全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究.pdf
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1、书 书 书 铁道技术标准第卷 第期 收稿日期:;修回日期:基金项目:国家自然科学基金();四川省自然科学基金项目()全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究?子龙,杨凌,李永乐,潘俊志(西南交通大学复杂艰险山区铁路防灾减灾铁路行业重点实验室,四川成都)作者简介:?子龙,年月生,副教授,博士,硕士生导师,电子邮箱:。主要从事研究方向:深水大跨桥梁工程、桥梁水动力、桥梁抗风,先后主持或参与多项国家自然科学基金等重点项目课题,发表论文余篇,获授权发明专利、软著等项。摘要:全封闭式屏障相较普通墙式透孔式屏障具有更好的隔音与防风性能,近年在铁路与轨道桥梁中应用广泛。然而,全封闭式屏障体积较
2、大,透风率较低,可能显著影响主梁气动外形与抗风性能。因此,为评价全封闭式屏障对大跨桥梁抗风性能的影响,本研究以某在建公铁两用双层悬索桥为工程背景,采用风洞试验与数值计算方法,研究全封闭式屏障对主梁气动力系数、涡激振动、颤振稳定性与抖振响应等关键抗风性能的影响。研究结果表明:全封闭式屏障对双层桁架梁的气动力参数影响较明显,阻力与升力系数增加,力矩系数减小;设置全封闭式屏障可能诱发主梁的涡激振动,但对颤振稳定性未观察到显著影响;设计风速下,全封闭式屏障会增加主梁静风位移,并显著改变主梁抖振响应。关键词:全封闭屏障;公铁双层桁架桥;风洞试验;抗风性能文章编号:()中图分类号:文献标识码:,(,)铁道
3、技术标准 :,:,:,(),:;:():引言近年来,轨道噪声与车辆横向稳定性问题备受关注,特别是跨海大桥与城市公铁两用桥梁,对噪声和行车安全性控制提出了更高的要求。目前,在桥面两侧或轨道两侧加装屏障是隔音与防风的主要措施。相较于传统的直立式与半封闭式屏障,全封闭式屏障具备更好的降噪和防风性能,但因其体积较大、透风率低,使得桥面加装全封闭式屏障后主梁断面气动外形以及表面压力分布变化显著,桥梁的抗风性能也会随之发生改变。已有研究中,韩旭等研究全封闭屏障对高速铁路(以下简称“高铁”)箱梁表面压力以及气动性能的影响,表明横风作用下,全封闭屏障对主梁气动力参数与表面压力分布影响显著;等利用风洞试验研究桥
4、梁设置声屏障前后的风荷载,分析有无声屏障对桥梁气动性能的影响;黄永明等研究横风作用下高铁全封闭矩形屏障的气动性能,为高铁桥上全封闭矩形式屏障结构的抗风设计提供了理论依据;李永乐等研究了一个设置分段式声屏障的公铁两用桥梁的涡激振动性能,结果表明声屏障的设置会显著提高桥梁的涡振稳态幅值。既有研究中,国内外学者大多关注箱梁结构与半封闭式屏障,而对设置全封闭式屏障的公铁两用双层桁架桥梁抗风性能影响研究相对较少。然而,上述研究表明桥面加装屏障对桥梁的气动力参数以及抗风稳定性均有显著的影响,在设计阶段应予以重视。为评价全封闭式屏障对公铁两用双层桁架桥梁抗风性能的影响,本研究以某在建大跨悬索桥为工程背景,采
5、用风洞试验与数值计算方法,研究全封闭式屏障对主梁气动力系数、涡激振动、颤振稳定性与抖振响应等关键抗风性能的影响。研究结论可为大跨径公铁双层桁架桥的抗风性能评估提供理论支持以及屏障的选择和设计提供参考。?子龙等:全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究项目概况某公铁两用跨江大桥,大桥采用单孔悬吊双层连续钢桁梁悬索桥,跨径布置为()。大桥上层为双向车道城市快速路,下层桥面中央设置双向轨道,两侧为双向车道城市主干路与人行道。桥梁立面图见图。图桥梁立面图(单位:)为降低列车穿越居民聚集区带来的噪声污染以及防止列车在大风环境下发生脱轨与倾覆事故,下层轨道设置了全封闭式屏障,该屏障整体为矩形
6、断面,高 ,宽 ,沿主梁通长布置,其顶部与棱角均以圆弧面与侧壁相连,圆弧半径分别为 和 ,主梁与屏障标准断面图见图。图主梁与屏障标准断面图(单位:)为研究风荷载作用下主梁在横向、竖向及扭转方向发生的静力变形与动力响应,本研究利用建立了桥梁的有限元模型,其中,为明确计算时加载点荷载及位置,通过刚度等效原则将加劲梁等效为“单主梁”,分析得到桥梁主要模态见表所示。表桥梁主要模态阶次方向频率 振型特点横桥向 一阶正对称横弯 一阶反对称横弯竖桥向 一阶正对称竖弯 一阶反对称竖弯扭转 一阶正对称扭转 一阶反对称扭转屏障对桥梁气动力参数的影响静力三分力系数是风致响应计算分析的基础,而桥面设置全封闭式屏障对主
7、梁气动外形改变较大,可能会对主梁静力三分力系数造成显著变化。本研究通过节段模型风洞试验系统测试桥面安装全封闭式屏障前后种方案的气动力参数。试验于工业风洞第二试验段中开展,静力试验节段模型固定在侧壁支撑与测力天平系统上,由计算机控制模型的姿态角来调整攻角的变化,节段模型测力试验见图。图节段模型测力试验节段模型与屏障均采用塑料制作,缩尺比为铁道技术标准 ,主梁尺寸为 ,全封闭式屏障尺寸为 ,屏障顶面与侧面圆弧过渡段均严格满足几何相似准则。试验流场为均匀流,风速为 ,测试范围为 风攻角。在梁上作用的静风荷载通常使用体轴坐标系()和风轴坐标系()表示,三分力示意图见图。图三分力示意图图中:、分别为体轴
8、下的单位长度静风阻力与静风升力,;、分别为风轴下的单位长度静风阻力与静风升力,;为单位长度静风力矩,;为风攻角,。主梁在风轴坐标系下的阻力系数、升力系数与力矩系数分别为()()()()()()()()()()()()式中:()、()分别为不同攻角情况下采用风轴坐标系时的阻力、升力,;、()为不同攻角情况下采用风轴坐标系时的力矩,;为空气密度,取 ;为来流平均风速,即 ;、为模型断面的高度、宽度和长度,分别为、。不同工况下的静力三分力系数见图。可以发现,加装全封闭式屏障后,主梁的阻力系数增大,升力系数绝对值和力矩系数明显减小。对于阻力,流体通过封闭式屏障时将在屏障结构上作用气动力,该气动力会增大
9、主梁的阻力系数;对于升力,这是由于在负攻角下,气流直接作用在屏障上表面上,但由于该屏障上表面具有良好的流线外形,使得屏障与桥面的总压力小于气流直接作用在桥面上的力,表现为升力系数绝对值变小。特别是攻角靠近时,这种影响更显著,当攻角接近时,这种压力效应逐渐减小。在正攻角范围内,由于桥面屏障的干扰作用,表面负压力进一步变小,从而使主梁有屏障状态的升力系数低于无屏障状态的升力系数;对于力矩,这主要是气流流经无屏障的下层桥面时,气流产生的黏滞力使桥面产生较大的扭转力矩,但由于屏障的作用影响了表面比较平稳的气流,使这种扭转力矩变小,进而表现为负攻角时升力矩系数绝对值增大,而在正攻角时绝对值减小。此变化规
10、律与文献 给出的试验结果保持一致。图不同工况下的静力三分力系数屏障对桥梁涡激振动的影响大跨径悬索桥柔度大、频率低,对风的作用较为敏感,容易在较低风速下,发生涡激振动。本研究通过动力节段模型风洞试验测试全封闭式屏障布置前后主梁的涡激振动性能,该试验模型与静?子龙等:全封闭式屏障对大跨双层公铁两用悬索桥抗风性能的影响研究力试验所使用的节段模型相同,试验通过刚性节段模型模拟主梁的气动外形,利用根拉伸弹簧悬挂在支承系统上,形成了以竖向和扭转自由度为主的振动系统,节段模型动力试验见图。图节段模型动力试验在进行动力节段风洞试验前,本研究严格依照 公路桥梁抗风设计规范()与相似准则设计试验参数,涡激振动试验
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