降雨對橋梁主梁靜力特性的影響

辛大波，王 亮，李 惠，歐進萍，2

（1.哈爾濱工業(yè)大學 土木工程學院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.大連理工大學 土木水利學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

橋梁是重要的基礎設施工程。隨著科學技術的不斷進步，橋梁結構呈現(xiàn)長、細、柔、輕的發(fā)展趨勢，結構剛度和阻尼不斷降低，這使得大跨橋梁結構對風的敏感性更加突出。風對橋梁的作用是一個十分復雜的現(xiàn)象，它受到自然風的特性、橋梁主梁斷面形狀、橋梁結構特性以及風與橋梁結構的相互作用等四個方面的制約［1］，風對橋梁的作用包括靜力作用和動力作用，風致靜力作用又包括靜風荷載作用與風致靜力失穩(wěn)，與動力失穩(wěn)相比，靜力失穩(wěn)發(fā)生前沒有任何先兆，突發(fā)性強，破壞性更大［2］。因此，風致靜力作用具有重要的研究價值。

傳統(tǒng)的橋梁結構靜力作用的研究都是基于均勻來流風場［3－7］，然而，對于建設在臺風頻繁侵襲區(qū)域的大跨度橋梁結構來說，強風常常伴隨著降雨，特別對于臺風天氣，強風與暴雨耦合更是其主要特征。大跨橋梁結構處于風雨聯(lián)合作用時，單一考慮風場進行風致作用分析得出的結論與實際有一定的偏差，其原因在于雨場的存在以及雨場和風場的相互耦合作用。因此，風雨聯(lián)合作用構成了大跨橋梁的最不利荷載環(huán)境，在進行橋梁風致靜力作用分析時考慮降雨的影響更符合客觀實際。同時，考慮降雨作用對于精細化分析大跨橋梁風致作用至關重要。同濟大學葛耀軍等進行了風雨共同作用下結構荷載與響應的理論分析及試驗研究［8］。研究表明，降雨對模型受到的定常氣動力有一定影響。目前，如何評價降雨對橋梁主梁風致靜力作用的影響規(guī)律尚不清楚。

本文針對大跨橋梁主梁風雨聯(lián)合作用現(xiàn)象，從靜力學角度出發(fā)，分析風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁荷載的三個組成成分，即風雨致靜力三組分，以及橋梁主梁風雨致靜力相對純風作用下的風致靜力增量，并給出了測試方法，通過在大氣邊界層風洞中搭建的風雨聯(lián)合作用試驗系統(tǒng)，以一開槽雙箱橋梁主梁為研究對象，完成主梁節(jié)段模型在風雨耦合場作用下的靜力特性試驗，進而研究降雨對橋梁主梁風致靜力作用的影響規(guī)律。

1 風雨致靜力三組分

參照橋梁風致靜力模型，風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風雨致靜力荷載模型仍采用風致靜力三分力模型，如圖1所示。

圖1 橋梁主梁風雨致靜力三分力Fig.1 Wind－rain－induced three dimensional static component forces of bridge section

在風軸坐標系下，主梁風雨致靜力三分力可由無量綱的三分力系數(shù)表達為：

式中ρ——來流密度（kg／m3）；

U——來流速度（m／s）；

B——橋梁主梁寬度（m）；

L——橋梁主梁長度（m）。

風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風雨致靜力主要包括以下三個組成部分（三組分）：

（1）雨的質量引起的橋梁主梁靜力。

（2）雨的沖擊力引起的橋梁主梁靜力。

（3）風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風致靜力。此時的風致靜力相對于純風作用下的風致靜力變化由風場改變決定，該風場改變源自兩個影響因素，即空間雨滴引起的風場改變以及橋梁主梁上的水膜附著引起的風場改變。

風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風雨致靜力三組分可以表達為：

降雨對橋梁主梁風致靜力作用的影響可以通過風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風雨致靜力相對于純風作用下橋梁主梁風致靜力的增量來表達：

式中ΔFD、ΔFL、ΔMT——風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風雨致阻力、風雨致升力、風雨致扭矩相對純風作用下橋梁主梁風致阻力、風致升力、風致扭矩的增量。

將上述三分力用相應的無量綱系數(shù)來表達，風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風雨致靜力相對純風作用下橋梁主梁風致靜力增量的三分力系數(shù)為：

風雨聯(lián)合作用下雨的質量引起的橋梁主梁三分力系數(shù)分別為：

風雨聯(lián)合作用下雨的沖擊力引起的橋梁主梁三分力系數(shù)為：

風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風致阻力、風致升力、風致扭矩相對純風作用下橋梁主梁風致阻力、風致升力、風致扭矩增量的無量綱系數(shù)為：

薪酬與績效管理是人力資源管理的重要組成部分。因此，做好人力資源管理的關鍵是薪酬與績效管理。薪酬與績效管理是一種將考核結果與加薪、晉升、獎金、評優(yōu)、轉崗以及裁員等相掛鉤的管理制度[2]。薪酬與績效管理是薪酬和績效其實是人力資源管理的兩個方面，其主要目的在于激勵員工。績效薪酬管理更為注重的是績效工資和遠期報酬?？冃匠旯芾淼闹贫纫哺哂徐`活性和彈性[3]?？傊匠昱c績效管理是具有重要的優(yōu)勢的。薪酬與績效管理對人力資源管理是具有重要的作用的。

2 橋梁主梁風雨致靜力相對風致靜力增量的測試方法

橋梁主梁風雨致靜力系數(shù)與橋梁主梁風致靜力系數(shù)的測試方法差別在于其三分力系數(shù)是在風雨聯(lián)合作用環(huán)境中測得的。為了測量橋梁主梁風雨致靜力相對風致靜力增量，提出以下假設：

（1）在有風環(huán)境下，主梁節(jié)段模型表面的積水量及水膜形狀不因風速改變而改變；

（2）雨的質量對橋梁主梁阻力無影響；

（3）對于橋梁主梁處于正負對稱的兩個來流風攻角位置，雨的質量對橋梁主梁的靜力作用相同。

在風雨聯(lián)合試驗環(huán)境中采用力傳感器采集橋梁主梁節(jié)段模型的阻力、升力、扭矩，具體測量過程如下：

（1）將節(jié)段模型放置于降雨影響范圍中，且不在降雨器的正下方，如圖2所示。

圖2 試驗裝置相對位置圖Fig.2 Relative position of experiment device

（2）水平來流風相對于橋梁主梁模型攻角α的橋梁主梁位置，保持風速U＝0不變，給定雨強I，持續(xù)降雨一分鐘，將雨強快速降至零，在雨強降至零的瞬間，通過力傳感器采集模型荷載F1K（K＝D、L、T），這里F1T即為M1T。此時節(jié)段模型受到雨的質量作用而沒有受到風的作用，雨的質量作用于節(jié)段模型上的力為FGK，在雨停的瞬間雖還有少量雨滴從降雨器噴出，但不會降落到節(jié)段模型上，如圖3所示。

圖3 試驗裝置相對位置圖Fig.3 Relative position of experiment device

（3）保持雨強I＝0時吹風，給定某一風速U，通過力傳感器采集模型荷載。此時節(jié)段模型受風的作用而不受到雨的作用，所受力為，相當于純風作用荷載。

圖4 風雨聯(lián)合作用下節(jié)段模型測試示意圖Fig.4 Schematic map of test of section model subjected to wind and rain

此時節(jié)段模型受雨的質量作用、雨的沖擊力作用以及風雨聯(lián)合作用下的風致靜力作用，所受力分別為

（6）選取不同攻角、風速、雨強重復以上過程，即可以得到不同攻角、風速、雨強下的、。

3 開槽雙箱梁橋梁主梁節(jié)段模型風雨致靜力試驗

3.1 試驗模型

試驗選取開槽雙箱梁橋梁主梁節(jié)段模型為研究對象，模型截面如圖5所示。

圖5 開槽雙箱梁主梁節(jié)段模型斷面（單位：mm）Fig.5 Cross section of a bridge deck model（unit：mm）

3.2 試驗環(huán)境及設備

通過在閉口回流大氣邊界層風洞中安裝降雨系統(tǒng)，進而實現(xiàn)風雨聯(lián)合作用環(huán)境，如圖6所示。

風雨聯(lián)合作用系統(tǒng)中的降雨系統(tǒng)的模擬雨強連續(xù)變化范圍為10～200mm／h，降雨面積為4×5m2，雨滴直徑為0.1～6mm，降雨調節(jié)精度為7mm／h。用于橋梁主梁節(jié)段模型靜力測量的力傳感器型號為SML－200以及SML－1000，其量程分別為890N、4450N，精度為2.07648‰。

圖6 風雨聯(lián)合作用實測圖Fig.6 Test chart of wind and rain actions

3.3 試驗工況

試驗中通過設定不同來流風速、攻角、降雨強度等參數(shù)交叉組成多種試驗工況。具體參數(shù)如表1所示。

表1 來流風速、攻角、降雨強度數(shù)據(jù)Table 1 Data of inflow wind velocity，rainfall intensity and angle of attack

3.4 試驗結果及分析

3.4.1 阻力

橋梁主梁風雨致阻力相對純風作用下風致阻力增量包含兩個部分，即風雨聯(lián)合作用下雨的沖擊力引起的橋梁主梁阻力、風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風致阻力相對純風作用下橋梁主梁風致阻力增量。以上兩個部分所占比重分別記為不同攻角下，橋梁主梁阻力增量及其分量百分比如圖7所示。

從圖7可以看出，該開槽雙箱梁橋梁主梁節(jié)段模型在風雨聯(lián)合作用下，隨來流風攻角由負方向至正方向連續(xù)變化過程中，雨的沖擊力引起的主梁阻力先減小后趨于平緩，該主梁節(jié)段模型在風雨聯(lián)合作用下的風致阻力相對于純風作用下的風致阻力增量先增大后趨于平緩。攻角為－3°時以上兩個阻力分別達到最小值和最大值，且以上兩個阻力隨來流風攻角的變化，呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律。從圖7還可看出，當來流風攻角在－7.5°至－12°之間時，風雨聯(lián)合作用下雨的沖擊力引起的模型阻力增量所占比重較大；當來流風攻角在－7.5°至12°之間時，風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁模型風致阻力相對純風作用下橋梁主梁模型風致阻力增量在模型阻力增量中所占比重較大。因此，針對開槽雙箱梁橋梁主梁風雨致阻力相對于風致阻力變化，在較大的負攻角下雨的沖擊力作用占主導；在較小的負攻角及正攻角下，空間雨滴以及主梁表面水膜附著引起的風場改變作用占主導。

圖7 橋梁主梁阻力增量Fig.7 Drag increment of bridge deck section

3.4.2 升力

橋梁主梁風雨致升力相對純風作用下風致升力增量包含三個部分，即風雨聯(lián)合作用下雨的質量引起的橋梁主梁升力，風雨聯(lián)合作用下雨的沖擊力引起的橋梁主梁升力，以及風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風致升力相對純風作用下橋梁主梁風致升力增量。以上三個部分所占比重分別記為不同攻角下，橋梁主梁升力增量及其分量百分比如圖8所示。

從圖8可以看出，該主梁節(jié)段模型在風雨聯(lián)合作用下隨遠端來流風攻角由負方向至正方向連續(xù)變化過程中，雨的質量引起的主梁升力先增大后減小，隨后又增大再減小，沿攻角大致呈對稱分布；雨的沖擊力引起的主梁升力隨攻角變化呈現(xiàn)波動特性；模型在風雨聯(lián)合作用下的風致升力相對純風作用下風致升力增量隨攻角變化也呈現(xiàn)波動特性。從圖8中還可看出，雨的質量、沖擊力、空間雨滴和主梁表面水膜附著引起的風場改變三個因素對橋梁主梁升力影響所占比重比較接近。

圖8 橋梁主梁升力增量Fig.8 Lift increment of bridge deck section

3.4.3 扭矩

橋梁主梁風雨致扭矩相對純風作用下風致扭矩增量包含三個部分，即風雨聯(lián)合作用下雨的質量引起的橋梁主梁扭矩，風雨聯(lián)合作用下雨的沖擊力引起的橋梁主梁扭矩，風雨聯(lián)合作用下橋梁主梁風致扭矩相對純風作用下橋梁主梁風致扭矩增量。以三兩個部分所占比重分別記為不同攻角下，橋梁主梁扭矩增量分量百分比如圖9所示。

圖9 橋梁主梁扭矩增量Fig.9 Torque increment of bridge deck section

從圖9可以看出，該主梁節(jié)段模型在風雨聯(lián)合作用下隨來流風攻角由負方向至正方向變化連續(xù)變化過程中，雨的質量引起的主梁扭矩大致呈減小趨勢，雨的沖擊力引起的主梁扭矩先減小后增大，模型在風雨聯(lián)合作用下風致扭矩相對于純風作用下風致扭矩增量呈波動變化。從圖9中還可看出，空間雨滴和主梁表面水膜附著引起的風場改變對橋梁主梁風致扭矩影響最大，然后依次為雨的質量作用、雨的沖擊力作用。

4 結 論

針對大跨橋梁斷面風雨聯(lián)合作用現(xiàn)象，本文從靜力學角度出發(fā)，分析了橋梁主梁風雨致靜力的三個組成部分，以及橋梁主梁風雨致靜力相對于純風作用下風致靜力的增量，給出了測試方法，并通過在大氣邊界層風洞中搭建的風雨聯(lián)合作用試驗系統(tǒng)，以一開槽雙箱梁橋梁主梁節(jié)段模型為試驗研究對象，完成節(jié)段模型在風雨聯(lián)合作用下的靜力特性試驗，進而獲取降雨對橋梁主梁風致靜力作用的影響規(guī)律，試驗結論如下：

（1）針對開槽雙箱梁橋梁主梁風雨致阻力相對于風致阻力增量，在較大的負攻角下雨的沖擊力作用占主導；在較小的負攻角及正攻角下，空間雨滴以及主梁表面水膜附著引起的風場改變作用占主導。

（2）針對開槽雙箱梁橋梁主梁風雨致升力相對于風致升力增量，雨的質量、沖擊力、空間雨滴和主梁表面水膜附著引起的風場改變三個因素對橋梁主梁升力影響所占比重比較接近。

（3）針對開槽雙箱梁橋梁主梁風雨致扭矩相對于風致扭矩增量，空間雨滴和主梁表面水膜附著引起的風場改變對橋梁主梁風致扭矩影響最大，然后依次為雨的質量作用、雨的沖擊力作用。

［1］賀德馨，等.風工程與工業(yè)空氣動力學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006：443－450.

［2］周穎，禹奇才，曹映泓.大跨度橋梁非線性靜力抗風研究［J］.廣州大學學報，2002，1（4）：63－67.

［3］埃米爾.?？?，羅伯特.H.斯坎倫.風對結構的作用［M］.上海：同濟大學出版社，1992：149－180.（EMIL SIMIU，ROBERT H SCANLAN.Application of wind tostructure［M］.Shanghai：Tongji University Press，1992：149－180.）

［4］黃本才.結構抗風分析原理及應用［M］.同濟大學出版社，2008：26－46.

［5］陳政清.橋梁風工程［M］.人民交通出版社，200555－62.

［6］GE Y J，XIANG H F.Recent development of bridge aerodynamics in China［C］／／Proceedings of the 5th International Collquium on Bluff Body Aerodynamics and Applications.Ottawa，Ontario，Canada，2004：77－96.

［7］CHENG Jin，JIANG Jian－jing，XIAO Ru－cheng，et al.Nonlinear aerostatic stability analysis of Jiang Yin Suspension Bridge［J］.Engineering Structures，2002，（24）：773－781.

［8］葛耀軍，趙林，許林汕，等.風雨共同作用下結構荷載與響應的理論分析及試驗研究［A］.第十四屆全國風工程會議論文集［C］.2009：187－196.