钝体断面列车对斜拉桥涡振稳定性影响的试验研

胡腾飞(1990—)，工程师，硕士研究生，主要从事桥梁工程设计与研究工作；

许汝武(1988—)，工程师，硕士研究生，主要从事桥梁设计工作。

0 引言

涡激共振是指风流经桥梁时，可能出现流动的分离和周期性的漩涡脱落，使桥梁结构左右和上下表面产生交替变化的涡激力，当漩涡脱落频率等于桥梁或接近于桥梁结构某阶固有频率时，将会引起桥梁结构振动的现象，又称为涡激振动(简称涡振)。涡激振动是大跨度柔性桥梁在低风速下容易发生的一种限幅风致振动现象，只在特定的风速区间发生，并对结构阻尼及气动外形的微小变化十分敏感[1-2]。尽管涡激振动不像驰振和颤振那样是发散的毁灭性的振动，但由于在低风速下常易发生，可能会引起桥梁结构的疲劳损坏，且振幅之大足以影响行车舒适性，甚至威胁行车安全[3]，因此对涡激振动的研究是十分必要的。国内外学者虽然对许多大桥的涡振现象进行了大量的研究，并取得了一些重要成果[3-6]，但由于涡振影响因素繁多，其机理仍未彻底揭示，而理论分析方法与数值模拟技术则存在一定的局限性，故通常采用风洞试验进行研究，而主梁节段模型风洞试验是使用最为广泛的手段之一。

涡振对桥梁结构的气动外形与局部构造十分敏感，风不仅会作用在桥上，还会作用在车上，列车的存在会改变桥梁断面的绕流特性。近年来列车在强风作用下的脱轨、侧翻和人员伤亡事故时有发生[7-9]。如2007年2月,乌鲁木齐驶往阿苏克的列车车窗在强风作用下被飞沙打碎，11节车厢被吹翻，导致4人死亡，线路被迫中断行车[10]。鉴于此，在风车桥系统的理论与试验研究方面主要集中于列车在强风作用下的安全性研究[11-14]，而对中低风速下可能发生车桥系统涡振的研究则较少。Reinhold[15]虽在大海带东桥节段模型风洞试验中将车辆列为影响因素，但未进行系统研究。周立[16]与李春光[17]分别针对某特定车流和多种交通车流研究了车辆对公路桥梁涡振性能的影响。但车辆模型仅限于流线型较好的公路车辆，而对行驶在铁路桥梁上非流线型列车的研究则鲜见报道。因此，本文基于弹性悬挂刚性节段模型，模拟钝体效应明显的C80B型运煤专用敞车往返两种车流状态，测试不同风攻角下桥梁主梁振动的涡振响应，探讨往返状态下列车对其涡振性能的影响。

1 工程背景

本文以某在建开口断面斜拉桥为背景，该桥跨径布置为(99.12+140+406+406+140+99.12)m，图1为该桥效果图。主梁采用开口钢箱梁与钢桁架的组合断面形式，两独立小钢箱布置在横断面两端，通过横梁和正交异型钢桥面连接，钢箱梁全宽21.0 m，中心梁高为2.5 m。钢桁为三角形桁式，上弦桁宽12 m，下弦桁宽14 m，桁高12 m。

桥梁界普遍认为，气流绕过桁架梁时，难以形成规则的漩涡脱落，因此不易发生涡振。但对于开口钢箱梁断面，由于其自身钝体效应十分明显，由其组成的桁架梁仍可能发生涡激振动，进而引发桥梁结构疲劳，影响行车舒适性和安全性。为了确保该桥抗风稳定性，采用弹性悬挂刚性节段模型风洞试验对该桥成桥状态进行了涡激振动研究，并在发现该桥存在较大幅度涡振的前提下，以断面钝体效应也十分明显的C80B型运煤专用敞车为例，进一步研究了列车对该桥涡振性能的影响。

图1 主桥效果示例图

2 风洞试验

2.1 模型设计及试验参数

为了研究风车桥系统下列车对该桥涡振性能的影响，试验中采用80 t级载重的C80B型运煤专用敞车作为列车模型。C80B型敞车几何缩尺比与主梁相同，为54.5，列车质量相比桥梁很小，可忽略不计，仅模拟其气动外形。考虑到涡振对断面气动外形的微小变化十分敏感，并结合实际运营情况在试验中将列车分为有盖板状态(满载南下)与无盖板状态(空载北上)往返两种工况，且试验中列车均位于受力略大的迎风侧，列车单节车厢模型如图2所示。

(a)满载有盖板状态

(b)空载无盖板状态图2 列车单节车厢模型图

采用ANSYS软件建立实桥有限元模型，采用子空间迭代法进行模态分析后得到该桥动力特性并计算得到主梁单位长度的等效质量和等效质量惯性矩[18]。节段模型两边的小钢箱梁采用铝合金钢管以保证模型的整体刚性，其余部分采用高强轻质木板制作以满足质量与质量惯矩等相似要求。节段模型中竖弯与扭转涡振采用相同的频率比和风速比。节段模型试验参数见表1，横断面如图3所示。

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