不同車(chē)流對(duì)橋梁靜三分力及局部風(fēng)壓影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究*

韓艷，劉書(shū)倩，宋奎，蔡春聲，2，何旭輝

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙 410114;2.美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)土木與環(huán)境工程，美國(guó)路易斯安那州，巴吞魯日 70803;3.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

我國(guó)目前已經(jīng)修建和正在修建的跨深山峽谷和海峽的橋梁越來(lái)越多，橋梁結(jié)構(gòu)向大跨徑，輕柔化發(fā)展，對(duì)風(fēng)的敏感性愈發(fā)突出;此外，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，橋上行駛車(chē)輛不斷增加，速度不斷提高，大量車(chē)輛在橋梁上的行駛改變了橋梁的局部動(dòng)力特性，風(fēng)－車(chē)－橋系統(tǒng)的耦合響應(yīng)更為突出。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)風(fēng)—車(chē)—橋耦合系統(tǒng)的橋梁風(fēng)致響應(yīng)和評(píng)價(jià)車(chē)輛安全、舒適性至關(guān)重要。風(fēng)－車(chē)－橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性的準(zhǔn)確測(cè)量是預(yù)測(cè)風(fēng)—車(chē)—橋耦合系統(tǒng)風(fēng)致響應(yīng)的前提。目前越來(lái)越多的學(xué)者在研究車(chē)輛和橋梁間的相互氣動(dòng)影響。葛玉梅等［1］通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了有靜止車(chē)輛的橋梁斷面和列車(chē)的氣動(dòng)參數(shù)，研究了靜止列車(chē)和橋梁間相互氣動(dòng)影響。李永樂(lè)等［4］等采用交叉滑槽系統(tǒng)，通過(guò)組合節(jié)段模型試驗(yàn)分別測(cè)試了車(chē)－橋系統(tǒng)中車(chē)輛和橋梁的氣動(dòng)力，并利用線性結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力的余弦規(guī)則來(lái)考慮車(chē)輛運(yùn)動(dòng)對(duì)氣動(dòng)力的影響。李永樂(lè)［4］等還研究了車(chē)輛和車(chē)道間的相對(duì)幾何關(guān)系對(duì)車(chē)輛和橋梁的氣動(dòng)特性影響。韓艷等［5－7］采用數(shù)值計(jì)算方法和風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)風(fēng)－車(chē)－橋耦合系統(tǒng)的車(chē)輛和橋梁氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究，分析了靜止車(chē)輛對(duì)橋梁靜氣動(dòng)力的影響以及風(fēng)場(chǎng)的紊流性對(duì)車(chē)橋靜氣動(dòng)力的影響。以上研究雖然都考慮了個(gè)別車(chē)輛與橋梁間的相互氣動(dòng)影響，但在實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀況中，公路橋梁車(chē)流荷載具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，受時(shí)間、環(huán)境及地方經(jīng)濟(jì)等眾多因素影響。為了考慮實(shí)際運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下隨機(jī)車(chē)輛對(duì)橋梁斷面氣動(dòng)力的影響，本文模擬了4種不同車(chē)流狀態(tài)，分別研究了不同車(chē)流下車(chē)輛對(duì)橋梁斷面三分力以及局部風(fēng)壓的影響，以便為以后車(chē)輛對(duì)橋梁三分力影響的修正系數(shù)的提供便利。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)測(cè)試模型與裝置

模型縮尺比為1∶60，為了方便測(cè)壓點(diǎn)的布置，橋梁節(jié)段模型由有機(jī)玻璃板制作而成，長(zhǎng)度為1.54 m，如圖1所示。選用2種典型的車(chē)型(小轎車(chē)和大型客車(chē))，如圖2所示。將模型懸掛于湖南大學(xué)開(kāi)發(fā)的強(qiáng)迫振動(dòng)置上，同時(shí)可以利用該裝置測(cè)試無(wú)車(chē)時(shí)橋梁斷面的三分力，風(fēng)洞中懸掛模型的測(cè)試裝置示意圖如圖3所示。

圖1 橋梁節(jié)段模型斷面示意圖Fig.1 Bridge model geometry and overall dimensions

圖2 兩種車(chē)輛的外形示意圖Fig.2 Vehicle models geometry and overall dimensions

圖3 風(fēng)洞中懸掛模型的測(cè)試裝置示意圖Fig.3 Experimental device with testing model in wind tunnel

1.2 測(cè)試斷面及測(cè)孔布置

為了分離測(cè)試橋梁和車(chē)輛的氣動(dòng)力，采用測(cè)壓法測(cè)試橋梁的氣動(dòng)力。另外，為了驗(yàn)證測(cè)壓法的正確性，分別采用測(cè)力法和測(cè)壓法測(cè)試了橋上無(wú)車(chē)時(shí)的橋梁斷面氣動(dòng)力。橋梁測(cè)試模型共布置8個(gè)測(cè)壓斷面(A－H斷面)，每個(gè)斷面布置54個(gè)測(cè)孔，如圖4所示。

圖4 橋梁節(jié)段模型測(cè)壓斷面與測(cè)壓孔布置示意圖Fig.4 Layout of the measuring sections and pressure points on measuring sections

1.3 不同車(chē)流模擬與測(cè)試工況

為了考慮不同車(chē)流對(duì)橋梁斷面氣動(dòng)力的影響，模擬了4種交通狀況即自由行駛狀態(tài)、中等繁忙狀態(tài)、繁忙狀態(tài)和堵車(chē)狀態(tài)。由于實(shí)驗(yàn)條件以及測(cè)點(diǎn)布置等因素的局限，難以完全模擬實(shí)際狀況中的隨機(jī)車(chē)流狀況，各種交通狀態(tài)的車(chē)輛布置如圖5所示。針對(duì)這4種交通狀態(tài)，分別測(cè)試了－6°，－4°，－2°，0°，2°，4°和 6°攻角下的橋梁斷面表面風(fēng)壓，具體的測(cè)試工況如表1所示。

圖5 4種交通狀態(tài)下車(chē)輛布置示意圖Fig.5 Vehicle arrangement under four kinds of traffic condition

表1 測(cè)試工況Table 1 Test conditions

對(duì)于橋上無(wú)車(chē)情況下，橋梁斷面的氣動(dòng)力分別通過(guò)測(cè)力法和測(cè)壓法測(cè)量得到，對(duì)于4種交通狀態(tài)下，橋梁斷面的氣動(dòng)力通過(guò)測(cè)壓法測(cè)量得到。采用測(cè)壓法時(shí)，通過(guò)積分得到每個(gè)橋梁斷面的體軸坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力為:

其中:FHj，F(xiàn)Vj和Mj分別為第j斷面體軸坐標(biāo)系下作用于斷面形心的阻力、升力和升力矩，其方向如圖6所示;ˉpij為第j斷面上第i測(cè)點(diǎn)的壓力平均值;ΔLij為第j斷面上第i測(cè)點(diǎn)的壓力積分長(zhǎng)度;θij為第j斷面上第i測(cè)點(diǎn)的壓力與體軸豎向坐標(biāo)的夾角，其正方向如圖6所示;dHij和dVij分別為第j斷面上第i測(cè)點(diǎn)的正阻力分量對(duì)截面形心的力臂和正升力分量對(duì)截面形心的力臂。

測(cè)力法得到的氣動(dòng)力是風(fēng)軸坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力，而測(cè)壓法得到的氣動(dòng)力是體軸坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力，為了使得兩種方法的結(jié)果統(tǒng)一，將體軸坐標(biāo)系下的結(jié)果轉(zhuǎn)化為風(fēng)軸坐標(biāo)系下的結(jié)果，轉(zhuǎn)化公式為:

式中:Dj，Lj和Mj分別為風(fēng)軸坐標(biāo)系下作用于第i橋梁斷面形心的阻力、升力和升力矩，其方向如圖6所示;α為風(fēng)攻角，如圖6所示。

將每個(gè)橋梁斷面的三分力沿橋長(zhǎng)方向求和之后取平均即為該節(jié)段模型橋梁斷面的三分力。由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法測(cè)得每一個(gè)橋梁斷面的三分力，故利用測(cè)得的A～H 7個(gè)斷面的三分力根據(jù)就近相等原則近似計(jì)算作用于橋梁斷面形心的阻力D、升力L和升力矩M，也就是靠近布車(chē)斷面有效范圍內(nèi)按布車(chē)斷面三分力求和，其余按無(wú)車(chē)斷面三分力求和，然后，在考慮的模型長(zhǎng)度上取平均。

計(jì)算橋梁斷面三分力系數(shù)時(shí)，參考寬度取主梁斷面寬度B，則橋梁斷面氣動(dòng)力系數(shù)定義為:

式中:ρ為空氣密度;U為平均風(fēng)速度;α為風(fēng)攻角;B為橋梁斷面寬度;l為考慮的模型長(zhǎng)度，對(duì)于無(wú)車(chē)和工況1～3，其為橋梁模型總長(zhǎng)1.5 m，對(duì)于工況4，如果考慮的模型長(zhǎng)度為模型總長(zhǎng)，那么需要布置更多的測(cè)壓斷面，受試驗(yàn)條件限制，考慮的模型長(zhǎng)度只能縮短，取中間布車(chē)影響的有效長(zhǎng)度;CD，CL和CM分別為橋梁斷面的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù);D，L和M分別為風(fēng)軸坐標(biāo)系下作用于橋梁斷面形心的阻力、升力和升力矩，其方向定義如圖6所示。

圖6 風(fēng)軸坐標(biāo)系下橋梁斷面氣動(dòng)力方向示意圖Fig.6 The direction of the aerodynamic forces of bridge under wind axis coordinates

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

圖7所示為橋上無(wú)車(chē)情況下分別采用測(cè)力法和測(cè)壓法得到的橋梁斷面三分力系數(shù)。從圖7可看出:采用測(cè)壓法和測(cè)力法得到的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)吻合得較好，而測(cè)力法的阻力系數(shù)較測(cè)壓法的系數(shù)要大。Ricciardelli等［8－9］等也曾嘗試過(guò)用測(cè)力法和測(cè)壓法來(lái)測(cè)定單幅橋面橋梁的三分力系數(shù)，發(fā)現(xiàn)2種方法測(cè)得的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)吻合得較好;而阻力系數(shù)測(cè)壓法得到的結(jié)果只是測(cè)力法結(jié)果的2/3左右，該誤差是橋面欄桿等附屬物上無(wú)法布置測(cè)壓孔、壓力積分阻力中不包括風(fēng)對(duì)橋面欄桿等附屬物的阻力造成的。測(cè)力法和測(cè)壓法的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比基本上說(shuō)明了本試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

圖8所示為5種工況下采用測(cè)壓法得到的橋梁斷面三分力系數(shù)。表2～4所示為不同工況下橋梁斷面三分力系數(shù)及對(duì)比情況。從圖8和表2～4可以看出:不同交通狀態(tài)下車(chē)輛對(duì)橋梁斷面三分力系數(shù)的影響程度不同，在堵車(chē)情況下，車(chē)輛對(duì)其影響最大，使阻力系數(shù)和升力矩系數(shù)顯著減小，尤其在0°攻角時(shí)，使阻力系數(shù)減小了21%，使升力矩系數(shù)減小了11倍。在堵車(chē)情況下，車(chē)輛使升力系數(shù)增大，在2°攻角時(shí)，增加將近1倍。由此可見(jiàn):在風(fēng)－車(chē)－橋耦合振動(dòng)分析中，車(chē)輛對(duì)橋梁氣動(dòng)力的影響不容忽視。

圖7 橋上無(wú)車(chē)時(shí)橋梁斷面的三分力系數(shù)Fig.7 Static aerodynamic coefficients of the bridge with no vehicle

圖8 不同工況下的橋梁斷面三分力系數(shù)Fig.8 Static aerodynamic coefficients of the bridge under different traffic flows

表2 阻力系數(shù)的對(duì)比情況Table 2 Drag coefficients in different cases

表3 升力系數(shù)的對(duì)比情況Table 3 Lift coefficients in different cases

表4 升力矩系數(shù)的對(duì)比情況Table 4 Pitching moment coefficients in different cases

3 橋梁斷面風(fēng)壓分布研究

利用測(cè)壓法得到的數(shù)據(jù)，計(jì)算各個(gè)截面單個(gè)測(cè)點(diǎn)平均壓力系數(shù)，計(jì)算公式為

其中:Ci和Pi分別為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的平均壓力系數(shù)值和平均壓強(qiáng)，ρ為空氣密度，U為平均風(fēng)速。

圖9所示為橋梁典型斷面測(cè)壓點(diǎn)與車(chē)輛相對(duì)位置示意圖。圖10所示為0°，－6°和6°風(fēng)攻角下的橋梁典型斷面平均壓力系數(shù)分布圖，其中平均壓力系數(shù)以指向橋面外側(cè)為負(fù)，內(nèi)側(cè)為正?？紤]到平均壓力系數(shù)遠(yuǎn)小于實(shí)際的橋梁斷面尺寸，圖10中的平均壓力系數(shù)均乘了1 000的放大因子。

圖10所示是4個(gè)典型斷面分別為無(wú)車(chē)、工況1的E斷面(布置2輛車(chē))、工況2的A斷面(布置4輛車(chē))、工況4的B斷面(布置8輛車(chē))。由圖10可知:風(fēng)攻角、橋上無(wú)車(chē)和有車(chē)以及車(chē)輛數(shù)量和車(chē)輛位置對(duì)斷面測(cè)點(diǎn)壓力值均有不同程度的影響。

圖9 橋梁典型斷面測(cè)壓點(diǎn)與車(chē)輛相對(duì)位置示意圖Fig.9 The relative position of the vehicle and pressure points on typical bridge scetions

圖10 橋梁典型斷面壓力系數(shù)均值圖Fig.10 The mean pressure coefficient of bridge section

在0°風(fēng)攻角時(shí)，無(wú)車(chē)A斷面和工況1E斷面頂面測(cè)點(diǎn)壓力值為負(fù)，即測(cè)點(diǎn)受拉力，且由迎風(fēng)側(cè)到背風(fēng)側(cè)壓力值絕對(duì)值略有減小。由于工況1E斷面車(chē)輛布置較少，且相距較遠(yuǎn)，風(fēng)車(chē)橋耦合效應(yīng)不明顯，車(chē)輛對(duì)風(fēng)基本不產(chǎn)生阻礙作用，故此時(shí)工況1E斷面的壓力分布與無(wú)車(chē)時(shí)基本一致。而此時(shí)工況2A斷面與工況4B斷面由于車(chē)輛布置較多較密，對(duì)頂面迎風(fēng)側(cè)壓力影響較大。由于車(chē)體的阻擋，風(fēng)在車(chē)輛底部流動(dòng)受阻，在車(chē)體迎風(fēng)面一側(cè)的區(qū)域短暫聚集并沿車(chē)體向上爬升，并在車(chē)底形成負(fù)壓區(qū)，故風(fēng)在流經(jīng)車(chē)輛之前的壓力為正值，在車(chē)輛處迅速由正變負(fù)且其絕對(duì)值略大于無(wú)車(chē)時(shí)的壓力絕對(duì)值，隨著距離的增大，車(chē)橋耦合風(fēng)場(chǎng)作用減弱，壓力絕對(duì)值又逐漸減小并接近無(wú)車(chē)時(shí)的壓力絕對(duì)值。

在 －6°風(fēng)攻角時(shí)，風(fēng)對(duì)頂面的壓力基本為正。迎風(fēng)側(cè)頂面壓力與0°風(fēng)攻角時(shí)比較均有不同程度的增大，無(wú)車(chē)A斷面和工況1E斷面頂面欄桿分布區(qū)更是由負(fù)壓變?yōu)檎龎?，幅值變化較大。這是由于0°風(fēng)攻角時(shí)風(fēng)在橋梁鈍體斷面迎風(fēng)側(cè)產(chǎn)生分離，而－6°風(fēng)攻角時(shí)分離點(diǎn)上移，風(fēng)壓直接作用于迎風(fēng)側(cè)頂面致使該區(qū)域壓力產(chǎn)生由負(fù)到正的劇烈變化。而工況2A斷面和工況4B斷面由于車(chē)輛的阻擋作用，在0°風(fēng)攻角時(shí)與－在6°風(fēng)攻角時(shí)比較迎風(fēng)側(cè)頂面壓力略有增加，但相對(duì)無(wú)車(chē)A斷面與工況1E斷面變化較小。－6°風(fēng)攻角時(shí)，在迎風(fēng)側(cè)下部形成了一個(gè)較大的負(fù)壓區(qū)，且該區(qū)域負(fù)壓與0°風(fēng)攻角時(shí)比較急劇增大。在6°風(fēng)攻角時(shí)，風(fēng)在橋梁斷面頂面形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，故頂面壓力均為負(fù)，且負(fù)值較大。迎風(fēng)側(cè)下部的壓力由 －6°風(fēng)攻角時(shí)的較大負(fù)壓變?yōu)檎龎骸?/p>

4 結(jié)論

(1)車(chē)輛的存在對(duì)橋梁氣動(dòng)特性影響顯著，在不同交通狀態(tài)下車(chē)輛對(duì)橋梁斷面三分力系數(shù)及風(fēng)壓分布的影響程度不同。

(2)在不同交通狀況下，車(chē)輛與橋道間以及不同行車(chē)位置的車(chē)輛間存在明顯的氣動(dòng)干擾，橋梁斷面迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓變化較大，而背風(fēng)側(cè)的影響不明顯。而堵車(chē)時(shí)車(chē)輛對(duì)橋梁斷面三分力系數(shù)影響最大，使阻力系數(shù)和升力矩系數(shù)顯著減小，升力系數(shù)增大。

(3)在風(fēng)—車(chē)—橋耦合振動(dòng)分析中，不同交通狀態(tài)對(duì)橋梁氣動(dòng)力及風(fēng)壓分布的影響不容忽略，故設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮，確保行車(chē)安全舒適。

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