斜拉索风雨激振试验新装置的设计与应用

刘小兵， 陈 帅， 郑云飞， 刘庆宽， 马文勇

(1. 石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所, 石家庄 050043；2. 河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室, 石家庄 050043； 3. 石家庄铁道大学 土木工程学院, 石家庄 050043)

斜拉索风雨激振试验新装置的设计与应用

刘小兵1,2， 陈 帅3， 郑云飞3， 刘庆宽1,2， 马文勇1,2

(1. 石家庄铁道大学 大型结构健康诊断与控制研究所, 石家庄 050043；2. 河北省大型结构健康诊断与控制重点实验室, 石家庄 050043； 3. 石家庄铁道大学 土木工程学院, 石家庄 050043)

针对石家庄铁道大学回直流可变大气边界层风洞，设计了一种用于斜拉索风雨激振试验的新装置，介绍了该装置的各组成部分及工作原理。应用该装置开展了一系列的风雨激振风洞试验，研究了斜拉索的倾角、降雨强度、来流风偏角和来流风速等参数对斜拉索风雨激振的影响。试验结果表明，该装置不仅可以比较方便地调节斜拉索的倾角和斜拉索与来流风之间的偏角，而且可以实现自然雨滴特性的模拟和雨量的控制；针对选定的直径为155 mm的斜拉索，在倾角为25°、 风偏角为35°、 降雨强度为10 mm/h、 风速为13 m/s左右的条件下，斜拉索风雨激振的幅度最大。

斜拉索； 风雨激振； 试验装置； 风洞试验

斜拉索风雨激振是在特定的风雨条件下斜拉索发生的一种大幅振动。国内外许多大跨度桥梁，如美国的Fred Hartman大桥、日本的明港西(Meiko-nishi)大桥、我国的杨浦大桥、南京长江二桥、岳阳洞庭湖大桥等都曾发生过斜拉索风雨激振现象。由于振幅大、破坏严重，风雨激振已经成为近年来大跨度斜拉桥设计中最为关注的问题之一。

近20多年来，国内外许多研究人员分别通过理论分析、现场实测、风洞试验及数值模拟等手段对斜拉索风雨激振问题进行了研究。由于能够有效调节各种参数，人工模拟降雨风洞试验常用来进行斜拉索风雨激振的影响参数研究与振动机理分析。Hikami等[1]利用图1(a)所示的装置进行了人工降雨风洞试验，首次再现了斜拉索风雨激振现象。顾明等[2-4]设计了图1(b)所示的装置，在国内率先开展了人工降雨风洞试验，首先研究了包括斜拉索倾角、来流风偏角、模型系统的频率和阻尼等多种参数对斜拉索风雨激振的影响，然后进一步研究了降低斜拉索风雨激振的螺旋线方法。研究结果表明，适当设计螺旋线的高度和螺距可消除斜拉索的风雨激振。李文勃等[5-6]沿用图1(b)所示的装置开展了人工降雨风洞试验，并结合人工水线雨振试验研究了水线的大小和位置、斜拉索动力参数和风偏角对风雨激振的影响。结果表明，斜拉索表面上水线的形成是斜拉索风雨激振发生的必要条件，斜拉索的风雨激振现象只能发生在一定的风偏角内。许林汕等[7]在图1(b)所示装置的基础上，开发了高精度人工模拟降雨装置，系统研究了风速、雨量以及风雨联合作用对斜拉索风雨激振的影响。研究发现，斜拉索风雨激振受到风速和雨量的联合影响，按振动现象不同，可将风速和雨量分为四个区间：小雨量和低风速区间、小雨量和高风速区间、大雨量和低风速区间和大雨量和高风速区间。在小雨量和高风速区间，斜拉索的振幅最强烈。李永乐等[8]以宜宾长江大桥的斜拉索为背景，利用图1(c)中所示的装置开展了人工降雨风洞试验，分析了来流风速、斜拉索倾角和来流风偏角等对斜拉索风雨激振的影响。研究发现，斜拉索在小雨甚至“毛毛雨”的情况下容易发生振动。Zhan等[9]设计了如图1(d)所示的斜拉索风雨激振试验装置，并分析了斜拉索倾角、来流风向角和结构阻尼比等对斜拉索风雨激振的影响。结果表明，斜拉索的风雨激振振幅与各个参数密切相关，当阻尼比大于0.43%或模型缠绕螺旋线后，斜拉索的风雨激振现象消失。

(a) 文献[1]中的试验装置

(b) 文献[2-4]中的试验装置

(c) 文献[8]中的试验装置

(d) 文献[9]中的试验装置

综合以上文献及图1所示图片可以看到：① 目前已开展的斜拉索风雨激振试验基本上是在开口直流风洞的射流区进行，试验装置的悬挂支架部分体型相对较大，这与开口直流风洞射流区的空间相对宽敞有一定的关系。对于射流区空间受限的回直流可变风洞，这些试验装置可能不太适用。② 目前已开展的斜拉索风雨激振试验中，降雨模拟大多采用等间距普通喷头洒水，难以保证自然雨滴特性的模拟效果和对雨量的精确调节，因为这个原因，雨量对斜拉索风雨激振影响的定量研究相对不足，还有待于进一步深化。

针对石家庄铁道大学回直流可变大气边界层风洞设计了一种斜拉索风雨激振试验新装置，该装置包括可方便调节斜拉索模型空间姿态的悬挂支架和可高精度调节雨强的人工模拟降雨器。应用该装置开展了一系列的风雨激振风洞试验，系统研究了各试验参数，尤其是降雨强度对斜拉索风雨激振振幅的影响。

1 斜拉索风雨激振试验新装置的设计

为了开展斜拉索风雨激振试验研究，石家庄铁道大学大气边界层风洞在设计伊始即采用了回直流可变方案[10]。如图2所示，洞体的两个拐角沿轨道可以移开，变回流风洞为U型直流风洞。本文设计的试验装置即放置在U型直流风洞的射流区。

1.1 斜拉索模型悬挂支架

图3给出了悬挂支架的各组成部分及相关尺寸。图4为悬挂支架组装前后的照片。从图3和图4可以看到，悬挂支架包括下部支座和上部架体两部分。

(a) 回流状态示意图

(b) 直流状态示意图

上部架体包括外钢圈(5)、内钢圈(6)、滚轴(7)、限位螺杆(8)、悬挂构件(9)、定位圆柱(10)和限位钢杆(11)。外钢圈(5)为内弧面开设滑道的环弧形结构，由两段弯弧加工的槽钢连接而成，圆弧的直径为3.37 m，弧形开口对应的圆心角为30°。外钢圈(5)的外弧面设置了两个刚性支腿(51)，用来与下部底座连接。内钢圈(6)为安装在外钢圈(5)滑道内的圆环结构，由两段弯弧加工后的工字钢连接而成，直径为3.18 m。在外钢圈(5)和内钢圈(6)之间设置了6个滚轴，内钢圈(6)的外弧面与滚轴(7)抵触。在三个滚轴附近位置，在外钢圈的槽钢腹板与内钢圈的工字钢腹板之间分别设置两限位螺杆(8)。内钢圈(6)的内弧面设置四个用于悬挂斜拉索模型的悬挂构件(9)。在外钢圈(5)顶部的外弧面设置保证架体垂直度的定位圆柱(9)和两限位钢杆(10)。两限位钢杆(10)大体垂直，一端与定位圆柱(9)铰接，另外一端与分别与刚性连接。上部架体主要有两个功能，其一是悬挂斜拉索模型，其二是调节斜拉索模型的倾角。斜拉索模型的倾角调节过程如下：首先，调节限位螺杆，使限位螺杆与内钢圈的工字钢腹板不接触；然后，在外钢圈(5)的弧形开口处施加外力，内钢圈、悬挂构件及斜拉索模型便可以通过滚轴的滚动在外钢圈(5)内作面内转动；最后，待斜拉索模型旋转到所需的倾角位置后，调节限位螺杆，使限位螺杆顶紧内钢圈的工字钢腹板。

下部支座主要包括底座(1)、中心轴(2)、限位螺栓(3)和转盘(4)。底座(1)是由横梁和竖梁焊接而成的方形结构，该方形结构长3 m，宽1 m。在底座(1)的中心安装竖直的中心轴(2)，转盘(4)通过轴承套装于中心轴(2)上可在水平面内旋转。在转盘(4)的上表面设置标识旋转角度的刻度。在轴承外侧设置了用于限定转盘(4)转动角度的限位螺栓(3)。转盘(4)又包括轴承套(41)、外圆环(42)、支撑板(43)、刚性套管(44)以及支腿(45)。轴承套(41)配装在中心轴(2)的轴承上，外圆环(42)是与轴承套(41)同轴的圆环板状结构，轴承套(41)与外圆环(42)之间连接若干均布的支撑板(43)支撑腿(45)。在转盘(4)上设置两个刚性套管(44)，上部架体通过刚性支腿(51)套装在刚性套管(44)内。下部支座的主要有两个功能，其一是支撑上部架体。其二是调节斜拉索模型与来流风之间的偏角，调节过程如下：首先，调节限位螺栓，使限位螺栓与中心轴不接触；然后，在外圆环(42)上施加外力，上部架体、斜拉索模型连同转盘即可绕中心轴旋转；最后，待斜拉索模型旋转到所需的风偏角位置后，调节限位螺杆，使限位螺杆顶紧中心轴。

(a) 支架组装前

(b) 支架组装后的上部架体

(c) 支架组装后的下部支座

1.2 高精度人工模拟降雨器

图5为人工模拟降雨器的示意图。图6为人工模拟降雨器的主要部件。从图5和图6可以看到，人工模拟降雨器位于悬挂支架的上方，主要由供水系统、降雨系统、控制采集系统三大部分组成。

供水系统主要包括水箱、水泵和供水管，其主要的功能是为整个系统提供水源。降雨系统主要包括降雨喷头和电磁阀，其主要的功能是把供水系统提供的水源模拟成自然降雨，喷落到斜拉索模型上。为得到与

自然降雨相似的人工模拟降雨，采用4组旋转下喷式喷头组。每个喷头组由三种不同口径的下喷式喷头组成。每种口径的喷头对应控制器上的一个开关。通过控制开关，可实现不同口径喷头的组合，这样既可以保证雨滴特性的模拟效果，又可以实现不同雨强的变化。表1列出了降雨器的主要参数。控制采集系统主要包括控制器、雨量计和终端计算机，其主要功能是对供水系统和降雨系统的工作状态进行控制，将雨量计测量的数据进行采集与处理。

表1 人工模拟降雨器的主要参数指标

图5 高精度人工模拟降雨器示意图

2 斜拉索风雨激振试验新装置的应用(风雨激振的参数分析)

利用上节所述新装置，在石家庄铁道大学回直流可变大气边界层风洞射流区开展了一系列斜拉索风雨激振试验。如图4(b)所示，斜拉索模型的长度为2.5 m，直径为155 mm。试验中通过模型两端的支撑弹簧来调节模型的频率，通过弹簧上的橡胶阻尼圈来调整模型的阻尼比。为了记录模型的振动情况，在悬挂构件与弹簧之间安装了测力计，通过测得的力信号，经换算可得到模型的振幅。本试验中斜拉索模型的频率为1.03 Hz，阻尼比为0.11%。试验系统的Scruton值约为10左右。来流风速为0～18 m/s，降雨强度为0～70 mm/h，斜拉索模型倾角的变化范围为25°～35°，来流风偏角的变化范围为30°～50°。图7为倾角α和风偏角β的示意图。图8为斜拉索倾角为25°，风偏角为35°时，斜拉索模型的振幅随来流风速和降雨强度的变化关系。图9为降雨强度为10 mm/h，风偏角为45°，不同倾角条件下斜拉索模型的振幅随风速的变化曲线。为了便于比较，图中也给出了倾角为25°，风偏角为35°的结果。图10为降雨强度为10 mm/h，倾角为35°，不同风偏角条件下斜拉索模型的振幅随风速的变化曲线。为了便于比较，图中同样给出了倾角为25°，风偏角为35°的结果。限于篇幅，其它工况下的试验结果没有给出。综合对比所有试验工况下的结果发现，在斜拉索倾角为25°、风偏角为35°、降雨强度为10 mm/h、风速为13 m/s左右的条件下，斜拉索风雨激振幅度最大。

(a) 控制器

(b)水箱

(c) 雨量计

(d)供水管(e)降雨喷头

图6 高精度人工模拟降雨器的主要部件

Fig.6 Main parts of high precision rainfall system

图7 斜拉索模型的倾角α和风偏角β

图8 振幅与风速和雨强的关系(倾角α=25°和风偏角β=35°)

图9 振幅与斜拉索倾角的关系(雨强10 mm/h)

3 结 论

针对石家庄铁道大学回直流可变大气边界层风洞设计了一种斜拉索风雨激振试验新装置，该装置主要由斜拉索模型悬挂支架和高精度人工模拟降雨器两部分组成。应用该装置开展了一系列的风雨激振风洞试验，研究了各试验参数，尤其是降雨强度对斜拉索风雨激振振幅的影响，主要得到了以下几点结论：

图10 振幅与风偏角的关系(雨强10 mm/h)

(1) 与已有的斜拉索风雨激振试验装置相比，该新装置的适用范围更广，不仅可在开口直流风洞的射流区进行试验，也可在空间受限的回直流可变风洞的射流区进行试验。

(2) 该装置不仅可以比较方便地调节斜拉索的倾角和斜拉索与来流风之间的偏角，而且可以实现自然雨滴特性的模拟和雨量的控制，从而提高了试验的效率和精确度。

(3) 针对选定的直径为155 mm的斜拉索，在倾角为25°、风偏角为35°、降雨强度为10 mm/h、风速为13 m/s左右的条件下，斜拉索风雨激振的幅度最大。

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Design and application of a new test rig for stay cables’ rain-wind induced vibration

LIU Xiaobing1,2, CHEN Shuai3, ZHENG Yunfei3, LIU Qingkuan1,2, MA Wenyong1,2

(1. Structural Health Monitoring Institute, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China;2. Hebei Provincial Key Lab of Structural Health Monitoring and Control, Shijiazhuang 050043, China;3. School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Aiming at the variable reflux/DC atmospheric boundary layer wind tunnel in Shijiazhuang Tiedao University, a new test rig for stay cables’ rain-wind induced vibration was designed. Its components and working principle were introduced. A series of wind tunnel tests for stay cables’ rain-wind induced vibration were performed using this test rig. The effects of rainfall intensity, inclination angle of cable, wind yaw angle and wind velocity on stay cables’ rain-wind induced vibration were studied. The test results showed that the designed test rig can meet wind tunnel tests’ requirements for stay cables’ rain-wind induced vibration; for a cable with a diameter of 155 mm under the conditions of inclination angle 25°, wind yaw angle 35°, rainfall intensity 10 mm/h and wind velocity 13 m/s, its rain-wind induced vibration amplitude reaches the maximum..

stay cables; rain-wind induced vibration; test rig; wind tunnel test

国家自然科学基金(51308359; 51378323)；河北省自然科学基金(E2014210138)；河北省高等学校科学技术研究基金(QN2015213)

2016-07-27 修改稿收到日期：2016-11-11

刘小兵 男，博士，副教授，1982年3月生

刘庆宽 男，博士，教授，1971年1月生

E-mail:lqk@stdu.edu.cn

U441.3

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.15.034