基于风洞试验的箱型吊杆风振特性研究.docx

基于风洞试验的箱型吊杆风振特性研究 箱式起重机是一种广泛应用于拱桥的刚性起重机。与H型吊杆在来流中可能会发生涡振、颤振及驰振等风振病害相比[1―2],扭转刚度的大幅提高使得箱型吊杆颤振稳定性得到改善,但仍可能存在涡振或驰振问题。Ruscheweyh[3―4]提出了一种考虑涡振幅值与涡激力相关性的细长杆件涡振幅值计算理论,与实测幅值吻合较好,现已写入欧洲规范。Matsumoto等研究了宽高比为2的矩形截面气动特性,指出不同攻角下其Strouhal数可由不到0.1升至高于0.2。Nakamura[6―7]通过研究多组矩形截面的紊流效应,指出紊流可明显影响结构气动力及风致稳定性,且影响程度与截面高宽比有关。Hémon等研究了不同紊流强度下宽高比为2的矩形的气动稳定性,指出紊流可抑制均匀流下的涡振响应,且对驰振临界风速有影响。Stegge等采用数值方法模拟矩形截面的涡脱特性,指出Re≥500后,Strouhal数模拟值要高于试验值。本文以某桥最长箱型吊杆为原型,对比研究了高宽比H/B=1/1.24与H/B=1/1箱型吊杆的风振特性,并以H/B=1/1.24为对象通过试验与数值方法分析了紊流对吊杆涡振性能的影响。 1 试验模型与试验阻尼比分析 吊杆原型宽B=1.032m,高H=0.832m,截面高宽比H/B=1/1.24。风洞试验中,按1∶5的几何缩尺制作了节段模型,模型长1400mm,宽207mm,高167mm,两端安装了直径为400mm的圆形端板以改善端部气流。另外,基于该吊杆原型参数设计制作了另一高、宽均为207mm,即H/B=1/1的吊杆模型。试验在湖南大学风工程试验研究中心HD-2风洞高速试验段进行,相关试验参数采用ANSYS中的壳单元建模分析得到,如表1所示,试验阻尼比采用对数衰减率法识别。由于吊杆为直立安装,且考虑到箱型吊杆截面的对称性,对于H/B=1/1.24的模型,测试的攻角(对于实桥为风向角)范围为0°~90°,对于H/B=1/1的模型,测试的攻角范围为0°~45°。风攻角定义如图1所示,来流风U垂直于吊杆高H定义为0°攻角,垂直于吊杆宽B定义为90°攻角。 2 吊杆锚压下的使用特性 弹性悬挂试验中,节段模型固定在两自由度弹簧支架系统上,通过固定在弹簧端部的力传感器获得位移信号,图2为固定于支架系统上的节段模型。试验中以5°攻角步长研究了两组箱型吊杆的气动性能变化,试验风速按表1中风速比换算至实桥后,弯曲振动风速均超过了74m/s,扭转振动风速超过了250m/s。在试验风速区间及攻角范围内,两箱型模型均没有出现扭转颤振,可见箱型吊杆具有足够抗颤振稳定性。 不过,H/B=1/1.24的箱型吊杆在高于40m/s的实桥风速后,在0°~10°和75°~90°两个攻角范围内,分别出现了强烈的弯曲涡激共振现象。图3为折算到实桥后两个攻角下涡振响应,由图3可见,一旦发生涡激共振,振幅随风速增加而迅速增加。实桥最大振幅超过200mm,远高于规范容许值,而且共振的风速区间也很大,直至风速大于65m/s后振幅才开始衰减。表2中给出了各攻角下观测到的涡振风速区间(换算至实桥)、无量纲最大幅值(Amp为振动幅值;B为箱型吊杆宽)及Strouhal数(St=f D/U;U为涡振起振风速;0°~45°攻角f=fhy,D=H;45°~90°攻角f=fhx,D=B)。个别攻角试验中没有得到涡振消失时的风速,表2中仅给出起振风速。由表2中可见,除10°攻角涡振振幅和锁定区间较小外,其他攻角发生涡振后的振幅与锁定区间都非常大。0°~10°攻角下St数在0.09附近,而75°~90°攻角下多数在0.13附近。 H/B=1/1的模型在试验中多个攻角下也出现了较为显著的涡振响应,不过其涡振幅值与锁定区间较H/B=1/1.24的模型小很多,且振幅已可满足规范要求,如表2所示。由表2中可以看出,H/B=1/1的箱型吊杆涡振起振风速普遍较H/B=1/1.24的吊杆要高,0°与5°攻角吊杆在47m/s后才出现涡振,而35°~45°攻角内直到60m/s附近才出现涡振。总的看来,H/B=1/1箱型吊杆的涡振性能要优于H/B=1/1.24的箱型吊杆。 3 驰振系数及临界风速 两吊杆模型试验中,仅H/B=1/1的箱型吊杆在试验风速区段内出现了弯曲驰振现象,如图4所示。由图4中可见,达到临界点后,模型的横风向位移随风速增加急剧增大,在0°、5°及10°攻角,对应实桥的驰振临界风速分别为58.9m/s、58.1m/s及57.6m/s。考虑到试验中两模型对应的竖向阻尼比分别为0.12%和0.21%,相差接近一倍,而且驰振又与结构的阻尼比成正比关系,为此,试验中将模型竖直固定于天平上,并随风洞转盘以2°攻角步长旋转,测试了两箱型吊杆的三分力曲线(图5),并由阻力与升力曲线计算出驰