【word】 雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响

【word】 雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响 雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响 第33卷第6期 2011年12月 土木建筑与环境工程 JournalofCivil.Architectural&EnvironmentalEngineeringVol_33No. 6 Dec.2011 雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响 刘庆宽,王毅,郑云飞,马文勇 (石家庄铁道大学风工程研究中心,石家庄050043) 摘要:为了从雷诺数效应的角度分析斜拉索发生大幅振动的机理,利用不同粗糙度表面无人工水 线的斜拉索模型和光滑表面贴有人工水线的斜拉索模型,进行了测力和测振风洞试验,得到了斜拉 索模型气动力系数,驰振表达式的数值和气动稳定性的结果.通过分析相关的关系表明:在临界雷 诺数区域,力系数及流场的变化特性可能导致斜拉索发生大幅振动,这可能是干索驰振的机理;斜 拉索表面粗糙度能改变雷诺数效应的强弱和临界雷诺数的区域;水线的存在能改变雷诺数效应,一 些水线位置在特定的雷诺数范围内,由于力系数的特殊变化规律导 致dC/da为负,斜拉索发生符 合驰振判据的振动;在高雷诺数区域,振动还可能与力系数急剧下降 和流场的不稳定有关. 关键词:斜拉索;风致振动;雷诺数效应;水线;阻力系数;升力系数 中图分类号:TU317.1文献标志码:A文章编 号:1674—4764(2011)06—0106—06 ReynoldsNumberEffectonWind--inducedVibrationofStay..cables LIUQing-kuan,WANGYi,ZHENGYun—fei,MAWen—yong (WindEngineeringResearchCenter,ShijiazhuangTieDaoUniversity,Shijiazhuang050043,P.R.China) Abstract:InordertoanalyzethelargeamplitudevibrationmechanismofcablesbasedonReynoldsnumbereffect, windforcesmeasurementandfreevibrationtestswerecarriedoutoncablemodelswith/withoutartificia1water rivulet.Inthetests,thecablemodelswithoutartificialwaterrivuletwereindifferentsurfaceroughnessandthose withartificialwaterrivuletattachedwereinsmoothsurface.andartificialwaterrivuletwasattachedindifferent positionsrespectively.Windforcecoefficients,DenHartoggallopingcoefficientsandfreevibrationamplitudeswere obtained.ItisshownthatincriticalReynoldsnumberrange,thereisthepossibi litythatthespecialwindforce coefficientcharacteristicsandflowpatterninducevibration,andthisiSthepossiblemechanismfordrycable galloping.TheroughnessofcablesurfacecanchangetheintensityofcriticalReynoldsnumbereffectandtherange ofcriticalReynoldsnumber.TheexistenceofwaterrivuletcanchangethecriticalReynoldsnumbereffect.For somewaterrivuletpositions,incertainReynoldsnumberrange,CF/da%O,vibrationhappens,whichagreeswith theDenHartoggallopingcriterion.InhighReynoldsnumberrange,besidesDenHartoggalloping,vibrationsare relevanttosignificantdecreaseofwindforcecoefficientsandunstableflowpattern. Keywords:cables;wind—inducedvibration;Reynoldsnumbereffect;water rivulet;dragforcecoefficient; 】jftforceCOefficient 由于斜拉桥斜拉索的长细比大,阻尼低等特点, 导致在大风或风雨联合作用下经常发生大幅振动, 对桥梁结构的安全造成危害.与传统的振动类型相 比,风雨激振和干索驰振(DryCableGalloping)由 收稿日期:2011-0405 基金项目:基金项目:国家自然科学基金(50878135);河北省自然科学 基金(E2008000442);河北省科技支撑 (09215626D);教育部新世纪优秀人才支持计划(NECT一10—0130) 作者简介:刘庆宽(1971),男,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,(Email)lqk@stdu.edu-cn. 第6期刘庆宽,等:雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响 于振幅大,破坏严重,是值得深入研究的问题.关于 风雨激振,自20世纪8O年代被发现以来,各国学者 通过现场观测与风洞试验口],理论分析_5.及CFD 等手段已经进行了较广泛的研究,针对其振动机理 提出了水线驰振理论,高风速涡致振动理论,轴向流 理论,弯扭两自由度耦合理论,水线摆动理论,卡门 涡被抑制导致大幅振动等理论,建议采用的气动抑 振措施有缠绕螺旋线和索的表面设置凹坑等. 在斜拉索风雨振的现场观测[g,足尺模型观 测_1,风洞试验_1?研究中,研究人员发现在没有 降雨,或者降雨量很小不足以形成水线,或降雨已经 停止的状态下,斜拉索也可能发生大幅振动,尤其是 日本Sunbridge桥的斜拉索发生大幅振动[1oj以来, 这种振动现象及其机理引起了高度重视.目前 Cheng等利用DenHartog驰振理论, Matsumotol】利用卡门涡的脱落抑制理论等对干索 驰振的机理进行了解释,但是无论其发生的机理,还 是与风雨激振的内在关系,以及抑振措施等,都需要 进一步的深入研究. 可 移 动 拐 角 / \. 该文从雷诺数效应人手,通过测力和测振风洞试 验,以不同雷诺数下的阻力系数,升力系数和振幅为 参数,研究了雷诺数效应是否导致振动,不同粗糙度 表面模型的雷诺数效应及与振动的关系,水线影响雷 诺数效应及通过影响雷诺数效应导致振动的机理. 1试验介绍 为了研究斜拉索的雷诺数效应和气动稳定性的 关系,共进行了2大类的风洞试验,其一是两端固定 刚性模型的测力试验,其二是两端弹簧支撑刚性模 型的测振试验,试验对象分别是表面粗糙度不同,没 有人工水线的斜拉索模型和表面光滑的贴有人工水 线的斜拉索模型.试验在石家庄铁道大学风工程研 究中心的双试验段回/直流大气边界层风洞内进行, 其低速试验段转盘中心宽4.4m,高3.0m,长 24.0m,最大风速大于30.0m/s,背景湍流度? 0.4;高速试验段宽2.2m,高2m,长5.0m,最大 风速大于80.0m/s,背景湍流度?0.2.风洞结 构如图1所示_】.本试验在高速段内进行. 图1风洞平面图 为了实现不同雷诺数下的雷诺数效应,使用了 4个刚性斜拉索模型,具体参数如表1所示. 表1模型参数 模型的材质为有机玻璃,原型为表面光滑的圆 柱,两端设置端板,由中间贯穿的刚性圆管支撑在风 洞两侧的支架上.M1模型为光滑表面,M2模型是 将光滑圆管用P24号砂纸均匀打磨而成,M3模型 是将光滑圆管用表面粗糙的壁纸包裹而成,M4模 型是在M1模型的基础上分别在不同的位置粘贴人 工水线而成.对于人工水线,利用有机塑料加工成 圆弧外形,粘贴在斜拉索的表面.斜拉索表面和水 线的形状如图2所示(为了对比表面的粗糙度,拍照 时模型表面放置了最大直径约7mm铅笔).水线 的位置用0表示,是从前驻点到水线中心转过的圆 心角. 测力模型为两端固定支撑,端部安装美国ATI 公司生产DELTA系列六分力高频天平,测试采样 时间为60S. 测振模型两端分别用4根弹簧支撑,弹簧刚度 的选取以系统的振动频率与实际相同直径斜拉索的 振动频率一致为原则.为了便于起振,模型系统的 sc数比实际斜拉索的稍小.振动过程中记录瞬态 位移. 1O8土木建筑与环境工程第33卷 __(a)MI光滑表面(h)M2/b粗糙表面 i(c)M3大租糙表面(d)M4的水线位置和尺寸 图2模型表面状态和水线尺寸 测力和测振模型的空间位置为:竖直倾斜角 a一0.,水平倾斜角一0.,即斜拉索模型在水平面 内,与来流风向垂直. 试验中的控制风速由安装在试验段入口的传感 器与控制台组成的稳风速控制系统控制,模型处的来 流风速澳大利亚TurbulentFlowInstrumentation公 司生产的4孔眼镜蛇探头(4-holeCobraProbe)测 试,安装位置为模型中心上游1.05m,下方0.47m 处,采样频率2000Hz,测力的采样时间60S,测振 的记录时间为整个振动观察的时间范围. 因为不同粗糙度模型对应的临界雷诺数不同, 所以4个模型的试验雷诺数范围不同,并且为了准 确反应力系数的变化情况,针对各个模型的临界雷 诺数区域分别加密了测试工况. 水线位置从10.开始,以2.5.为步长增加到7O.. 为了从机理上进行研究,采用的水线位置比实际可 能形成水线的位置范围要大.3个无水线模型对应 ‘圈 1 r._.-?? ——_.- 的试验雷诺数范围,步长如表2所示,有水线模型的 试验工况如表3所示. 表2无水线模型(Ml—M3)测力和测振试验工况 表3有水线模型(M4)测力和测振试验工况 测力试验测振试验 水线位置/Re范围/Re步长/水线位置/Re范围/Re步长/ (.)万万(.)万万 2无水线模型雷诺数效应对气动稳定 性的影响 2.1无水线模型的雷诺数效应 使用3个不同粗糙度模型测得的平均阻力系数 和平均升力系数随雷诺数的变化曲线如图3所示. 由图可知,在临界雷诺数区域,模型的平均阻力系数 下降,平均升力出现.平均升力开始出现时的雷诺 数,基本对应平均阻力系数开始下降时的雷诺数;平 均阻力系数大约下降到整个下降幅度一半的时候, 平均升力系数取得最大值,之后随着雷诺数的增大 平均升力系数开始减小,当平均阻力系数下降到最 小值的时候,平均升力系数基本恢复到零值. _’??..一 1聋l ??+?—? ??十 -?r 』 , \f J 1.522.533.544.555.51.522.533.544+55 Re/×1Re/×l (a)M1模(h)M2模 l4 1?2 l 一 0.8 o.6 O-4 O2 0 _ol2 图3平均阻力系数和平均升力系数曲线 随着模型表面粗糙度的增加,平均阻力系数的 下降幅度减小,平均升力系数的最大值减小,即雷诺 数效应减弱.同时,随着粗糙度的增加,临界雷诺数 区域整体向低雷诺数方向移动了一定数值,即在较 小的雷诺数数值时就进入了临界雷诺数的状态. , l{ , H一一 l\ ?H? 1??__- e/×l (c)M3模 2.2无水线模型的气动稳定性 无水线模型的测振结果如图4所示.对照图3 可以发现,各个模型在亚临界雷诺数区域,振动的振 幅都很小,可以认为是稳定的;雷诺数到达临界区域 时,振幅显着增大,光滑斜拉索模型的最大振幅达到 1?OOOOOOl:c_ 第6期刘庆宽,等:雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响1O9 了12.3cm,0.82D(其D为斜拉索的直径),超过临 界雷诺数区域之后,振幅又下降至很小,基本可以认 为是恢复到了稳定状态.最大升力系数出现时的雷 诺数,对应最大振幅.随着模型表面粗糙度的增加, 在临界区域发生振动的振幅减小.结合图3综合分 冠x105 (a)光滑模型 析可以推知,在临界雷诺数区域,由于阻力系数的减 小和升力的出现,流场从卡门涡周期脱落状态变为 不规则的状态等因素,导致了振动的发生,但是振动 发生具体的机理尚待流场分析等进一步的研究. Redx1 (b)小粗糙j寅模型 图4振幅与雷诺数曲线 3有水线模型雷诺数效应对气动稳定 性的影响 3.1水线对雷诺数效应的影响 对粘贴有人工水线的斜拉索模型的阻力系数, 升力系数,自由振动振幅分别进行了测试,利用阻力 系数和升力系数,计算如公式(1)所示的表达式的 值,即DenHartog驰振准则.如果值为负,则可能 发生驰振. 警一等+cndd’u 分析表明:随着雷诺数从小到大的变化,水线位 置不同,阻力系数,升力系数的变化也不同,相应的 dC/da的值和自由振动的状态也不同.选取水线 位置一15.,25.,55.3个有代表性的工况进行分 析,其阻力系数和升力系数分别如图5—7所示. 由图5可知,水线位置0—15.时,阻力系数从 Re=17万左右开始随着Re的增长呈现阶段性下降 趋势,其中25万至37万之间基本保持不变,从37 万开始急剧下降,一直到Re一43万左右降到最低; 与此对应,升力系数从Re一17万左右开始上升,在 Re=25万和37万之间保持较大值,之后急速下降, 到Re一43万左右基本降到最低. 从Re一17万到43万之间阻力系数下降,出现 较大升力的现象,与光滑模型的临界雷诺数区域的 特征一致,可以判断这个区域为临界雷诺数区域. 对照图3(a)的结果可知,2个工况临界雷诺数区域 结束时的雷诺数(43万)基本一致,而水线的存在, 大大提前了临界雷诺数区域开始时的雷诺数数值 (无水线时35万,15.水线时17万). 舞 Re/~10s (c)大粗糙度模型 II+|?, I+cI_,}—, 『_,? | \一 ?|一| L 图5水线位置15.的阻力系数和升力系数 l十Gn I+cl_ 弋I.’, h ,? , },L. } \ \ 10152025303540455O el×104 图6水线位置25.的的阻力系数和升力系数 比较25.和15.时的阻力和升力系数(图6,图5) 可知,25.水线时临界雷诺数区域的升力系数整体比 比15.时的小(25.水线时升力系数最大值在1.3, 1.1之间,15.的在1.O,0.5之间),相同阶段的阻力 系数比15.时的大,临界雷诺数效应开始时的雷诺数 数值比15.时的小,力系数降到最低时的雷诺数(41 万)比15.时(43万)的小. 11O土木建筑与环境工程第33卷 ?I十GD .,l+cL 0?1H卜. f | l0l520253O35404550 e,×l 图7水线位置55的的阻力系数和升力系数 比较55.水线时的情况可知,在Re一10,35万 范围内,升力系数基本为零值,阻力系数保持在1.5 左右,从图上已经看不到升力系数上升阻力系数分 阶段下降的情况.从35万开始,2个力系数急剧下 降,39万左右基本降到最低. 综上,可以出力系数随水线升高的变化特 征为:力系数急剧下降基本出现在Re一35万,随着 水线位置的升高,力系数降到最低时的雷诺数数值 逐渐减小,临界雷诺数区域对应的升力系数逐渐减 小,阻力系数逐渐增大,临界雷诺数效应发生的范围 扩大.即水线位置不同,阻力系数,升力系数的大 小,变化规律和雷诺数效应不同. 3.2水线对气动稳定性的影响 粘贴有人工水线的斜拉索模型各个雷诺数下的 dC/da值和测振结果如图8—10所示. 随着水线位置的变化,阻力系数和升力系数的 变化有可能导致dC/da<0,发生驰振. 由15.水线的dC/da和振动图(图7)可知,Re 在27万到28万之间,dC/da由正变负,在该雷诺 数附近模型开始发生大幅振动,dCr/如为负的区域 与发生大幅振动的区域基本一致. 水线位置为25.时,虽然从Re一15万之后 dC/da一直为负值,但是大幅振动却分别发生在2 个雷诺数区域,一个是Re一15,25万之间,另一个 是Re=37,42万之间.前一个区域的发生机理,可 能是单纯由于水线位置上下变动时阻力系数,升力 系数的数值不同,因而dC/da<O引起,后一个区域 发生振动的机理,结合无水线时力系数突然下降时 发生大幅振动的结果(图3(a)和图4(a)),推断除了 dC/da<0之外,是否可能与力系数的急剧下降和 流场的不稳定有关,该机理尚需要进一步研究才能 明确. 水线位置为55.时发生振动的状况同25.时类 似,也是发生在2个区域,只不过在力系数急剧下降 时,发生大幅振动的区域变窄.2个区域振动的机 理分析同25.工况. I—--.$-一-dCJdiade ?_ / }} -?l,.1 / N?I e/×104 图8水线位置l5.的dcF/da和振动振幅 II—1卜CJdn _.—An~litude I— |I 』\?I弋 .—一I/\ -’.f{—PLrJ?_—_一 ?r?rI Re/×l0 图9水线位置,得到了以下结论: 1)在临界雷诺数区域,力系数及周围流场的变 化特性可能导致斜拉索发生大幅振动,这可能是干 索驰振的机理. 第6期刘庆宽,等:雷诺数效应对斜拉索风致振动的影响111 2)随着斜拉索表面粗糙度的增加,临界雷诺数 区域整体向小的方向移动,雷诺数效应减弱,在临界 雷诺数区域发生振动的振幅减小. 3)水线的存在能改变雷诺数效应,一些水线位 置在特定的雷诺数范围内,由于力系数的特殊变化 规律导致dC/da为负,斜拉索发生了符合驰振判据 的振动. 4)在高雷诺数区域,斜拉索发生振动的机理除 dCF/出为负之外,还可能与力系数急剧下降及流场的 不稳定有关,该部分机理尚需进一步的研究进行明确. 参考文献: of- [1]MACDONALDJHG,LAROSEGL.Two—degree— freedominclinedcablegalloping—Part1:General formulationandsolutionforperfectlytunedsystemEJ]. JournalofWindEngineeringandIndustrial Aerodynamics,2008,96(3):291-307. [2]MACDONALDJHG,LAROSEGL.Two—degree—of- freedominclinedcablegalloping—Part2:Analysisand preventionforarbitraryfrequencyratioEJD.Journalof WindEngineeringandIndustrialAerodynamics.2008, 96(3):308—326. [3]刘庆宽.斜拉桥斜拉索风雨振时索表面水线摆动作用及规 律的试验研究[J].土木工程,2007,40(7):62—67. LIUQIN(,rKUAN.Experimentalstudyonmovement ofwaterrivuletoncablesurfaceinrain-windinduced vibrationofstay—cables[J].ChinaCivilEngineering Journal,2007,40(7):62—67. [4]李永乐,卢伟,陶齐宇,等.斜拉桥拉索风一雨振动特性风 洞试验研究[J].试验流体力学,2007,21(4):36—40. LIY0NG—LE,LUWEI,TAOQI—YU,eta1.Studyon rain—windinducedvibrationofcablesincable-stayed bridgesbywindtunneltest[J].Experimentsand MeasurinFluidMechanics,2007,21(4):36-40. [5]李寿英,顾明,陈政清.运动水线三维连续弹性拉索风 雨激振理论模型[J].湖南大学:自然科学版,2009, 36(2):1—7. LISHOU—YING,GUMING,CHENZHENG-QING. Ananalyticalmodelofrain-wind——inducedvibrationof three-dimensionalcontinuousstaycablewithactual movingrivulet[J].JournalofHunanUniversity: NaturnalScience,2009,36(2):1—7. [6]张琪昌,李伟义,王炜.斜拉索风雨振的动力学行为研 究[J].振动与冲击,2010,29(4):173—176. ZHANGQI-CHANG,LIWEI—YI,WANGWEI. Nonlineardynamicbehaviorofrain-wind—induced vibrationofastaycable[J].JournalofVibrationand Shock,2010,29(4):173—176. [7]李暾,陈政清,李寿英.连续弹性拉索风雨激振理论模 型研究[J].振动工程,2010,23(4):380—388. LITUN,CHENZHEN(QING,LISHOU—YING. Analyticalstudyofrain—wind—inducedcablevibrations basedoncontinuouselasticcablemodel[J].Journalof VibrationEngineering,2010,23(4):380—388. [8]刘健新,李哲.气动措施对斜拉索风荷载及结构响应的 影响EJ].建筑科学与工程,2010,27(3):89—93. LIUJIAN—XIN,LIZHE.Influenceofaerodynamic measureonwindloadandstructuralresponseofstayed— cable[J].JournalofArchitectureandCivil Engineering,2010,27(3):89—93. [9]VIRLOGEUXM.Cablevibrationsincable-stayed bridges[C~//BridgeAerodynamics.Balkema: Rotterdam,1998:213-233. r1O]MATSUMOTOM.Theroleofwaterrivuleton inclinedcableaerodynamics[C]//Proceedingsofthe6th Asia—PacificConferenceonWindEngineering.Seoul, Korea,2005:63—77. [11]MATSUMOTOM,SHIRATOH,YAGIT,eta1.Field observationofthefull—scalewind-inducedcablevibration [J].JournalofWindEngineeringandIndustrial Aerodynamics,2003,91(1/2):13—26. [12]MATSUMOTOM,YAMAGISHIM,AOKIJ,eta1. Variousmechanismofinclinedcableaerodynamics [C]//Proceedingof9thInternationalConferenceon WindEngineering,NewDelhi,India,1995:759—770. [13]CHENGS,LAROSEGL,SAVAGEMG,eta1. Experimentalstudyonthewind—inducedvibrationofa dryinclinedcable-PartI:Phenomena[J].Journalof WindEngineeringandIndustrialAerodynamics.2008, 96(12):2231-2253. [14]CHENGS,IRWINPA,TANAKAH.Experimental studyonthewind—inducedvibrationofadryinclined cable-PartII:Proposedmechanisms[J].Journalof WindEngineeringandIndustrialAerodynamics,2008. 96(12):2254—2272. r15]MATUM0T0M,YAGIT,HATSUDAH,eta1. Drygallopingcharacteristicsanditsmechanismof inclined/yawedcables[J].JournalofWindEngineering andIndustrialAerodynamics,2010,98(6/7):317— 327. [16]刘庆宽.多功能大气边界层风洞的设计与建设I-J].实 验流体力学,2011,25(3):66—70. LIUQING-KUAN.Aerodynamicandstructuredesigh ofmultifunctionboundary-layerwindtunnel[J]. JournalofExperimentsinFluidMechanics,2O11,25 (3):66-7O. (编辑胡英奎)