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螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究

郑云飞 刘庆宽 战启芳 刘训臣 刘晓庆

郑云飞, 刘庆宽, 战启芳, 刘训臣, 刘晓庆. 螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
引用本文: 郑云飞, 刘庆宽, 战启芳, 刘训臣, 刘晓庆. 螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
Yun-fei ZHENG, Qing-kuan LIU, Qi-fang ZHAN, Xun-chen LIU, Xiao-qing LIU. EXPERIMENTAL STUDY ON HELICAL LINE PARAMENTS’ EFFECT ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF STAY CABLES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
Citation: Yun-fei ZHENG, Qing-kuan LIU, Qi-fang ZHAN, Xun-chen LIU, Xiao-qing LIU. EXPERIMENTAL STUDY ON HELICAL LINE PARAMENTS’ EFFECT ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF STAY CABLES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057

螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51378381);河北省杰出青年基金项目(E2018210044);河北省教育厅基金项目(QN2019164)
详细信息
    作者简介:

    郑云飞(1985−),男,河北人,讲师,博士,主要从事桥梁的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail: yunfeizheng@foxmail.com)

    战启芳(1964−),男,山东人,教授,硕士,主要从事大跨度桥梁施工技术研究(E-mail: zzq221@163.com)

    刘训臣(1982−),男,山东人,副教授,博士,主要从事大跨度桥梁振动研究(E-mail: 23260040@qq.com)

    刘晓庆(1981−),女,河北人,讲师,硕士,主要从事工程结构防灾减灾研究(E-mail: 191699896@qq.com)

    通讯作者: 刘庆宽(1971−),男,河北人,教授,博士,主要从事桥梁与结构的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail: lqk@stdu.edu.cn)
  • 中图分类号: U441

EXPERIMENTAL STUDY ON HELICAL LINE PARAMENTS’ EFFECT ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF STAY CABLES

  • 摘要: 斜拉索的大幅振动问题,例如风雨振、干索驰振,是桥梁设计和研究人员关注的问题之一。为了防止风雨振的发生,在斜拉索表面设置螺旋线是一种常见措施。而在进行螺旋线直径、间距选取时,只关注其对风雨振的影响,未考虑对干索驰振的影响。为了明确不同螺旋线参数组合对风雨振、干索驰振振动特性的影响,通过风洞试验的方法,在风速6 m/s~50 m/s范围内,在有、无人工模拟降雨环境下对不同螺旋线参数组合斜拉索进行测振试验,得到斜拉索模型振幅随螺旋线参数的变化规律。研究结果表明:总体而言,设置螺旋线后,斜拉索振幅减小,但斜拉索的振幅并非随螺旋线直径单调改变,呈现先增大后减小的趋势,螺旋线直径增大到某一数值时,振幅最大,工程应用中应慎重选择螺旋线的直径;随着螺旋线间距的增大,斜拉索振幅逐渐减小,设置螺旋线后,干索驰振的振幅明显减小;对于同一间距,螺旋线直径改变对干索驰振的影响不明显,对于同一直径,螺旋线间距小于临界间距后,螺旋线间距的改变对干索驰振的影响不明显,螺旋线间距大于临界间距后斜拉索发生明显振动。
  • 图  1  风雨振试验系统

    Figure  1.  Test system of rain-wind induced vibration

    图  2  螺旋线布置示意图

    Figure  2.  Sketch of helical line installation

    图  3  干索驰振试验系统

    Figure  3.  Test system of dry cable galloping

    图  4  螺旋线直径对风雨振振幅的影响

    Figure  4.  Effect of helical line diameters on rain-wind induced vibration amplitude

    图  5  螺旋线间距对风雨振振幅的影响

    Figure  5.  Effect of helical line spaces on rain-wind induced vibration amplitude

    图  6  螺旋线直径对干索驰振振幅的影响

    Figure  6.  Effect of helical line diameter on dry cable galloping amplitude

    图  7  螺旋线间距对干索驰振振幅的影响

    Figure  7.  Effect of helical line space on dry cable galloping amplitude

  • [1] Hikami Y, Shiraishi N. Rain-wind induced vibrations in cable stayed bridge [J]. Journal of wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1988, 29: 409 − 418. doi:  10.1016/0167-6105(88)90179-1
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-04-30
  • 修回日期:  2020-02-25
  • 网络出版日期:  2020-06-01
  • 刊出日期:  2020-06-01

螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51378381);河北省杰出青年基金项目(E2018210044);河北省教育厅基金项目(QN2019164)
    作者简介:

    郑云飞(1985−),男,河北人,讲师,博士,主要从事桥梁的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail: yunfeizheng@foxmail.com)

    战启芳(1964−),男,山东人,教授,硕士,主要从事大跨度桥梁施工技术研究(E-mail: zzq221@163.com)

    刘训臣(1982−),男,山东人,副教授,博士,主要从事大跨度桥梁振动研究(E-mail: 23260040@qq.com)

    刘晓庆(1981−),女,河北人,讲师,硕士,主要从事工程结构防灾减灾研究(E-mail: 191699896@qq.com)

    通讯作者: 刘庆宽(1971−),男,河北人,教授,博士,主要从事桥梁与结构的风荷载、风致振动与控制研究(E-mail: lqk@stdu.edu.cn)
  • 中图分类号: U441

摘要: 斜拉索的大幅振动问题,例如风雨振、干索驰振,是桥梁设计和研究人员关注的问题之一。为了防止风雨振的发生,在斜拉索表面设置螺旋线是一种常见措施。而在进行螺旋线直径、间距选取时,只关注其对风雨振的影响,未考虑对干索驰振的影响。为了明确不同螺旋线参数组合对风雨振、干索驰振振动特性的影响,通过风洞试验的方法,在风速6 m/s~50 m/s范围内,在有、无人工模拟降雨环境下对不同螺旋线参数组合斜拉索进行测振试验,得到斜拉索模型振幅随螺旋线参数的变化规律。研究结果表明:总体而言,设置螺旋线后,斜拉索振幅减小,但斜拉索的振幅并非随螺旋线直径单调改变,呈现先增大后减小的趋势,螺旋线直径增大到某一数值时,振幅最大,工程应用中应慎重选择螺旋线的直径;随着螺旋线间距的增大,斜拉索振幅逐渐减小,设置螺旋线后,干索驰振的振幅明显减小;对于同一间距,螺旋线直径改变对干索驰振的影响不明显,对于同一直径,螺旋线间距小于临界间距后,螺旋线间距的改变对干索驰振的影响不明显,螺旋线间距大于临界间距后斜拉索发生明显振动。

English Abstract

郑云飞, 刘庆宽, 战启芳, 刘训臣, 刘晓庆. 螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
引用本文: 郑云飞, 刘庆宽, 战启芳, 刘训臣, 刘晓庆. 螺旋线参数对斜拉索气动特性影响的试验研究[J]. 工程力学, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
Yun-fei ZHENG, Qing-kuan LIU, Qi-fang ZHAN, Xun-chen LIU, Xiao-qing LIU. EXPERIMENTAL STUDY ON HELICAL LINE PARAMENTS’ EFFECT ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF STAY CABLES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
Citation: Yun-fei ZHENG, Qing-kuan LIU, Qi-fang ZHAN, Xun-chen LIU, Xiao-qing LIU. EXPERIMENTAL STUDY ON HELICAL LINE PARAMENTS’ EFFECT ON AERODYNAMIC CHARACTERISTICS OF STAY CABLES[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(S): 301-306. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.04.S057
  • 由于斜拉索具有质量小、阻尼低、柔度大等特点,导致其在风荷载的作用下容易发生振动,常见的振动形式有涡激共振、尾流驰振、风雨振和干索驰振,其中风雨振和干索驰振的振幅较大、破坏严重,成为设计和研究人员重点关注的问题。

    研究表明上雨线在风雨振中起着十分重要的作用[1-4]。因此学者提出在斜拉索表面设置螺旋线、凹坑[5]、纵向肋条[6]等气动措施破坏雨线的形成,从而达到抑振的目的。研究表明,在斜拉索表面设置螺旋线的方式最为有效,在实际工程中被广泛应用,而螺旋线的直径和缠绕间距的选取是设计人员关心的问题。

    Flamand[7]认为当螺旋线高度为1.3 mm、宽度为2.0 mm,螺旋线间距为0.6 m,并采用双螺旋线顺时针缠绕方式时抑振效果最好。顾明等[8]发现螺旋线逆时针缠绕抑制效果相比顺时针效果好,螺旋线直径为0.5 mm时,斜拉索的振幅相比光索振幅增大。李寿英等[9]研究发现螺旋线抑制了斜拉索周围漩涡的脱落,导致其轴向相关性减小;此外缠绕螺旋线后斜拉索规则的涡脱被破坏,尾流变窄[10]。薛晓峰等[11]研究了螺旋线对斜拉索表面风压的影响,研究表明:螺旋线对驻点、分离点影响不明显,只对其附近影响较大。林志兴等[12]研究了斜拉索倾角对缠绕螺旋线斜拉索阻力系数的影响,给出了不同倾角下阻力系数的拟合公式。王卫华等[13]分析了斜拉索风向角对其阻力系数的影响,研究结果表明,风向角在从0°增大为15°时,阻力系数有增大的趋势,但是改变不是十分明显。刘庆宽等[14-15]分析了不同螺旋线参数组合对斜拉索振动特性的影响,为工程应用中最优螺旋线选取提供了参考,此外还研究了不同螺旋线参数组合对斜拉索气动力的影响,给出了不同螺旋线参数组合下阻力系数的计算公式。此外,研究人员在有风无雨的条件下也观测到斜拉索的大幅振动,Cheng等[16]在风洞实验室中成功再现了该振动,该振动被学者定义为干索驰振。Cheng等[17]研究发现在特定空间姿态下,斜拉索的升力系数发生了剧烈改变。Matsumoto等[18]认为由于轴向流和雷诺数效应的联合影响导致干索驰振的发生。刘庆宽等[19]发现斜拉索在临界区出现较大升力,同时也观测到斜拉索大幅振动的发生。已有研究中主要关注螺旋线对风雨振的影响,较少关注螺旋线对干索驰振的影响,基于此,本文通过光滑表面的斜拉索和缠绕不同螺旋线参数斜拉索测振试验,详细研究了不同螺旋线参数对风雨振和干索驰振的影响。

    • 试验在石家庄铁道大学风工程研究中心的回/直可变双试验段大气边界层风洞进行[20]。研究分两阶段展开,首先研究螺旋线参数对风雨振的影响,为了对比不同螺旋线组合参数的抑振效果,试验在竖向角为β=25°、水平角为α=35°的空间姿态和降雨强度为10 mm/h风雨振最易发生的条件下展开。试验模型采用无缝钢管外包PE材料,保证了表面材料与真实斜拉索一致,试验模型如图1所示。斜拉索表面设置的螺旋线采用双螺旋线顺时针缠绕的方式,间距S分别为6D、8D、10D、12D(其中D为斜拉索模型的直径),直径分别为0.7 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm和3.0 mm,螺旋线布置如图2所示。振动系统的频率为1.03 Hz,阻尼比为0.11%,试验风速范围为6 m/s~18 m/s。

      图  1  风雨振试验系统

      Figure 1.  Test system of rain-wind induced vibration

      图  2  螺旋线布置示意图

      Figure 2.  Sketch of helical line installation

      螺旋线参数对干索驰振的影响研究在高速试验段内完成,试验区在40 m/s和65 m/s时的湍流度不大于0.16%。试验模型用直径为120 mm的有机玻璃管制成,长度为1700 mm,为保证模型周围的二元流动,模型两端设置了6倍模型直径的端板,试验模型安装如图3所示。研究中采用的螺旋线间距S分别为6D、8D、10D、12D、14D,直径分别为0.89 mm、1.24 mm、1.71 mm、1.84 mm、2.35 mm。振动系统频率为2.64 Hz,阻尼比为0.11%,试验雷诺数范围为1.0×105~4.0×105

      图  3  干索驰振试验系统

      Figure 3.  Test system of dry cable galloping

    • 为了使研究成果更有意义,后文讨论斜拉索振幅时,采用无量纲振幅CA定义如下:

      $${C_A} = \frac{A}{D}$$ (1)

      式中,A为斜拉索在某一风速下的最大振幅。某一型号模型在试验风速范围内的最大无量纲振幅用CA,max表示。

    • 螺旋线的间距为12D时,斜拉索振幅随螺旋线的直径的变化规律如图4所示。为了便于对比,图中给出未设置螺旋线时斜拉索振幅的分布情况。从图中可以看出,未设置螺旋线时,斜拉索在8 m/s~18 m/s风速范围内发生了大幅振动,设置螺旋线后,斜拉索的最大振幅及振动区间有所减小。但是斜拉索振幅随着螺旋线直径的增加并非是单调的变化趋势,螺旋线直径从0.7 mm增大为1.2 mm后的振幅有所增大。文献[8]也出现类似结果,表明当螺旋线直径选择不合理时无法达到抑振的目的。未设置螺旋线时,风速达到8 m/s斜拉索出现了大幅振动,设置螺旋线后,风速大于10 m/s时才观测到斜拉索的大幅振动,设置螺旋线提高了风雨振的起振风速。当螺旋线直径超过2 mm后,试验风速范围内,未观测到斜拉索的大幅振动,表明风雨振被完全抑制。由此结果可知,在螺旋线间距一定的情况下,只有其直径达到了一定的尺寸,才能达到较好的抑振效果。

      图  4  螺旋线直径对风雨振振幅的影响

      Figure 4.  Effect of helical line diameters on rain-wind induced vibration amplitude

      螺旋线的直径为1.2 mm时,斜拉索振幅随螺旋线的间距的变化规律如图5所示。从图中可以看出:在螺旋线高度为1.2 mm的情况下,随着螺旋线间距的减小,斜拉索的振幅呈单调减小的趋势,螺旋线间距为12D时最大振幅1.84D,螺旋线间距减小为6D后,试验风速范围内斜拉索的振幅均小于0.25D,认为斜拉索未发生大幅振动。螺旋线间距在8D~12D之间变化时,对起振风速的影响不明显,当螺旋线间距减小为6D后,斜拉索的大幅振动被抑制。表明对于一定型号的螺旋线存在临界螺旋线间距,当螺旋线间距小于临界间距后才能抑制斜拉索的大幅振动。

      图  5  螺旋线间距对风雨振振幅的影响

      Figure 5.  Effect of helical line spaces on rain-wind induced vibration amplitude

    • 螺旋线间距为12D时,不同螺旋线直径斜拉索振幅随雷诺数的变化规律如图6所示。总体而言,设置螺旋线后,斜拉索的振幅有所减小,但是振幅随螺旋线直径的改变,并不呈现出明显的规律性变化。这与其对风雨振的影响存在明显不同,主要由于这两种振动的机理不同。干索驰振是由于临界区出现的单侧分离泡,斜拉索出现较大升力,进而引发其大幅振动发生。在斜拉索表面缠绕螺旋线后,使得表面粗糙度增大,抑制了单侧分离泡的形成,使得较大升力消失,导致其振幅减小。

      图  6  螺旋线直径对干索驰振振幅的影响

      Figure 6.  Effect of helical line diameter on dry cable galloping amplitude

      螺旋线直径为1.24 mm时,不同螺旋线间距斜拉索振幅随雷诺数的变化规律如图7所示。由图可知,当螺旋线间距在6D~12D之间变化时,斜拉索振幅由0.20D增大为0.23D,螺旋线间距的改变对干索驰振振幅的影响不明显。当螺旋线间距增大到14D后,斜拉索的振幅出现较大改变,增大为0.46D。表明对于某一特定型号的螺旋线存在临界间距,当间距小于临界间距时,抑制当侧分离泡的形成,干索驰振被抑制,当螺旋线间距大于临界间距后,螺旋线之间区域能够形成单侧分离泡,从而斜拉索出现较大升力,引发斜拉索的振动。

      图  7  螺旋线间距对干索驰振振幅的影响

      Figure 7.  Effect of helical line space on dry cable galloping amplitude

    • 本文通过风洞试验的方法,研究了不同螺旋线参数组合对斜拉索风雨振和干索驰振的影响,得到如下结论:

      (1)为了提高螺旋线的抑振效果,可适当增大螺旋线直径或减小螺旋线间距。

      (2)在斜拉索表面缠绕螺旋线后,抑制了干索驰振的发生,提高了其气动稳定性。

参考文献 (20)

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