钝体断面列车对斜拉桥涡振稳定性影响的试验研究

胡腾飞 许汝武

摘要：涡激振动是大跨柔性桥梁风致振动中最常发生的一种现象，对结构气动外形与局部构造的微小变化十分敏感，列车在桥梁上行驶势必会改变桥梁断面的气动外形，因此有必要研究列车对桥梁涡振性能的影响。文章在试验中采用弹性悬挂刚性节段模型车桥系统，在不同阻尼比条件下进行了桥面无车和桥面有车往返状态下的涡激振动风洞试验。研究表明：在桥面无车状态-3°风攻角时，主梁发生了明显的竖向涡激振动;主梁断面抗涡性能的最有利风攻角为+3°，而在桥面有车状态下则刚好相反;车桥系统断面的涡振稳定性由主梁断面本身具有的涡振性能与列车气动外形对主梁涡振性能的影响共同决定;在实际工程中，钝体断面列车对车桥系统涡激振动稳定性的影响是不可忽视的。

关键词：安全工程;涡激振动;列车;风洞试验

Vortexinduced vibration is the most common phenomenon in windinduced vibration of largespan flexible bridges，it is very sensitive to the aerodynamic shape of structures and the small changes in local structures，and the trains driving on the bridges will inevitably change the aerodynamic shape of bridge sections，thus it is necessary to study the influence of trains on the vortex vibration performance of bridges.This article uses the elasticsuspension rigidsection model trainbridge system in the experiment to conduct the vortexinduced vibration wind tunnel test under the roundtrip condition with and without train on bridge and under different damping ratio conditions.The research shows that the main beam has the obvious vertical vortexinduced vibration at 3° wind angle of attack without train on the bridge;the most favorable wind angle of attack for the vortex resistance of main beam section is +3°，while it is opposite when there is the train on the bridge;the vortex vibration stability of trainbridge system crosssection is jointly determined by its own vortex vibration performance of main beam section and the influence of train aerodynamic shape on the vortex vibration performance of main beam;in actual engineering，the bluntbody section train has a nonignorable influence on vortexinduced vibration stability of trainbridge system.

Safety engineering;Vortex induced vibration;Train;Wind tunnel test

0 引言

渦激共振是指风流经桥梁时，可能出现流动的分离和周期性的漩涡脱落，使桥梁结构左右和上下表面产生交替变化的涡激力，当漩涡脱落频率等于桥梁或接近于桥梁结构某阶固有频率时，将会引起桥梁结构振动的现象，又称为涡激振动（简称涡振）。涡激振动是大跨度柔性桥梁在低风速下容易发生的一种限幅风致振动现象，只在特定的风速区间发生，并对结构阻尼及气动外形的微小变化十分敏感[1-2]。尽管涡激振动不像驰振和颤振那样是发散的毁灭性的振动，但由于在低风速下常易发生，可能会引起桥梁结构的疲劳损坏，且振幅之大足以影响行车舒适性，甚至威胁行车安全[3]，因此对涡激振动的研究是十分必要的。国内外学者虽然对许多大桥的涡振现象进行了大量的研究，并取得了一些重要成果[3-6]，但由于涡振影响因素繁多，其机理仍未彻底揭示，而理论分析方法与数值模拟技术则存在一定的局限性，故通常采用风洞试验进行研究，而主梁节段模型风洞试验是使用最为广泛的手段之一。

涡振对桥梁结构的气动外形与局部构造十分敏感，风不仅会作用在桥上，还会作用在车上，列车的存在会改变桥梁断面的绕流特性。近年来列车在强风作用下的脱轨、侧翻和人员伤亡事故时有发生[7-9]。如2007年2月，乌鲁木齐驶往阿苏克的列车车窗在强风作用下被飞沙打碎，11节车厢被吹翻，导致4人死亡，线路被迫中断行车[10]。鉴于此，在风车桥系统的理论与试验研究方面主要集中于列车在强风作用下的安全性研究[11-14]，而对中低风速下可能发生车桥系统涡振的研究则较少。Reinhold[15]虽在大海带东桥节段模型风洞试验中将车辆列为影响因素，但未进行系统研究。周立[16]与李春光[17]分别针对某特定车流和多种交通车流研究了车辆对公路桥梁涡振性能的影响。但车辆模型仅限于流线型较好的公路车辆，而对行驶在铁路桥梁上非流线型列车的研究则鲜见报道。因此，本文基于弹性悬挂刚性节段模型，模拟钝体效应明显的C80B型运煤专用敞车往返两种车流状态，测试不同风攻角下桥梁主梁振动的涡振响应，探讨往返状态下列车对其涡振性能的影响。

1 工程背景

本文以某在建开口断面斜拉桥为背景，该桥跨径布置为（99.12+140+406+406+140+99.12）m，图1为该桥效果图。主梁采用开口钢箱梁与钢桁架的组合断面形式，两独立小钢箱布置在横断面两端，通过横梁和正交异型钢桥面连接，钢箱梁全宽21.0 m，中心梁高为2.5 m。钢桁为三角形桁式，上弦桁宽12 m，下弦桁宽14 m，桁高12 m。

桥梁界普遍认为，气流绕过桁架梁时，难以形成规则的漩涡脱落，因此不易发生涡振。但对于开口钢箱梁断面，由于其自身钝体效应十分明显，由其组成的桁架梁仍可能发生涡激振动，进而引发桥梁结构疲劳，影响行车舒适性和安全性。为了确保该桥抗风稳定性，采用弹性悬挂刚性节段模型风洞试验对该桥成桥状态进行了涡激振动研究，并在发现该桥存在较大幅度涡振的前提下，以断面钝体效应也十分明显的C80B型运煤专用敞车为例，进一步研究了列车对该桥涡振性能的影响。

2 风洞试验

2.1 模型设计及试验参数

为了研究风车桥系统下列车对该桥涡振性能的影响，试验中采用80 t级载重的C80B型运煤专用敞车作为列车模型。C80B型敞车几何缩尺比与主梁相同，为1：54.5，列车质量相比桥梁很小，可忽略不计，仅模拟其气动外形。考虑到涡振对断面气动外形的微小变化十分敏感，并结合实际运营情况在试验中将列车分为有盖板状态（满载南下）与无盖板状态（空载北上）往返两种工况，且试验中列车均位于受力略大的迎风侧，列车单节车厢模型如图2所示。

采用ANSYS软件建立实桥有限元模型，采用子空间迭代法进行模态分析后得到该桥动力特性并计算得到主梁单位长度的等效质量和等效质量惯性矩[18]。节段模型两边的小钢箱梁采用铝合金钢管以保证模型的整体刚性，其余部分采用高强轻质木板制作以满足质量与质量惯矩等相似要求。节段模型中竖弯与扭转涡振采用相同的频率比和风速比。节段模型试验参数见表1，横断面如图3所示。

2.2 试验装置

主梁节段模型涡激共振试验在湖南大学风工程试验研究中心HD-2边界层高速试验段进行。节段模型采用8根弹簧自由悬挂方式固定，主梁下方对称布置4个激光位移计[17]，用于测量主梁振动的位移时程，设备采样频率为100 Hz。模型前方布置与主梁等高的风速测定仪[17]，能够对来流风速进行监测和记录。试验中位移时程通过东华系统[17]进行采集。节段模型测振系统如图4所示。

2.3 涡振峰值限制

由于在试验过程中，均未观测到扭转涡振，因此本文的研究仅针对竖向涡振展开。基于目前铁路桥梁抗风设计缺乏相应的规范，故通常采用《公路桥梁抗风设计规范》[19]（下文简称《规范》）标准进行判断，根据《规范》规定，成桥状态下主梁竖弯涡振容许振幅峰值为：

3 试验结果及分析

涡振试验分定性分析和定量分析两个阶段进行。试验首先采用《规范》规定的阻尼比定性地研究了列车对桥梁涡振稳定性的影响，再通过减小阻尼比，使各工况下均出现涡振现象，进一步定量地讨论了列车气动外形对桥梁涡振性能的影响。

3.1 定性分析

为研究列车气动外形对桥梁涡振性能的影响，依据《规范》在阻尼比ζ=0.5%条件下进行了桥面无车和桥面迎风侧有车空载无盖板2种断面形式， +3°、0°和-3°风攻角下共6个工况的涡振试验。试验结果如下页图5所示。相比满载有盖板状态，空载无盖板状态的涡振稳定性更加不利，因此定性分析阶段没有进行满载有盖板工况的试验研究。

由图5可知，该桥在-3°风攻角桥面无车状态下，发生了明显的竖向涡激振动，临界起振风速为15 m/s，振幅达到0.071 m，超过了《规范》容许值0.049 m，表明该桥在-3°风攻角条件下的涡振性能是不稳定的，而在0°和+3°风攻角条件下具有良好的涡振稳定性;在锁定区间内，涡振频率与模型的竖向振动频率一致，为4.785 Hz（见下页图6）。当列车空载状态布置于桥面迎风侧时，并未出现涡激共振，这表明列车的存在避免了涡振的出现，对桥梁涡振具有抑制作用，更确切地说，列车的存在使桥梁在-3°风攻角條件下具有较好的涡振稳定性。

3.2 定量分析

为了进一步研究列车对桥梁涡振稳定性的影响，需使主梁在不同攻角下均发生涡激振动，从而定量地比较列车气动外形对主梁涡振性能的影响，因此有必要在低阻尼条件下进行相关的涡振试验。

将阻尼比由0.5%降低到0.2%，分别进行了桥面无车、桥面有车空载和满载3种断面形式，+3°、0°和-3°风攻角下共9个工况的涡振试验，其中桥面有车状态时，列车均位于所受风荷载略大的迎风侧。试验中各工况下均观测到了竖向的涡激振动，并未观测到扭转涡振现象，试验结果如图7～9所示。

（1）+3°风攻角不同断面涡振性能的比较。从图7可以看出，+3°风攻角时，相比桥面无车状态（起振风速17.5 m/s、锁定风速区间长度5.04 m/s、振幅0.121 m），桥面有车状态下的起振风速提前，涡振锁定风速区间长度及振幅增加较大，因此列车的气动外形对主梁涡振十分不利，这主要是由列车在这一攻角下的钝体效应最为明显造成的。相比桥面有车无盖板状态（起振风速14.8 m/s、锁定风速区间长度10.47 m/s、振幅0.187 m），桥面有车有盖板状态的起振风速提高较大，为16.6 m/s，涡振锁定风速区间长度相对较小，为8.9 m/s，振幅下降较大，为0.152 m，因此列车满载状态较空载状态时对涡振更为有利。究其原因，列车空载与满载在断面上虽然只是极微小的变化，但在实际运营中，+3°风攻角时盖板处于背风侧，在某种程度上具有导流作用。

（2）0°风攻角不同断面涡振性能的比较。由图8可知，0°风攻角时，相比桥面无车状态（起振风速15.4 m/s、锁定风速区间长度5.95 m/s、振幅0.186 m），桥面有车状态下的起振风速略有提前，振幅也有所增加，涡振锁定风速区间长度与+3°风攻角时基本相同，表明列车的气动外形对主梁涡振不利，原因与+3°类似，仅程度有所减小。相比桥面有车无盖板状态（起振风速14.4 m/s、锁定风速区间长度11.13 m/s、振幅0.230 m），桥面有车有盖板状态的起振风速（14.7 m/s）与涡振锁定风速区间长度（10.80 m/s）基本相同，振幅有所下降，为0.206 m，表明列车满载状态较空载状态对涡振稳定性略为有利，这与+3°风攻角时的试验结果基本一致。究其原因，由于在0°风攻角时，盖板处于水平状态，其导流作用受到削弱。

（3）-3°風攻角不同断面涡振性能的比较。图9的试验结果表明，-3°风攻角时，相比桥面无车状态（起振风速15.2 m/s、锁定风速区间长度5.18 m/s、振幅0.190 m），桥面有车状态的振幅虽然增加，但起振风速得到明显提高及涡振锁定风速区间长度显著减小，表明列车的气动外形对主梁涡振有利，这是由于C80B型列车本身不具备流线外形，钝体效应明显，但在-3°风攻角下其钝体效应最小，使得车桥系统的整体钝体效应要小于桥面无车状态。相比桥面有车无盖板状态（起振风速17.4 m/s、锁定风速区间长度7.30 m/s、振幅0.240 m），桥面有车有盖板状态的起振风速（17.9 m/s）、涡振锁定风速区间长度（7.13 m/s）和振幅（0.249 m）基本相同。究其原因，在-3°风攻角时，由于盖板处于迎风侧，并与来流具有一定垂度，使得盖板的导流作用大大降低，相当于盖板没有发挥作用。

（4）相同断面不同攻角涡振性能的比较。由图7～9可知，在小阻尼比桥面无车状态下，-3°为最不利风攻角，此时振幅最大，起振风速最低;0°风攻角次之;+3°为最有利风攻角，相应的起振风速最大，涡振锁定风速区间长度最短，振幅最小，这与定性分析阶段试验中桥面无车状态的试验结论一致。而在小阻尼比桥面有车状态下，列车气动外形对桥梁涡振性能的影响表现在：-3°为最有利攻角，此时锁定区间长度最短，起振风速最大;+3°攻角次之;0°攻角为最不利攻角，此时起振风速最低，锁定区间最大。此外还可以看出，列车盖板会影响涡振振幅、起振风速及涡振锁定风速区间长度，但对涡振的结束风速几乎没有影响。

综上所述，+3°和0°风攻角时，主梁断面具有良好的涡振稳定性，虽然列车气动外形对其具有不利影响，但影响有限，因此阻尼比为0.5%时没有出现涡振现象;-3°风攻角时，列车气动外形对主梁涡振性能影响较大，大于主梁断面本身较差的抗涡性能，但阻尼比增为0.5%后避免了涡激振动的发生。故车桥系统断面的涡振稳定性由主梁断面本身具有的涡振稳定性与列车气动外形对主梁涡振性能的影响共同决定。

4 结语

通过对某在建大跨铁路斜拉桥节段模型车桥系统在不同运营状态及风攻角下的涡激振动风洞试验，得出以下结论：

（1）桥面无车状态时，主梁在-3°风攻角下发生了明显的涡激振动，而主梁断面在+3°和0°风攻角下具有良好的涡振稳定性。

（2）在-3°风攻角时，列车对车桥系统的涡振稳定性有利，而0°和+3°风攻角为不利风攻角。

（3）车桥系统断面的抗涡稳定性由主梁断面本身具有的涡振稳定性与列车气动外形对主梁涡振性能的影响共同决定。在实际工程中，针对钝体效应明显的主梁断面，钝体断面的列车对车桥系统涡激振动稳定性的影响是不可忽视的。

（4）相比列车空载无盖板状态，列车满载有盖板状态在断面上虽只有极微小的变化，但对涡振性能影响显著：盖板的作用效果类似导流板，风攻角为+3°时，盖板导流效果最为显著;风攻角为-3°时，导流效果最差，几乎没有发挥作用。

参考文献：

[1]CHEN Zhengqing.Engineering structure wind induced vibration，stability and contral[M]. Beijing：Science Press，2013.

[2]XU Fuyou，DING Wei，JIANG Feng，et al. Development and prospect of study on vortex-induced vibration of long-span bridges [J]. Journal of Vibration and Shock，2010，29（10）：40-48.

[3]CHEN Zhengqing. Wind engineering of bridge[M]. Beijing：China Communications Press，2005.

[4]FUJINO Y. Windinduced vibration and control of TranTokyo bay crossing bridge [J]. Journal of Structure and Engineering，2002，128（8）：1012-1025.

[5]JRADO J A，ROMERA L，BALDOMIR A，et al. Dynamic analysis for studding the aeroelastic behavior of stress ribbon pedestrian bridge in Cuenca（Spain）[C/CD].Proc of the 13th International Conference on Wind Engineering，Amsterdam，The Netherlands，2011.

[6]GE Yaojun. Wind resistance of long span suspension bridges[M]. Beijing：China Communications Press，2011.

[7]HOPPMANN U，KOENIG T，TIELKES T，et al. A shortterm strong wind prediction model for railway application：design and verification [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2002，90（10）：1127-1134.

[8]SUZUKI M，TANEMOTO K，MAEDA T. Aerodynamic characteristics of train/vehicles under cross winds [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003，91（1-2）：209-218.

[9]BOCCIOLONE M，CHELI F，CORRADI R， et al. Crosswind action on rail vehicles：Wind tunnel experimental analyses [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008，96（5）：584-610.

[10]FENG Changgen，WANG Yajun. Industrial accidents and natural disasters in China in the year 2007 [J]. Journal of Safety and Environment，2008，8（6）：160-168.

[11]HAN Yan，LIU Shuqian，TAN Di. Numerical simulation on aerodynamic characteristics of road vehicles under cross winds [J]. Advanced Materials Research，2013（774）：241-247.

[12]LI Y L，QIANG S Z，LIAO H L，et al. Dynamics of windrail vehiclebridge systems [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2005，93（6）：483-507.

[13]HUANG Lin，LIAO Haili. Analysis of flow characteristics around highspeed railway bridgevehicle system under cross wind [J]. Journal of Sounthwest Jiaotong University，2005，40（5）：585-590.

[14]XI Yanhong，MAO Jun，ZHANG Nian. Study on safety of highspeed train in strong wind [J]. China Safety Science Journal，2010（5）：39-45.

[15]REINHOLD T，LARSEN A，DAMSGAARD A，et al. Wind tunnel testing for the great belt east suspension bridge [C/CD]. Proceedings of the Symposiun on Structural Engineering in Natural Hazards Mitigation， Irvine，CA，USA，1993.

[16]ZHOU Li，GE Yaojun. Sectional model test study on vertexexcited resonance of vehiclebridge system of Shanghai Bridge over Yangtse River [J]. China civil engineering journal，2007，40（8）：61-66.

[17]LI Chunguang，HAN Yan，TAN Di，et al. Experimental study of the impact of the vehicular transportation and traffic on the vortexinduced vibration of bridges in different traffic currents [J]. Journal of Safety and Environment，2014，14（5）：64-69.

[18]ZHU Ledong. Mass simulation and amplitude conversion of bridge sectional model test for vortexexcited resonance [J]. Engineering Mechanics，2005，22（5）：204-208.

[19]JTG/T D6001—2004，公路橋梁抗风设计[S].