附屬構(gòu)件及橋面粗糙度對(duì)近流線型寬體箱梁氣動(dòng)靜力系數(shù)的影響

張亮亮, 吳 波,*, 楊 陽(yáng), 劉連杰, 劉書洋

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400045; 2. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)安全與防災(zāi)協(xié)同創(chuàng)新中心, 重慶 400045)

附屬構(gòu)件及橋面粗糙度對(duì)近流線型寬體箱梁氣動(dòng)靜力系數(shù)的影響

張亮亮1,2, 吳 波1,2,*, 楊 陽(yáng)1,2, 劉連杰1, 劉書洋1

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院, 重慶 400045; 2. 山地城鎮(zhèn)建設(shè)安全與防災(zāi)協(xié)同創(chuàng)新中心, 重慶 400045)

針對(duì)高寬比為1/12的近流線型寬體箱梁進(jìn)行了一系列參數(shù)化的三分力測(cè)力試驗(yàn)，研究了欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置、橋面粗糙度對(duì)三分力系數(shù)的影響。運(yùn)用CFD工程軟件Fluent 15.0模擬二維風(fēng)場(chǎng)，對(duì)三分力系數(shù)變化的可能機(jī)理進(jìn)行討論。結(jié)果表明，對(duì)于近流線型寬體箱梁：(1) 隨迎角由負(fù)到正加大，CD先降后升，CL與Cm總體趨于升高，但均不關(guān)于零迎角對(duì)稱或反對(duì)稱；(2) 欄桿透風(fēng)率的減小一方面加大了斷面擋風(fēng)面積，使尾流變寬，CD升高；另一方面擴(kuò)大了斷面上方負(fù)壓區(qū)范圍(正迎角工況)，提高了上表面壓力系數(shù)(負(fù)迎角工況)，使正、負(fù)迎角下的升力均增加，即CL絕對(duì)值升高；(3) 正迎角來流時(shí)，檢修車軌道的內(nèi)移使斷面下方的負(fù)壓區(qū)縮小、壓力系數(shù)減小、尾流變窄，則CD、CL均降低；但負(fù)迎角來流時(shí)，其位置的移動(dòng)未對(duì)分離區(qū)造成明顯影響，則CD與CL均未出現(xiàn)顯著波動(dòng)；(4) 正迎角來流時(shí)，橋面粗糙度的提高減小了上表面的分離角，使負(fù)壓區(qū)縮小、尾流變窄，則CD降低；且負(fù)壓區(qū)的縮小使得朝上的升力減小，即CL降低。負(fù)迎角來流時(shí)，粗糙度的提高使上表面的阻力與壓力系數(shù)均增加，則CD升高、CL的絕對(duì)值升高；(5) 欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置及橋面粗糙度對(duì)Cm的影響可以忽略不計(jì)。

扁平箱梁；氣動(dòng)靜力系數(shù)；節(jié)段模型試驗(yàn)；橋面粗糙度；欄桿透風(fēng)率；檢修車軌道位置；繞流場(chǎng)特性

0 引 言

自然風(fēng)對(duì)橋梁的作用分為定常力與非定常力，定常力是靜風(fēng)荷載、抖振響應(yīng)、馳振穩(wěn)定性分析等抗風(fēng)研究的基礎(chǔ)，可通過阻力系數(shù)、升力系數(shù)及力矩系數(shù)來表示[1-3]。目前，獲取靜力三分力系數(shù)的常用方法是節(jié)段模型測(cè)力實(shí)驗(yàn)。諸多研究表明[4-7]，斷面形狀、附屬結(jié)構(gòu)物對(duì)靜力三分力的影響不可忽視。馬凱[6]指出，近流線型斷面的三分力系數(shù)與桁架橋、疊合梁橋明顯不同；高亮[7]研究了欄桿、檢修車軌道對(duì)帶中央開槽的分離式箱梁(高寬比1/9)三分力系數(shù)的影響；但關(guān)于附屬結(jié)構(gòu)物對(duì)整體式寬體扁平箱梁三分力系數(shù)的影響，目前鮮有專門報(bào)道。關(guān)于橋面粗糙度對(duì)斷面三分力系數(shù)影響的報(bào)道則更少。針對(duì)上述問題，以高寬比1/12的整體式寬體箱梁為對(duì)象，進(jìn)行了1∶60的節(jié)段模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)地探討了迎角、欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置以及橋面粗糙度對(duì)流線型斷面三分力系數(shù)的影響。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)是數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)，具有良好的可視化功能，可將氣流流經(jīng)橋梁斷面時(shí)的流場(chǎng)分布特性直觀地呈現(xiàn)出來[8-9]。一些學(xué)者[10-11]利用CFD識(shí)別橋梁斷面的三分力系數(shù)，取得了較高的精度。文中對(duì)主梁斷面進(jìn)行了CFD二維求解，對(duì)比了斷面在不同工況下的壓強(qiáng)、流線分布特征，從微觀層面探討三分力系數(shù)隨迎角、欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置以及橋面粗糙度變化的可能機(jī)理。

1 工程概況

擬建的重慶寸灘長(zhǎng)江大橋是重慶機(jī)場(chǎng)專用快速路工程南段的重要組成部分，包括跨江主橋和南北引橋，總長(zhǎng)1.6km，跨徑250m+880m+250m。主橋?yàn)殡p塔單跨懸索橋，主跨880m，矢跨比1/8.8。主梁為寬體扁平鋼箱梁，寬42m，中心處梁高3.5m，高寬比1/12，設(shè)2%雙向排水坡。圖1為主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖。

圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面(單位：cm)

2 節(jié)段模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

主梁節(jié)段模型縮尺比1∶60，采用環(huán)氧樹脂板與優(yōu)質(zhì)木材制作，長(zhǎng)L=2.1m，寬B=0.70m，高D=0.058m。試驗(yàn)在西南交通大學(xué)工業(yè)風(fēng)洞(XNJD-1)第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，模型由三分力專用側(cè)壁支撐固定于三分量應(yīng)變式天平，來流為均勻流，風(fēng)速U=10m/s。通過計(jì)算機(jī)控制模型姿態(tài)角來設(shè)置來流迎角，α=-12°～12°，Δα=1°；使用數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量靜風(fēng)荷載下的阻力(FD)、升力(FL)及俯仰力矩(MZ)，然后按式(1)～(3)計(jì)算風(fēng)軸下的三分力系數(shù)；圖2為成橋狀態(tài)靜力三分力實(shí)驗(yàn)。

圖2 靜力三分力系數(shù)節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)

試驗(yàn)中通過在模型上表面粘貼輕、薄的砂紙來模擬橋面粗糙度，所用砂紙的厚度僅為模型高度的0.01～0.02倍，確保砂紙平整貼合于模型表面，避免對(duì)主梁外形產(chǎn)生影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

除裸梁工況外，實(shí)驗(yàn)還設(shè)置了無欄桿(有檢修車軌道)及3種不同透風(fēng)率的欄桿(59.8%、45.8%、35.6%)、3處不同位置的檢修車軌道(分別距底板邊緣0、2、4cm)及3種橋面粗糙度(無砂紙、120目砂紙、80目砂紙)，每類工況均測(cè)量了來流迎角α=-12°～12°下的三分力系數(shù)。

2.3 靜力三分力系數(shù)

主梁斷面在風(fēng)軸坐標(biāo)系下的靜力三分力系數(shù)計(jì)算式為[12]：

阻力系數(shù)：

升力系數(shù)：

力矩系數(shù)：

式中，U表示來流風(fēng)速，ρ為空氣密度，取1.225kg/m3。FD、FL、MZ分別表示橫橋向阻力、豎向升力及俯仰力矩。B為參考寬度，取箱梁頂板寬度0.70m。D為參考高度，取箱梁中心高度0.058m。L為節(jié)段長(zhǎng)度，取2.1m。

3 CFD數(shù)值模擬

數(shù)值模擬軟件為Ansys Fluent 15.0，由于主梁外形沿主跨方向不變，處理為二維，流動(dòng)為定常不可壓，靜力按定常處理，不考慮溫度的影響。對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為雷諾時(shí)均N-S方程，湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，近壁面以標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)處理，壓力速度耦合選用

SIMPLE算法，離散格式為二階迎風(fēng)插值[11,13]。

在前處理軟件GAMBIT中形成計(jì)算網(wǎng)格，數(shù)值模型的縮尺比也為1:60，與節(jié)段模型實(shí)驗(yàn)相同。為減小邊界對(duì)斷面流場(chǎng)的影響，計(jì)算區(qū)域設(shè)置得足夠大[14-15]：上下邊界到斷面中心的距離為1.0m(>15D)，入口距斷面中心4.2m(6B)，出口距斷面中心8.4m(12B)；入口為速度條件，出口為壓力出口，主梁及其附屬物外壁均為無滑移的壁面。

斷面附近第1層網(wǎng)格高度0.5mm，附屬構(gòu)件附近的第1層網(wǎng)格高度0.1mm，使壁面Y+≈30[16]。在流場(chǎng)變化劇烈的地方劃分較密的網(wǎng)格，然后逐漸過渡，外部網(wǎng)格劃分較疏，以使網(wǎng)格更能適應(yīng)流場(chǎng)的變化，最大網(wǎng)格尺寸為0.035m。

Fluent中以Roughness height表示粗糙度厚度Ks。對(duì)于砂粒平均分布的砂紙，Ks取粒徑平均高度。經(jīng)游標(biāo)卡尺測(cè)量，實(shí)驗(yàn)中所用的120目、80目砂紙對(duì)應(yīng)的Ks分別為0.97mm與1.28mm。將包括風(fēng)嘴在內(nèi)的模型上表面單獨(dú)劃分成一個(gè)壁面邊界，求解時(shí)，設(shè)置相應(yīng)的Roughness height值即可模擬橋面粗糙。為更好分辨橋面的粗糙度顆粒，在斷面上表面劃分邊界層網(wǎng)格，第1層網(wǎng)格高度0.05mm。

4 結(jié) 果

4.1 CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

表1列出了一些典型工況三分力系數(shù)的CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，可見：CFD可準(zhǔn)確反映CD、CL、Cm隨迎角、欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置及橋面粗糙度的變化趨勢(shì)。其中，CD的模擬精度最高，CL次之，Cm的模擬精度稍差，但由于其值很小，接近于0，誤差尚屬于可接受的范圍[10]，這與譚紅霞[11]利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型取得的模擬精度相當(dāng)。

對(duì)于裸梁工況，涉及到模擬橋面粗糙度的工況k～n的精度尚可，但稍差于不模擬粗糙度的工況i、j，可能與砂紙顆粒被近似處理為平均高度的粗糙度條帶有關(guān)。

表1 代表性工況三分力系數(shù)的CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比Table 1 Comparison between CFD and experimental values under representative working cases

4.2 結(jié)果分析

4.2.1 迎角的影響

圖4為本次試驗(yàn)條件下，成橋態(tài)10m/s風(fēng)速下的風(fēng)軸三分力系數(shù)隨迎角α的變化曲線，可見：(1)隨α加大，阻力系數(shù)CD先降后升，即小迎角范圍內(nèi)較小，正、負(fù)大迎角范圍內(nèi)更大，主要是由于大迎角下斷面的擋風(fēng)面積更大。但由于斷面上、下部的不對(duì)稱及風(fēng)嘴、橋面附屬物等的作用，CD-α曲線并不是關(guān)于0°迎角對(duì)稱，最小值位于-3°附近；(2)負(fù)迎角來流時(shí)，分離區(qū)位于斷面以下，呈負(fù)壓，斷面以上呈正壓，上、下壓力差為正值，則升力FL朝下，即升力系數(shù)CL為負(fù)值；隨α趨于0°迎角，分離區(qū)縮小，上、下壓力差減小，F(xiàn)L減小，CL的絕對(duì)值減小，即CL-α曲線呈正斜率；正迎角來流時(shí)，分離區(qū)位于斷面以上，上、下壓力差為負(fù)值，升力FL朝上，即升力系數(shù)CL為正值；隨α加大，分離區(qū)加大，CL逐漸升高；(3)隨α加大，力矩系數(shù)Cm趨于升高，但波動(dòng)范圍小于CL。

圖4 三分力系數(shù)隨迎角的變化曲線(成橋態(tài)，U=10m/s)

4.2.2 欄桿透風(fēng)率的影響

在研究欄桿透風(fēng)率的影響時(shí)，4類工況的透風(fēng)率(ventilation rate)分別為100%(無欄桿)、59.8%、45.8%及35.6%。試驗(yàn)條件下，欄桿透風(fēng)率對(duì)三分力系數(shù)的影響見圖5：

(1) 隨透風(fēng)率減小，CD逐漸升高，尤以小迎角范圍的趨勢(shì)更明顯；(2) 在正迎角范圍內(nèi)，CL隨透風(fēng)率減小而升高；在負(fù)迎角范圍內(nèi)，CL隨透風(fēng)率減小而降低(負(fù)值，絕對(duì)值增加)；(3)Cm未隨透風(fēng)率的變化而發(fā)生明顯波動(dòng)：最大幅度低于0.02。

選取5°為代表來研究三分力系數(shù)隨欄桿透風(fēng)率變化的微觀機(jī)理。圖6為不同透風(fēng)率工況下(工況c～f)，斷面上、下表面壓力系數(shù)隨無量綱距離x/B變化曲線。其中，壓力系數(shù)的計(jì)算式為：

圖5 欄桿透風(fēng)率對(duì)三分力系數(shù)的影響(U=10m/s)

圖6 欄桿透風(fēng)率對(duì)主梁表面壓力系數(shù)的影響(α=5°)

(4)

其中，pi為測(cè)點(diǎn)靜壓，p為參考點(diǎn)靜壓。

圖7為各工況的流線分布，結(jié)合圖6，將三分力系數(shù)隨欄桿透風(fēng)率變化的原因歸結(jié)如下：

(1) 與有欄桿的工況c、d、e相比，無欄桿的工況f擋風(fēng)面積更小，尾流寬度更小，CD明顯更低；由于缺少欄桿的阻礙，工況f的上表面壓力系數(shù)低于(負(fù)值，絕對(duì)值大于)、下表面壓力系數(shù)高于工況c、d、e，可獲得更大的升力(朝上，正值)，即CL更大；隨透風(fēng)率逐漸減小，工況c、d、e上氣流再附點(diǎn)向下游移動(dòng)，加之擋風(fēng)面積的增加使上表面的分離角逐漸加大，負(fù)壓分離區(qū)加高，主旋渦加大(圖7)，使尾流變寬，因而CD逐漸升高；小迎角來流作用時(shí)，氣流近乎垂直作用于欄桿，則透風(fēng)率降低所增加的擋風(fēng)效應(yīng)大于大迎角工況，因此CD-α曲線在小迎角范圍內(nèi)的升高趨勢(shì)更顯著。

(2) 正迎角來流時(shí)，隨欄桿透風(fēng)率減小，上表面分離區(qū)加高，負(fù)壓范圍更大，則回流作用更強(qiáng)，風(fēng)速更大；由伯努利方程，風(fēng)速升高引起靜壓減小，即上表面壓力系數(shù)隨欄桿透風(fēng)率減小而減小(圖6)，但由于其呈負(fù)值，實(shí)際上是絕對(duì)值增大，因此工況c、d、e的升力(朝上)逐漸增加，即CL-α曲線在正迎角范圍內(nèi)隨透風(fēng)率減小而升高；

(3) 負(fù)迎角來流時(shí)，分離區(qū)形成于斷面下方，欄桿透風(fēng)率的改變并不會(huì)對(duì)下表面壓力系數(shù)造成較大影響。而斷面以上處于正壓區(qū)，透風(fēng)率的減小加強(qiáng)了對(duì)上表面氣流的阻擋，使風(fēng)速減??；由伯努利方程，壓力系數(shù)升高(圖6)，則升力(朝下)更大，即CL降低(負(fù)值，絕對(duì)值增加)。

圖7 欄桿透風(fēng)率對(duì)主梁上表面附近流線分布的影響(α=5°)

Fig.7 Impact of ventilation rate on streamline distributions near the upper surface

4.2.3 檢修車軌道位置的影響

在研究檢修車軌道位置的影響時(shí)，3類工況的檢修車軌道分別位于底板最外側(cè)(DT=0)、內(nèi)移2cm(DT=2cm)、內(nèi)移4cm(DT=4cm)，欄桿透風(fēng)率均為59.8%。試驗(yàn)條件下，檢修車軌道位置對(duì)三分力系數(shù)的影響如圖8所示。

圖8 檢修車軌道位置對(duì)三分力系數(shù)的影響(U=10m/s)

(1) 隨軌道內(nèi)移，CD在正迎角范圍內(nèi)逐漸降低，但在負(fù)迎角范圍內(nèi)未出現(xiàn)顯著波動(dòng)；(2)隨軌道內(nèi)移，CL在正迎角范圍內(nèi)逐漸降低，在負(fù)迎角范圍內(nèi)未發(fā)生明顯變化；(3)Cm未隨檢修車軌道的移動(dòng)而發(fā)生明顯波動(dòng)。

在研究檢修車軌道位置的移動(dòng)對(duì)三分力系數(shù)造成影響的微觀機(jī)理時(shí)，同樣選取α=5°為代表工況。圖9為不同檢修車軌道位置(工況c、g、h)的斷面上、下表面壓力系數(shù)曲線，圖10為其流線分布。將正迎角來流下，三分力系數(shù)隨檢修車軌道位置移動(dòng)而發(fā)生變化的原因歸結(jié)如下：

(1) 正迎角來流作用下，隨軌道內(nèi)移，斷面下表面的分離點(diǎn)內(nèi)移(如圖9)，即負(fù)壓分離區(qū)縮小，且氣流更緊貼斷面而行，使尾流變窄(如圖10)，則CD逐漸降低；軌道內(nèi)移在縮小下方分離區(qū)的同時(shí)，還減小了下表面壓力系數(shù)，則斷面上、下壓力差減小，升力(朝上)減小，即CL降低；

圖9 檢修車軌道位置對(duì)主梁表面壓力系數(shù)的影響(α=5°)

Fig.9 Impact of vehicle track location on the surface pressure coefficient

圖10 檢修車軌道位置對(duì)主梁下表面附近流線分布的影響(α=5°)

Fig.10 Impact of overhaul-doll rail location on the streamline distributions near the lower surface

(2) 負(fù)迎角來流時(shí)，氣流在風(fēng)嘴與斜腹板附近即完成了分離，位于斷面以下的分離區(qū)將檢修車軌道全部包圍，軌道位置的移動(dòng)并不會(huì)對(duì)分離區(qū)和尾流產(chǎn)生較大的影響，因此CD與CL均未出現(xiàn)顯著波動(dòng)。

4.2.4 橋面粗糙度的影響

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅砻嬗森h(huán)氧樹脂板制作，其粗糙度可忽略不計(jì)；此外，在模型上表面粘貼了120目、80目2種規(guī)格的砂紙來研究橋面粗糙度的影響。3類工況均在裸梁的基礎(chǔ)上進(jìn)行，以突出粗糙度的影響。試驗(yàn)條件下，橋面粗糙度對(duì)裸梁三分力系數(shù)的影響如圖11所示。

圖11 橋面粗糙度對(duì)三分力系數(shù)的影響(裸梁，U=10m/s)

(1) 隨橋面粗糙度加大，CD在正迎角范圍內(nèi)逐漸降低，在負(fù)迎角范圍內(nèi)逐漸升高；(2)隨橋面粗糙度加大，CL在正負(fù)迎角范圍內(nèi)均趨于降低；(3)橋面粗糙度的變化未對(duì)Cm造成明顯影響。

在討論正迎角來流時(shí)橋面粗糙度對(duì)三分力系數(shù)影響的微觀機(jī)理時(shí)，仍然選取α=5°為代表。圖12為不同橋面粗糙度工況(i、k、m)的上表面附近流線分布，將正迎角來流下三分力系數(shù)隨粗糙度變化的原因歸結(jié)如下。

圖12 正迎角下橋面粗糙度對(duì)上表面流線的影響(裸梁，α=5°)

Fig.12 Impact of deck roughness on the streamline distributions near the upper surface at a positive attack angle

正迎角來流作用下，斷面上方處于負(fù)壓區(qū)，粗糙度顆粒對(duì)貼近表面的氣流具有一定的吸附作用，隨粗糙度的提高，吸附作用加強(qiáng)，使風(fēng)嘴處的分離角縮小，分離區(qū)變窄，旋渦縮小(如圖12)，則尾流變窄，因此CD逐漸降低；同時(shí)，分離區(qū)在豎直方向的變窄即上方負(fù)壓區(qū)的縮小，因此斷面所受升力(朝上)降低，即CL降低。

負(fù)迎角下，橋面粗糙度對(duì)主梁壓力系數(shù)的影響見圖13。將負(fù)迎角來流下三分力系數(shù)隨粗糙度變化的原因歸結(jié)如下。

負(fù)迎角來流作用時(shí)，上表面處于正壓區(qū)，粗糙度顆粒對(duì)氣流起阻擋作用。CFD的計(jì)算結(jié)果可定性反映這種阻擋作用：由頂板所產(chǎn)生的CD分量從工況j(Roughness height=0)的0.265增加至工況n(Roughness height=1.28mm)的0.366，增量0.101。而工況j、n的CD差值為0.105，即上表面阻力的增加是CD隨粗糙度提高而升高的主要原因；此外，粗糙度顆粒阻擋作用的加強(qiáng)使得上表面風(fēng)速略微減小，由伯努利方程可知，壓力系數(shù)升高(如圖13)，則上、下壓力差更大，即升力(朝下)更大，CL降低(負(fù)值，絕對(duì)值升高)。

圖13 負(fù)迎角下橋面粗糙度對(duì)主梁壓力系數(shù)的影響(裸梁，α=-5°)

Fig.13 Impact of deck roughness on the surface pressure coefficient at a negative attack angle

5 結(jié) 論

橋梁斷面三分力系數(shù)隨迎角、欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置及橋面粗糙度變化的微觀機(jī)理在于繞流場(chǎng)的變化。對(duì)于近流線型的扁平箱梁：

(1) 隨迎角由負(fù)到正加大，阻力系數(shù)CD先降后升，升力系數(shù)CL與力矩系數(shù)Cm總體趨于升高，但均不關(guān)于0°迎角對(duì)稱或反對(duì)稱；

(2) 隨欄桿透風(fēng)率逐漸減小，上表面氣流再附點(diǎn)朝下游移動(dòng)，且斷面擋風(fēng)面積逐漸增加，則尾流變寬，CD升高；正迎角來流時(shí)，欄桿透風(fēng)率的減小擴(kuò)大了斷面上方負(fù)壓區(qū)的范圍，則斷面所受朝上的升力更大，即CL升高；負(fù)迎角來流時(shí)，欄桿透風(fēng)率的減小使得上表面風(fēng)速減小，壓力系數(shù)升高，則朝下的升力更大，即負(fù)值CL降低(絕對(duì)值升高)；

(3) 正迎角來流時(shí)，隨檢修車軌道內(nèi)移，下表面分離點(diǎn)內(nèi)移，即負(fù)壓分離區(qū)縮小，且氣流更緊貼斷面而行，則尾流變窄，CD逐漸降低；分離、再附點(diǎn)位置的變化也使得斷面下方負(fù)壓區(qū)范圍縮小，壓力系數(shù)減小，則朝上的升力減小，CL降低；但由于負(fù)迎角來流時(shí)，檢修車軌道位置的移動(dòng)未對(duì)分離區(qū)造成較大影響，因此CD與CL均未出現(xiàn)顯著波動(dòng)；

(4) 正迎角來流時(shí)，粗糙度的提高使上表面分離角縮小，則尾流變窄，CD降低；分離角的縮小也使得斷面上方負(fù)壓區(qū)范圍縮小，則朝上的升力降低，即CL降低。而負(fù)迎角來流時(shí)，粗糙度的提高使得頂板所受阻力逐漸增加，即CD逐漸升高；此外，粗糙度的提高還增加了上表面的壓力系數(shù)，使朝下的升力增加，即負(fù)值CL降低，絕對(duì)值升高；

(5) 本實(shí)驗(yàn)中各工況的Cm均很小(-0.18～0.16)，欄桿透風(fēng)率、檢修車軌道位置及橋面粗糙度對(duì)其的影響均小于0.02的變化幅值，基本上可忽略不計(jì)。

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(編輯：張巧蕓)

Effects of subsidiary members and deck surface roughness on the aerodynamic coefficients of static forces on a flat box girder

Zhang Liangliang1,2, Wu Bo1,2,*, Yang Yang1,2, Liu Lianjie1, Liu Shuyang1

(1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China; 2. Key Laboratory of New Technology for Construction of Cities in Mountain Area, Chongqing 400045, China)

Taking Cuntan Yangtze Bridge, which has a height-width ratio of 1/12, as an example, a series of parametric wind tunnel tests were conducted to study the effects of ventilation rate of railing, location of overhaul-dolly rails and deck surface-roughness on the bridge’s aerodynamic coefficients of static forces. The possible variation mechanism of the aerodynamic coefficients were also discussed via comparing the flow patterns and characteristics simulated by CFD software Fluent 15.0. The following results are obtained for a streamlined flat box girder: (1) As attack angle increases from negative to positive, the drag coefficient (CD) decreases firstly and then increases, while both the lift coefficient (CL) and moment coefficient (Cm) have an overall tendency of increasing. (2) The decrease of ventilation rate, on the one hand, results in an increase of the wind acting area, which leads to an expansion of the wake zone and a consequent increase ofCD；on the other hand, it extends the negative pressure zone in the case of positive attack angles, or increases the pressure coefficients on the upper surface in the case of negative attack angles, so that the magnitude ofCLincreases in both cases of positive and negative attack angles. (3) In the case of positive attack angles, when the overhaul-dolly rails are moved inward, the blunt degree of the cross section is reduced, narrowing both the negative pressure zone and the wake zone, and decreasing bothCDandCLconsequently. However, in the case of negative attack angles，the changes of separation and reattachment processes are not significant when the overhaul-dolly rails are moved, and therefore neitherCDnorCLhas a significant fluctuation. (4)In the case of positive attack angles，the increase of deck surface roughness narrows the separation zone over the upper face and the wake zone，leading to the decrease of bothCDandCL. In the case of negative attack angles，the increase of the deck surface roughness leads to an increase of both the resistance and pressure coefficients and the consequent increase of the absolute values of bothCDandCL. (5)The changes ofCmwith the ventilation rate of railing，the location of overhaul-dolly rails and the deck surface-roughness are generally negligible.

flat box girder;aerodynamic coefficients of static force;wind tunnel test;railing ventilation rate;location of overhaul-dolly rail;deck surface roughness;flow characteristic

1672-9897(2016)01-0074-07

10.11729/syltlx20150059

2015-05-01;

2015-09-24

國(guó)家自然科學(xué)基金(51578098);重慶市科委項(xiàng)目(20130844)

ZhangLL,WuB,YangY.Effectsofsubsidiarymembersanddecksurfaceroughnessontheaerodynamiccoefficientsofstaticforcesonaflatboxgirder.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2016, 30(1): 74-80. 張亮亮, 吳波, 楊陽(yáng). 附屬構(gòu)件及橋面粗糙度對(duì)近流線型寬體箱梁氣動(dòng)靜力系數(shù)的影響. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2016, 30(1): 74-80.

U441+.2

A

張亮亮(1956-)，男, 湖南益陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：橋梁力學(xué)性能分析、橋梁抗風(fēng)。通信地址：重慶市沙坪壩區(qū)沙坪壩北街83號(hào)重慶大學(xué)土木工程學(xué)院(400045)。E-mail: zll200510@126.com

*通信作者 E-mail: wuswjtu@yeah.net