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摘要： 安装主动控制翼板是提高大跨度桥梁颤振稳定性的一种有效方法。运用流固耦合技术对桥梁颤振主动控制进行计算分析，可以考虑气动翼板的大幅度扭转以及气动翼板和主梁端部的气动干扰效应。通过对商用软件FLUENT二次开发，建立了竖弯和扭转流固耦合数值仿真计算模型，并对主梁端部安装了主动控制翼板的大海带桥的颤振稳定性进行了数值仿真计算分析。系统地研究了前后翼板相对于主梁的角速度对颤振性能的影响。数值仿真计算结果表明：没有采用主动控制翼板时，颤振临界风速计算值和风洞实验值吻合良好。采用主动控制翼板后，当前翼板角速度与主梁反向，后翼板角速度与主梁同向时控制效果良好。且随着气动翼板角速度增大，主梁扭转位移减小。旋涡脱落图表明：作用在翼板的流场和作用在主梁的流场相互干扰，因此作用在整个系统上的力矩变化不仅来源于气动翼板的力矩，而且来源于流场形态的改变。计算表明在上述良好的控制时，气动翼板提供反向力矩，且与作用在主梁上的力矩相位相反，最大限度地平衡了作用在主梁上的力矩，使作用在主梁系统上的力矩均值减小，这是主动控制翼板提高桥梁颤振稳定性的原因之一。最后研究了气动翼板合适长度，计算表明：当气动翼板长度为主梁宽度的10%～15%时，颤振主动控制效果较好。
关键词： 桥梁工程； 流固耦合； 颤振临界风速； 颤振主动控制； 主梁端部翼板
中图分类号： U441+.3文献标志码： A文章编号： 1004-4523（2018）02-0276-07
DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.02.010
引言
颤振通常是一种具有发散性质的自激振动，会对桥梁结构造成灾难性破坏。安装主动控制翼板是提高桥梁颤振稳定性的有效方法。自1992年Ostenfeld和Larsen提出利用主动控制翼板抑制桥梁颤振的概念以来[1]，关于主动控制翼板的实验与理论研究正逐渐引起桥梁工程界的关注。1992年Kobayashi 和Nagaoka 发表了第一篇关于桥梁主动控制的文章，通过节段模型风洞试验表明主动控制翼板能将颤振临界风速提高一倍[2]。1999年Wilde 和 Fujino通过理论分析和风洞试验得出运用主动控制翼板能够使桥梁颤振临界风速提高57%，并发现当翼板小幅度运动时理论分析和风洞试验吻合，当翼板大幅度运动时理论分析结果远小于风洞试验结果[3]。Del Aroc等基于控制面和加劲梁运动不会干扰对方流场的假定，通过理论分析发现当迎风侧控制控制面反向于加劲梁扭转运动，而背风侧控制面同向于加劲梁扭转运动时，控制效果最佳，可使悬索桥的颤振临界风速提高2倍以上[4]。论文通过风洞试验研究表明，在如文[4]最佳控制效果时，随着翼板相对于主梁的扭转速度增加，主梁的最大扭转角度有减小的趋势[5]。P Omenzetter 提出了一种装置，利用主缆和加劲梁之间的相对运动来驱动风嘴运动实现颤振主动控制，通过时域计算表明迎风风嘴相对主梁反相扭转，背风风嘴相对主梁同相扭转提高颤振稳定性效果良好[6-7]。2002年刘高基于非定常气动力理论，推算安装主动控制翼板后作用在整个桥梁的气动力表达式，从增加系统扭转阻尼的角度，研究了翼板扭转参数的选取[8]。2013年郭增偉以一座3000 m的悬索桥为例，分析了控制面扭转运动相位、运动方向和运动振幅对颤振的影响[9]。以上主动控制结果表明：合理选取主动控制翼板扭转运动参数，能够有效地提高桥梁的颤振稳定性。
上述文献中所采用的计算方法为频域或时域颤振计算方法，其中气动力由基于颤振导数的Scanlan公式表示，以上方法存在局限性：1）只能假设气动翼板作小位移运动，不能考虑流动分离现象。2）难以考虑主梁和气动翼板之间的气动力干扰效应。不同以往的研究方法。本文采用了新的方法——流固耦合技术对此问题进行研究。对商用软件FLUENT进行二次开发，建立主梁竖弯和扭转流固耦合数值仿真计算模型，设定气动翼板相对于主梁运动的运动规律，研究主动控制翼板对大跨度桥梁颤振稳定性的影响。该方法允许气动翼板的大幅度运动，可以考虑主梁和翼板之间的气动干扰效应。并通过结构受力分析初步揭示了颤振主动控制机理。
1数值仿真计算原理
将主梁作为质量、弹簧和阻尼系统，这里没有考虑气动翼板的质量。数值仿真计算原理示意图如图1所示。
图1数值仿真计算原理示意图
Fig.1Schematic diagram of numerical simulation calculation
主梁竖弯运动和扭转运动方程如下所示：m+ch+khy=Ltotal（1）
Iθ+cθ+kθθ=Mtotal（2）式中m和Iθ分别表示主梁的质量和扭转惯性矩，kh和kθ分别表示主梁的竖向刚度和扭转刚度，ch和cθ表示主梁的竖弯和扭转阻尼，y和θ分别表示主梁的竖向位移和扭转位移。Ltotal和Mtotal表示作用在主梁系统上的总气动力。
图2主梁系统受力示意图
Fig.2Schematic diagram of force acting on the main beam system
主梁系统受力如图2所示，其中Ltotal=Ldeck+Lle+Ltr，Mtotal=Mdeck+Mle+Mtr，Mdeck，Mle和Mtr 分别表示主梁、前翼板和后翼板对于系统弹性中心的气动扭矩。气动翼板以靠近主梁的一端为轴进行转动，气动翼板竖向位移与主梁保持一致，气动翼板的角速度根据主梁运动的角速度进行调整。ωle=Aleωdeck，ωtr=Atrωdeck，其中ωdeck为主梁的角速度，ωle和ωtr分别为前翼板和后翼板的角速度。Ale和Atr是气动翼板相对于主梁角速度的系数。
Ale=Atr=1表示ωle=ωtr=ωdeck，即气动翼板的角速度与主梁的角速度相同，相当于固定翼板。对于不可压缩流体的连续方程和纳维-斯脱克斯方程如下所示：·V=0（3）
