1、第 39 卷第 1 期2023 年2 月结构工程师Structural EngineersVol.39，No.1Feb.2023风嘴对流线形钢箱梁涡振性能影响试验和CFD研究康福军1 郭峰1 王俊2，*李加武2（1.广东省佛山市顺德区工程建设中心，佛山 528300；2.长安大学公路学院，西安 710064）摘 要 为了研究风嘴对流线形钢箱梁涡振性能的影响，以顺德斜拉桥为工程背景，通过节段模型测振风洞试验研究流线形钢箱梁涡振性能，研究发现：原设计断面在成桥状态出现超过规范限值的竖弯涡振和扭转涡振；为提高风洞模型试验效率，首先采用CFD的方法分析了62、50和40风嘴对断面流场特性的影响，结果表
2、明小角度风嘴可以进一步强化断面流线形、降低迎风侧的负压力并改变断面漩涡的规模和位置。随后通过主梁节段模型风洞试验验证了40风嘴的气动优化措施能较好地消减涡振，该研究可为流线形钢箱梁涡振性能研究提供参考。关键词 桥梁工程，流线形钢箱梁，涡振，风洞试验，CFD，风嘴Wind Fairing Effect on Vortex-Induced Vibration of Streamline Steel Box Deck by Wind Tunnel Test and CFDKANG Fujun1 GUO Feng1 WANG Jun2，*LI Jiawu2（1.Shunde Engineering C
3、onstruction Center，Foshan 528300，China；2.School of Highway，Chang an University，Xi an 710064，China）Abstract In order to study wind fairing effect on the vortex-induced vibration（VIV）of streamline steel box deck，taking Shunde cable-stayed bridge of unequal pylons as engineering background，the VIV perf
4、ormance of the streamline steel box girder was studied by the method of segmental model wind tunnel test.It was found that the vertical bending vortex vibration and torsional vortex vibration of the original design section exceeded the limit during the service period.In order to improve the efficien
5、cy of wind tunnel model tests，firstly，the CFD method is used to analyze the influence of 62，50，40 wind fairing on the flow field characteristics of the section，and the smaller wind fairing makes the section streamline more obvious，reduces the negative pressure at the windward，and changes the scale a
6、nd position of the vortex on the bridge deck.Then，the wind tunnel test results verify that the aerodynamic optimization measure of 40 can reduce the amplitude of VIV better.This study can provide reference for the research of VIV performance of streamline steel box girder.Keywords bridge engineering
7、，streamline steel box deck，vortex-induced vibration（VIV），wind tunnel test，computational fluid dynamics（CFD），wind fairing收稿日期：2021-10-22基金项目：国家自然科学基金项目（51978077）作者简介：康福军（1979-），男，广东佛山人，本科，项目经理，主要从事工程管理。E-mail：*联系作者：王 俊（1992-），男，安徽安庆人，工学博士研究生，主要从事山区风特性及桥梁抗风研究。E-mail：wangjun340828 DOI:10.15935/ki.jggcs
8、.2023.01.008Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study0 引 言 从 1940年美国旧 Tacoma桥1因颤振失稳倒塌以来，大跨桥梁的抗风性能得到广泛的关注和充分的重视2。由于常见的较低风速是钝体结构产生涡振的充分条件，以及大跨桥梁的广泛建设，桥梁涡激振动的现象频繁发生，比如丹麦的Storeblt大桥3，日本的 Trans-Tokyo Bay 大桥4，中国的西堠门大桥5-7，以及2020年5月5日虎门大桥的涡激振动8-9。大跨桥梁的涡激振动不仅带来广泛的舆论关注，对桥梁结构的使用寿命、行车的安全性和舒适性也有重要影响。因此，有
9、必要对大跨桥梁的涡激振动做专门研究。自20世纪50年代以来，国内外学者对桥梁涡振现象、涡振机理和控制措施，从风洞试验、数值模拟、理论计算等7，10-13方面做了深入的研究。在气动措施对涡振的影响方面，崔欣等12研究了栏杆透风率对主梁涡振的影响。王骑等14基于风洞试验研究了风嘴对流线形钢箱梁涡振性能的影响。孟晓亮等15使用风洞实验和数值模拟方法，分析了风嘴角度对封闭和半封闭箱梁涡振性能的影响，发现适当减小风嘴角度可以抑制涡振，且不影响颤振检验风速。赵林等16对大跨桥梁的涡振控制措施作了综述性报道，其中风嘴的角度、位置、外形等对涡振均有影响。综上所述，桥梁风工程专家们对涡振的研究取得了丰富的研究成
10、果，关于风嘴角度等气动措施对涡振的分析也做了详尽的探讨，建议较小的风嘴角度对抑制涡振有较好的效果。鉴于此，本文以顺德大桥为工程背景，通过节段模型测振风洞试验研究流线形钢箱梁断面的涡振性能，原始断面在成桥状态下会出现超出限值的涡振响应，通过改变风嘴角度，结合CFD数值模型的流场特性，分析气动外形对涡振的影响。本研究具有一定的应用价值。1 工程背景 佛山市顺德区南国东路延伸线工程位于佛山市顺德区东部新城，项目南北走向，在顺德港东侧，连接大良、容桂。其中跨容桂水道大桥佛山市顺德区南国东路延伸线工程大桥（以下简称顺德大桥）桥梁总长2222.50 m，其中主桥为26662659.526055=992.5
11、0 m，为高低塔混合梁斜拉桥，其中主跨流线形钢箱梁长度为602 m，边跨为预应力混凝土箱梁，桥型布置如图1所示，流线形钢箱梁截面宽 44.9 m、高 3.8 m，如图 2 所示。顺德大桥造型美观时尚，结构轻盈独特，建成后会成为当地的地标性建筑之一。2 节段模型设计 根据该桥结构特点，采用梁单元来模拟主梁、桥塔、刚臂等，杆单元来模拟斜拉索，并由Ernst公式考虑垂度效应，用质量单元来模拟护栏、桥面铺装等的质量及其质量惯性矩，然后使用有限元软件建立桥梁有限元模型，有限元模型如图3所示。根据有限元模型分析桥梁的动力特性、相似原则、风洞试验阻塞率17以及模型缩尺比的要求18，原设计方案节段测振模型缩尺
12、比为1 50，长1.800 m，宽0.898 m，高0.076 m，测振模型如图4所示。动力特性及设计参数如表1所示，可以看出相关桥梁参数的设计值与实测值误差均小于3%，认为节段模型的设计是合理的。3 原设计断面节段模型试验研究 节段模型风洞试验在长安大学风洞试验室CA-1大气边界层风洞中进行，风洞试验段尺寸为宽3.0 m、高2.5 m、长15.0 m，风速可调区间为0图1成桥状态桥型布置图（单位：cm）Fig.1Bridge layout in completion state（Unit：cm）图2流线形钢箱梁断面图（单位：mm）Fig.2Section of streamline stee
13、l box girder（Unit：mm）142 试验研究 结构工程师第 39 卷 第 1 期其值为53.0 m/s，紊流度Iu0.3，流场品质优良。弹簧悬挂测振系统由激光位移传感器、信号采集仪、计算机等组成。涡振试验风攻角范围为-5+5，间隔2，共5个风攻角，采用均匀来流。根据抗风规范第8.2.2条和第8.2.3条17，当斜拉桥主跨跨径400L800 m时，需要开展节段模型涡振风洞试验，必要时可通过比例不小于1 30的大比例节段模型风洞试验进一步检验。此外，根据规范建议和工程经验，涡激振动限值如式（1）、式（2）所示。hvv0.04fv（1）tv4.56Bft（2）式中：hv为竖向涡激共振振
14、幅（m）；fv为竖向振动频率（Hz）；t为扭转涡激共振振幅（）；B为实桥宽度（m）；ft为扭转振动频率（Hz）；v为涡激共振分项系数，根据风洞试验获取hv时取为1.0。根据式（1）、式（2），计算得到与原设计方案对应的涡激振动限值见表2。原设计断面的涡振试验结果如图5所示，在施工状态，振动响应幅值随着风速增加而增加，但不同攻角均未出现涡振现象，满足规范要求；但是在成桥状态，均出现双重锁定区间的涡激共振现象，并且某些工况下涡振共振振幅最大值超过了规范限值。出现的涡激共振具有以下特点：（1）不论是竖弯振动还是扭转振动都具有双锁定区间的特征，且竖弯涡振起振风速比扭转涡振起振风速低，涡振锁定风速区间相
15、邻，但不相互重叠。此外，第二个涡激共振响应更明显，说明高阶模态对涡激振动的影响是不可忽略的。（2）来流风攻角对涡振响应影响明显，以 图3斜拉桥有限元模型Fig.3Finite element model of cable-stayed bridge图4测振节段模型Fig.4Aerodynamic test of sectional model表1 涡振试验节段模型设计参数Table 1Design parameters of sectional model in VIV test参数施工状态m/(kgm-1)Im/(kgm2m-1)fb/Hzft/HzsTsV实桥值2.561044.64106
16、0.268 80.603 0相似比1/5021/50450/2.250/2.2设计值10.240.746.1113.710.50%0.50%实测值10.150.766.2013.600.10%0.43%误差-0.88%2.27%1.47%-0.77%实桥值成桥状态3.301047.861060.280 90.626 8相似比1/5021/50450/2.550/2.5设计值13.221.265.7812.540.50%0.50%实测值13.191.275.6112.700.15%0.36%误差-0.20%0.98%-3.03%1.29%表2 涡激共振振幅限值Table 2Amplitude limit of VIV涡振限值hv/mmt/()施工状态148.80.17成桥状态142.40.16143Structural Engineers Vol.39，No.1 Experiment Study-5最安全，+5最不利，这与成桥状态的附属构造对桥梁断面气动外形的关系紧密。（3）竖弯涡振的锁定区间在 711 m/s，扭转涡振的锁定区间在1320 m/s，后者较前者有所滞后，分析原因在于桥梁结
