附加氣動(dòng)措施后箱梁斷面三分力系數(shù)試驗(yàn)研究

高 亮，劉健新，郭 威

(1.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安710048;2.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安710064)

0 引言

隨著橋梁跨徑的增加，橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)反映的敏感性亦日益增大.橋梁的抗風(fēng)研究趨于精細(xì)化，越來越多的學(xué)者通過研究認(rèn)識(shí)到氣動(dòng)措施改變了顫振、渦激共振等結(jié)構(gòu)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)的作用，然而也可能影響到結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性，所以需要研究各種氣動(dòng)措施對(duì)靜力三分力系數(shù)的影響.

常用到的改善橋梁斷面氣動(dòng)性能的措施有：設(shè)置中央穩(wěn)定板、設(shè)置導(dǎo)流板、中央開槽和改變欄桿透風(fēng)率、變化檢修車軌道位置等.目前，相關(guān)研究一般考慮的是氣動(dòng)控制措施對(duì)于顫振穩(wěn)定性的影響，很少有人去關(guān)注采取氣動(dòng)措施后對(duì)大跨橋梁靜力的影響，這可能是因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為大跨徑橋梁的顫振臨界風(fēng)速一般都低于靜力失穩(wěn)風(fēng)速.但是，日本東京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、長安大學(xué)先后在風(fēng)洞試驗(yàn)中觀察到靜風(fēng)失穩(wěn)現(xiàn)象［1－5］.方明山等亦通過計(jì)算表明了靜風(fēng)失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性［6－7］.隨著橋梁的日益長大化，尤其是超大跨懸索橋的進(jìn)一步柔性化，橋梁的靜風(fēng)穩(wěn)定問題將會(huì)顯得十分突出，其靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散的臨界風(fēng)速有可能低于顫振臨界風(fēng)速［8－12］.同時(shí)，在大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)中，風(fēng)荷載是其主要的荷載.因此，筆者通過靜力三分力風(fēng)洞試驗(yàn)量測箱型截面主梁在不同氣動(dòng)措施下的三分力系數(shù)，研究其對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響，為氣動(dòng)措施的選取提供一定的參考.

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在長安大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室CA-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞是一座回、直流兩用風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸3 m×2.5 m×15 m.風(fēng)速0～53 m/s連續(xù)可調(diào)，均勻場紊流度小于0.5%，直流電機(jī)功率為400 kW.數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)由兩根五分量桿式應(yīng)變天平、α角攻角變化機(jī)構(gòu)、應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采集處理器等組成.

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

節(jié)段測力模型與實(shí)橋外形相似，且要有足夠的剛度.雖然對(duì)質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩沒有相似性要求，但由于測力天平量程的限制，質(zhì)量不應(yīng)太大.試驗(yàn)時(shí)將模型端板與外接鋁合金桿固結(jié)，由鋁合金桿和天平進(jìn)行連接，天平連接在α機(jī)構(gòu)上.

試驗(yàn)采用典型的箱梁斷面主梁.主梁測力節(jié)段模型縮尺比為1∶45，采用泡沫塑料制作模型，內(nèi)嵌鋁合金骨架，環(huán)氧樹脂板覆面加工.模型尺寸長 L=2.204 m，寬 B=0.873 m，高 H=0.09 m.

試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行，試驗(yàn)風(fēng)速13 m/s，風(fēng)攻角為 －10°～10°，間隔 1°，試驗(yàn)采樣頻率為100 Hz，采樣時(shí)長40 s.試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1～5.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

主梁靜力三分力示意圖如圖6所示.

圖6 風(fēng)荷載在體軸和風(fēng)軸坐標(biāo)系下的三分力Fig.6 Three-component of aerodynamic force in body axis and wind axis

式中：U為離斷面足夠遠(yuǎn)的上游來流平均風(fēng)速;ρ為空氣密度;CH、CV、CM分別為體軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)與扭矩系數(shù);D、B分別為橋梁斷面高度與寬度.

2.1 導(dǎo)流板位置

導(dǎo)流板位置不同時(shí)主梁的三分力系數(shù)如圖7所示.由圖7可以看出，阻力系數(shù)：①加導(dǎo)流板后主梁阻力系數(shù)在負(fù)攻角時(shí)明顯增大，尤其是導(dǎo)流板加在邊上的形式.②正攻角5°以內(nèi)阻力系數(shù)減小，大于5°時(shí)阻力系數(shù)增大;③導(dǎo)流板設(shè)置于中央較設(shè)置于邊上阻力系數(shù)有所降低，減小幅度在4%之內(nèi);④導(dǎo)流板導(dǎo)致主梁阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化越發(fā)不對(duì)稱.

升力系數(shù)：①導(dǎo)流板加在邊上使主梁升力系數(shù)增大;②中央導(dǎo)流板使主梁升力系數(shù)整體增大.

扭矩系數(shù)：邊導(dǎo)流板較中央導(dǎo)流板對(duì)主梁扭矩系數(shù)影響較大，加邊導(dǎo)流板后主梁扭矩系數(shù)曲線相對(duì)平緩.

2.2 中央槽開孔率

中央槽不同開孔率的主梁三分力系數(shù)如圖8所示.由圖8分析如下.

阻力系數(shù)：①中央開槽后主梁阻力系數(shù)明顯變大;②中央槽開孔率70%較開槽率50%主梁阻力系數(shù)變大，但改變幅度較小;③中央槽開孔率70%和50%較100%時(shí)主梁阻力系數(shù)變化明顯，負(fù)攻角時(shí)明顯變大，較大正攻角時(shí)偏小.

圖7 導(dǎo)流板位置不同時(shí)主梁三分力系數(shù)圖Fig.7 Three-component Force coefficient with different position of guide plate

升力系數(shù)：①中央不開槽時(shí)較開槽時(shí)主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角的增大明顯增大，中央開槽率對(duì)主梁升力系數(shù)影響不明顯;②中央開槽對(duì)主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化曲線斜率影響明顯.

扭矩系數(shù)：中央不開槽較開槽主梁扭矩系數(shù)變化明顯，中央開槽率大小對(duì)主梁扭矩系數(shù)影響不明顯，負(fù)攻角變化幅度在5%之內(nèi).

2.3 檢修車軌道位置

不同的軌道位置布置下的主梁三分力系數(shù)如圖9所示.由圖9可見，阻力系數(shù)：①檢修車軌道位置對(duì)主梁阻力系數(shù)影響明顯，檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移7 cm較向內(nèi)移3 cm時(shí)，主梁阻力系數(shù)較之減小明顯;②檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移時(shí)，主梁阻力系數(shù)整體減小.

升力系數(shù)：①檢修車軌道位置對(duì)主梁升力系數(shù)影響明顯，檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移3 cm時(shí)，主梁升力系數(shù)較之前整體減小0.1左右;②檢修車軌道置外邊緣主梁升力系數(shù)值最大，向內(nèi)側(cè)移時(shí)主梁升力系數(shù)整體減小.

扭矩系數(shù)：檢修車軌道位置對(duì)主梁扭矩系數(shù)影響明顯，檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移，主梁扭矩系數(shù)整體變小.

2.4 護(hù)欄

護(hù)欄對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響如圖10所示：①加護(hù)欄后主梁阻力系數(shù)明顯增大，主梁升力系數(shù)明顯變小;②有欄桿時(shí)橋面氣流受到欄桿的干擾主梁扭矩系數(shù)總體上減小，在－6°～0°范圍內(nèi)主梁扭矩系數(shù)變大.

2.5 風(fēng)障

風(fēng)障對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響如圖11所示：①風(fēng)障對(duì)主梁阻力系數(shù)影響明顯，阻力系數(shù)明顯增大，較施工階段增幅為39.6% ～111.7%，較成橋階段增幅為21%～44%;②加風(fēng)障后主梁升力系數(shù)曲線斜率減小，值也變小.

2.6 車輛

車輛對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響如圖12所示：①車輛對(duì)有風(fēng)障的主梁形式主梁阻力系數(shù)影響變化不大，主梁阻力系數(shù)整體增大;②有車輛時(shí)主梁升力系數(shù)曲線斜率降低，絕對(duì)值也變小;③有車輛時(shí)主梁扭矩系數(shù)曲線斜率減小，值也變小.

3 靜風(fēng)荷載計(jì)算

靜陣風(fēng)風(fēng)速以及在橫橋向風(fēng)作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載可按下列公式計(jì)算［13］：

式中：Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速，m/s;FH為作用在主梁單位長度上的靜風(fēng)荷載，N/m;ρ為空氣密度，kg/m3，取為1.25;CH為主梁的阻力系數(shù);H為主梁投影高度，m，計(jì)入欄桿或防撞護(hù)欄以及其它橋梁附屬物的實(shí)體高度.

由式(1)知，橫向靜風(fēng)荷載與阻力系數(shù)成正比.同樣，主梁單位長度上的升力、扭矩計(jì)算如式(2)所示：

現(xiàn)取Vg=30 m/s，以導(dǎo)流板為例計(jì)算主梁單位長度上的靜風(fēng)荷載如圖13所示.由圖13可見，主梁三分力系數(shù)的改變直接影響到主梁所受的靜風(fēng)荷載.導(dǎo)流板的安裝增大了主梁的靜風(fēng)荷載.對(duì)比《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的汽車荷載，公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)荷載qk=10.5 kN/m，表明由于導(dǎo)流板的安裝導(dǎo)致的主梁靜風(fēng)荷載的增加不容忽視.

4 結(jié)論

(1)導(dǎo)流板會(huì)明顯增大主梁阻力系數(shù);邊導(dǎo)流板會(huì)降低主梁升力系數(shù)及扭矩系數(shù);加邊導(dǎo)流板時(shí)主梁升力系數(shù)、扭矩系數(shù)曲線均較為平緩，此時(shí)，主梁開槽對(duì)阻力系數(shù)基本沒有影響，對(duì)升力系數(shù)和扭矩系數(shù)有影響;導(dǎo)流板導(dǎo)致主梁阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化越發(fā)不對(duì)稱.

(2)中央開槽會(huì)增大主梁阻力系數(shù)，減小主梁升力系數(shù);具體開槽率大小對(duì)主梁三分力系數(shù)影響不大;中央開槽后主梁扭矩系數(shù)曲線不再單調(diào)遞增.

(3)檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移主梁阻力系數(shù)、扭矩系數(shù)整體變小;主梁升力系數(shù)絕對(duì)值減小.

(4)加護(hù)欄后主梁阻力系數(shù)增大，升力系數(shù)減小，扭矩系數(shù)隨風(fēng)攻角變化規(guī)律性降低.

(5)設(shè)風(fēng)障后主梁阻力系數(shù)顯著增大，升力系數(shù)減小，扭矩系數(shù)增大.

(6)車輛會(huì)增大主梁阻力系數(shù)，降低其隨風(fēng)攻角變化規(guī)律性;降低主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化曲線斜率;有車輛時(shí)減弱了風(fēng)障對(duì)氣流的影響，主梁扭矩系數(shù)減小，且其隨風(fēng)攻角變化曲線斜率減小.

(7)主梁三分力系數(shù)的改變直接影響到主梁所受的靜風(fēng)荷載.

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