低，在负 下加 生扭 ，风低。

(2)下 提高各 下的颤振临界风速，尤其是在负 下。

就单 ，在-7°攻角下，迎风 对 风速的提升效果，下 风 ，对颤振性能的影响可以被忽略。

(3) 分 式下 对负 下 的风
提升明显，效果 单个下 ，分式竖.
的效果 。

在+7°下，安分离式：板风速与中央 相比略有降低，但。

(4) 当负的绝 对值 大 ，扭 运 的
定性成为了 生的主要原因。

通过阻碍漩、改漩涡大小和增大迎风侧桥面板下侧负压区 的方式提高扭 性，因，央
为分 式竖 的果。

第19期郭俊杰等#下稳定板形式对兴康特大桥颤振性能的影响25
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