雷旭 陈政清 华旭刚 牛华伟 韩艳

摘 要：针对风驱雨作用下桥梁主梁的颤振问题，依据风驱雨作用和主梁振动特点，给出了分别考虑雨滴冲击和表面积水后的降雨相似关系，并探讨了其选取原则。选取大跨度桥梁较常采用的典型断面，通过节段模型试验模拟了风驱雨对主梁断面的颤振导数和颤振发生过程的影响。试验结果表明：主梁断面的颤振气动导数随雨强的变化无明显规律，各导数的变化量值相当，随风速增加，降雨引起的导数变化有所加大，但基本没有改变其随风速变化的整体趋势，试验雨强120 mm/h时，模型颤振临界风速会有20%～30%左右的提高，但考虑雨强相似比后可以认为降雨对桥梁主梁的风致颤振失稳特征的影响基本可以忽略。

关键词：桥梁主梁;风驱雨;相似比;颤振导数;临界风速

中图分类号：U441.3

文献标志码：A  文章编号：2096-6717（2019）02-0106-10

Abstract：Regarding the problem of bridge girders flutter under influence of wind-driven rain， the rainfall similarity laws are firstly established in terms of raindrop impact and surface ponding respectively， according to the characteristics of wind-driven rain and bridge main girders vibration， besides， the selection principle is also discussed. Then， several typical main girder sections， which are frequently used in long-span bridges， are selected as examples to investigate the influence of wind-driven rain on flutter derivatives and flutter occurrence process by sectional model tests. Results show that there is no significant regularity  between the flutter aerodynamic derivatives of the main girder and the rainfall intensity， as the variation of each derivative is almost the same. Comparatively， the variation of derivative caused by rainfall is increased with the wind speed. However， the general variation trend of the flutter aerodynamic derivatives with wind speed is not changed. When the test rain intensity is 120 mm/h， the critical wind speed of the flutter model raises about 20%～30%. Considering the similarity law proposed in this paper， the effect of rainfall on wind-induced flutter characteristics can be ignored.

Keywords：bridge main grider; wind-drived rain; similarity law; flutter derivative; critical wind velocity

隨着新材料、新工艺的涌现和结构计算理论的不断完善，未来桥梁将会朝着超大跨方向发展，如刚建成不久的杭州湾和港珠澳跨海工程，就包含一批超大跨度桥梁。这类结构柔度较大，以致其风振效应可能成为影响结构安全的关键因素。目前，纯风作用下的桥梁振动特性研究已经非常成熟[1]，而实际工程中，特别是沿海和峡谷地区，大风一般伴随降雨，风雨耦合对结构产生作用，若要精确考虑这类动力敏感结构的风振响应，以确保其抗风稳定性，对降雨影响做仔细研究十分必要。

风驱雨对结构影响的研究虽早有开展，但主要集中于建筑结构和航空航天[2-4]以及拉索风雨振[1，5]研究领域，较少涉及其对主梁这一桥梁主要构件的影响，由于主梁构造和受力的特殊性，使得风驱雨对其气动特性的影响需专门研究，特别对于大跨桥梁中跨高比较大的柔性主梁，更具有必要性。近年来，已有一些学者开展此类工作，顾明等[6]模拟了风驱雨作用于薄平板的试验，依据试验结果，其初步认为，降雨对阻尼项气动导数有较明显的影响。辛大波等[7-8]进行了风驱雨对主梁的试验和数值分析，结果表明：与扭转气动阻尼密切相关的颤振导数受降雨影响明显，随雨强增大，临界风速先增大，后减小，但即使空气含水量达到65 g/m3， 临界风速仅提高约6.8%。胡俊[9]将风驱雨作用以力和阻尼形式代入有限元进行分析，结果表明：200 mm/h的雨强下，临界风速仅增大5.86%，但其对抖振影响比较显著。赵林等[10]依据风驱雨主梁模型试验，认为雨滴冲击力对定常气动力的影响相比积水而言可以忽略。钝体断面气动性能受降雨的影响比流线断面更加明显，其会改变频率、阻尼与气动导数，并在一定程度上降低颤振临界风速。以上研究表明：风驱雨试验是此类研究的重要手段，相比数值模拟，其更接近实际，但目前最大的问题是，对于雨荷载的相似关系没有得到解决，使得上述各结论的正确性难以相互比较验证和换算至原型以指导实际。针对这一问题，虽然已有学者对其进行研究，如Bilanin[11]和Cao等[4]假设雨滴大小和间隙可调，并依据含水量不变的原则，利用量纲分析法得到了理论的雨强相似关系，但现有的降雨设备难以达到其要求。Surry等[12]和唐顺勇等[13]人依据弗劳德数一致得到了风驱雨作用于建筑迎风面时的雨滴密度相似比为1：1，但对于竖向受载不可忽略的主梁断面，此相似关系显然不能适用。针对以上研究的不足，本文首先推导了主梁风驱雨试验的雨强简化相似比，然后在试验室实施了风驱雨条件下对桥梁危害最大的主梁断面颤振试验，获得颤振导数与临界风速随雨强的变化规律，依据雨强相似比对试验结果进行了分析，为大跨桥梁抗风研究的精细化提供了一定的参考。