大跨度桥梁主梁风雨致涡激振动试验研究

（ a） 俯视图
（ a） 开口模型加速度
（ b） 截面 图 4 闭口节段模型 Fig． 4 Closed section model
本试验针对开口闭口 2 个主梁节段模型的主 要结构参数如下表 1 所示．
表 1 节段模型系统的主要参数 Table 1 Parameters of the section model system
第9 期
辛大波，等： 大跨度桥梁主梁风雨致涡激振动试验研究
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和雨常常是同时存在的，特别是对于台风天气，强风 和暴雨耦合更是其主要特征． 大跨桥梁结构处于风 雨联合作用时，单一考虑风场进行风致作用分析得 出的结论与实际有一定的偏差，其原因在于雨场的 存在以及雨场和风场之间的相互影响． 因此，考虑降 雨效应对桥梁风致作用的影响对于精确地分析大跨 桥梁的最不利荷载环境以及准确地评价大跨桥梁涡 激振动特性至关重要，且分析方法更符合客观实际．
大跨桥梁是重要的基础设施工程． 近年来，随着 科学技术的进步以及经济的不断发展，大跨桥梁建 设发展迅速，桥梁跨度不断增长，桥梁结构在自然风
收稿日期： 2010-12-09． 基金项 目： 国 家 自 然 科 学 基 金 重 大 研 究 计 划 重 点 资 助 项 目
（ 90815022，90815030 ） ； 国 家 自 然 科 学 基 金 资 助 项 目 （ 50908069） ． 作者简介： 辛大波（ 1978-） ，男，讲师，博士，E-mail： xindabo@ hit． edu． cn． 通信作者： 辛大波．
当漩涡脱落频 率 接 近 结 构 某 一 阶 自 振 频 率 时，
将会引起涡激共振现象． Strouhal 最先指出漩涡脱落现
象可以用一个斯托罗哈数（ Strouhal 数） 来描述：
St = fUD．
（ 1）
式中： f 是漩涡脱落一个完整的频率，Hz； D 是物体
垂直于平均流速的平面上的投影特征尺寸，m； U 是
2 风雨联合作用下桥梁主梁涡激振动 试验
2． 1 试验环境及试验系统 试验在哈尔滨工业大学风洞与浪槽联合实验室
完成． 通过在闭口回流大气边界层风洞中安装降雨 系统，进而实现风雨联合作用环境，整个风雨联合作 用系统还包括实验装置、测试系统、数据采集系统、 挡雨防水装置、排水管道、进风口以及出风口． 试验 段风雨联合作用环境如图 2 所示．
1 涡激振动基本原理
当漩涡脱落频率接近于桥梁结构某一阶自振频 率时，将引起桥梁结构较大的运动． 桥梁结构和流体 之间开始剧烈的相互作用，物体的固有频率控制了 旋涡脱落现象，甚至当风速的变化使名义斯特罗哈 频率已经偏离固有频率百分之几时，旋涡脱落仍被 控制住． 这种机械力对一种现象的控制通常称为锁 定． 锁定对旋涡脱落的影响见图 1．
辛大波1 ，张明晶1 ，王亮1 ，欧进萍1，2 ，李惠1
（ 1． 哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090； 2． 大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024）
摘 要： 针对风雨联合作用下的大跨桥梁风雨致涡激振动问题，以某一分离式双箱主梁桥梁及其闭口主梁型式桥梁为研 究对象，通过在大气边界层风洞中搭建风雨联合作用试验系统，完成风雨联合作用下大跨桥梁节段模型涡激振动试验． 试验结果显示： 不同雨强下，开口节段模型涡激振动的起振风速及锁定风速基本一致，但最大振动幅值有一定差别． 不同 雨强下，闭口节段模型随机振动的振动时程有一定差别，且随着风速增大，振动幅值增大． 开口节段模型风雨联合作用下 的位移幅值大于单一风作用下的位移幅值，最大增量可达 1 /4． 得出结论： 降雨增大了桥梁主梁涡激振动幅值； 闭口节段 模型相对开口节段模型在抵抗涡激振动方面性能更优良． 关键词： 涡激振动； 风雨联合作用； 桥梁主梁节段； 风洞试验 中图分类号： U 446． 1 文献标识码： A 文章编号： 1006-7043（ 2011） 09-1168-05
来流的平均速度，m / s．
Fig． 1
图 1 涡激振动锁定现象 The locking phenomenon of vortex induced vibration
图 2 风雨联合作用环境 Fig． 2 Surroundings of simultaneous actions of
wind and rain
试验选取某一分离式双箱悬索桥为研究对象． 试验采用的节段模型缩尺比为 1∶ 40，同时为了方便 进行对比研究，试验还增加了针对该悬索桥节段模 型开孔槽的闭口模型，2 个模型具有相同的外轮廓 尺寸，节 段 模 型 采 用 轻 质 木 材 制 作，模 型 质 量 约 16 kg． 开口主梁节段模型和闭口节段模型分别如图 3、4 所示．
如图 2 所示，风雨联合作用降雨系统包括 3 个 进水管以及 15 个喷水管，降雨系统模拟雨强连续变 化范围 10 ～ 200 mm / h，降雨影响面积 4 × 5 m2 ，雨滴 直径 0． 1 ～ 6 mm，降雨调节精度 7 mm / h． 节段模型 的两端用螺栓连接到试验框架上，并由弹簧系统支 撑，弹簧系统竖向刚度为 10 N / mm． 试验使用 3 个 DeltaTron Type 4507 B 加速度计，分别测量加速 度计最大量程为 ± 700 m·s － 2 ，为了防水，在加速度 计贴防水保护膜一层． 本试验给定的雨强分别为 0、 30、60、90、120、150、180 mm / h． 2． 2 试验模型
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哈尔滨工程大学学报
第 32 卷
（ a） 俯视图
（ b） 截面 图 3 开口主梁节段模型 Fig． 3 Slotted section model
不计，结构参数一致．
3 风雨联合作用下涡激振动试验结果 与分析
3． 1 振动时程 在不同雨强作用下，通过加速度传感器获得开、
闭口节段模型加速度时程曲线如图 5 所示． 图 5（ a） 中，0 ～ 2 s、2 ～ 4 s、4 ～ 6 s、6 ～ 8 s、8 ～ 10 s 分别对应 的来流 风 速 为 1． 6、1． 8、2． 0、2． 2、2． 4 m / s． 图 5 （ b） 中，0 ～ 2 s、2 ～ 4 s、4 ～ 6 s、6 ～ 8 s、10 ～ 12 s 分别 对应的来流风速为 2． 0、4． 2、4． 8、6． 0、7． 6、9． 3 m / s．
的作用下敏感度增加，风致颤振、抖振、涡激振动等 典型风致振动成为影响大跨桥梁服役寿命的重要因 素． 涡激振动是大跨度桥梁在低风速下常见的一种 风致振动现象，是一种带有自激振荡性质的风致限 幅振动． 尽管涡激振动不像颤振、驰振是发散的毁灭 性的振动，但其对桥梁行车安全具有一定影响，并容 易引起结构疲劳破坏［1］． 长期以来，关于大跨桥梁 涡激振动的研究都是基于桥梁处于均匀来流风场或 紊流风场中，没有考虑降雨效应的影响． 实际上，风
Experimental study on wind-rain-induced and vortex-induced vibration in bridge deck sections of long-span bridges
XIN Dabo1 ，ZHANG Mingjing1 ，WANG Liang1 ，OU Jinping1，2 ，LI Hui1
（ 1． School of Civil EngineeriLeabharlann Baidug，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China； 2． School of Civil and Hydraulic Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）
目前，关于大跨桥梁风雨联合作用的研究主要 集中在斜拉 索 风 雨 激 振［2-12］，而 针 对 大 跨 桥 梁 主 梁 风雨致涡激振动的研究还是空白． 本文以某一分离 式双箱主梁桥梁及其闭口主梁型式桥梁为研究对 象，通过在哈尔滨工业大学闭口回流大气边界层风 洞（ 湍流度小于 3% ，平均速度偏差小于 5% ） 中安 装降雨模拟装置进而搭建风雨联合作用环境试验系 统，对桥梁风雨致涡振特性进行了试验研究．
Abstract： The vortex-induced vibration test in bridge deck sections of long-span bridges was carried out by considering vortex-induced vibration characteristics under the simultaneous actions of wind and rain，taking a separated twin-box girder bridge and its closed form as research objects． A system of simultaneous actions of wind and rain built in an atmospheric boundary layer wind tunnel was also utilized． Experimental results display that the wind speed at the start of oscillation and the wind speed of the lock-in region for the slotted section model show no difference in various rainfall intensities，but the maximal amplitudes of vortex-excited resonance display some differences． The time histories of stochastic vibration for the closed section model have some differences in various rainfall intensities，and the amplitude of vibration increases with rising wind speed． The displacement amplitude under the simultaneous actions of wind and rain is larger than the displacement amplitude under a single wind load； the highest increment reaches one quarter． Experimental results also show that the amplitude of vortex-induced vibration in bridge deck sections is increased by rainfall． The closed model has better performance in resisting vortex-induced vibration than the slotted model． Keywords： vortex-induced vibration； simultaneous actions of wind and rain； bridge deck section； wind tunnel test
参数
真实值 相似比 模型值
长度 L /m
第 32 卷第 9 期 2011 年 9 月
哈尔滨工程大学学报 Journal of Harbin Engineering University
doi： 10． 3969 / j． issn． 1006-7043． 2011． 09． 013
Vol． 32 №． 9 Sep． 2011
大跨度桥梁主梁风雨致涡激振动试验研究