三邊形桅桿桿身風(fēng)荷載特性風(fēng)洞試驗研究

孫遠+馬人樂+邱旭

摘 要：應(yīng)用高頻測力天平技術(shù)，分別對有附屬結(jié)構(gòu)和無附屬結(jié)構(gòu)的三邊形桅桿桿身進行了均勻流和兩種紊流下的風(fēng)洞試驗，得到了桅桿的平均風(fēng)力系數(shù)、均方根力系數(shù)和順風(fēng)向、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載譜.分析了雷諾數(shù)、紊流度、風(fēng)向角、附屬結(jié)構(gòu)等對風(fēng)荷載系數(shù)的影響，對比了試驗體型系數(shù)和不同國家規(guī)范關(guān)于桅桿及其附屬結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的規(guī)定.譜分析結(jié)果表明，順風(fēng)向風(fēng)荷載譜和脈動風(fēng)速譜的基本特征相同，橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載譜主要由低頻部分的紊流激勵譜和高頻部分的旋渦脫落激勵譜組成，無附屬結(jié)構(gòu)模型旋渦脫落譜有一個峰，峰值折減頻率在1.8左右，帶附屬結(jié)構(gòu)模型在90°風(fēng)向角下出現(xiàn)兩個明顯的旋渦脫落譜峰，峰值折減頻率分別在0.9和2.2左右，探討了格構(gòu)式塔架旋渦脫落譜的特性以及附屬結(jié)構(gòu)對其的影響機理.

關(guān)鍵詞：桅桿；高頻測力天平；風(fēng)洞試驗；風(fēng)荷載特性

中圖分類號：TU312.1 文獻標志碼：A

桅桿結(jié)構(gòu)是由矗立的細長桿身和數(shù)層斜拉的纖繩組成的一種高柔結(jié)構(gòu)，在橫向荷載作用下存在大變形，具有強非線性[1].通常每層纖繩于空間相交于一點，且各層交點連成一線，整體結(jié)構(gòu)是一個瞬變體系，初始抗扭剛度為零.桅桿結(jié)構(gòu)的這些特點使其在風(fēng)荷載作用下易產(chǎn)生各種復(fù)雜的風(fēng)效應(yīng)，除順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)外，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振響應(yīng)同樣不可忽視.由于桅桿結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載非常敏感，在風(fēng)振響應(yīng)分析中，應(yīng)盡量精確地考慮外加風(fēng)荷載.順風(fēng)向風(fēng)荷載通?；跍识ǔ＜俣ㄓ嬎?，而橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載的形成機理非常復(fù)雜，同紊流和尾流激勵都有關(guān)系，且受結(jié)構(gòu)形式的影響很大，很難找到統(tǒng)一的表達式和計算方法，一般需要通過風(fēng)洞試驗測得.桅桿桿身通常為等截面的格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，桿件多、截面小，廣泛應(yīng)用于高層建筑、大屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載測試的多點測壓方法[2]并不適用，因此，高頻天平測力是確定格構(gòu)式塔架風(fēng)荷載的主要風(fēng)洞試驗手段.Carril[3]等對不同擋風(fēng)系數(shù)的塔架模型的平均風(fēng)力系數(shù)和均方根力系數(shù)進行了試驗研究，考慮了微波天線盤的影響.張慶華、顧明等[4]對格構(gòu)式輸電塔進行了不同紊流度下的風(fēng)洞試驗，對測得的順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載進行了譜分析和相干性分析.梁樞果等[5]基于高頻天平測力風(fēng)洞試驗，分析了3種格構(gòu)式塔架的風(fēng)荷載特征，并建立了廣義荷載譜解析模型.

目前，對格構(gòu)式塔架橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載的研究主要集中在對風(fēng)荷載譜的認識上，研究對象多為四邊形塔架結(jié)構(gòu)，對三邊形塔架風(fēng)荷載特性的研究還很不足.本文通過高頻動態(tài)天平試驗得到了三邊形桅桿桿身模型的平均風(fēng)力系數(shù)、均方根力系數(shù)以及風(fēng)荷載譜，分析了風(fēng)荷載的構(gòu)成機理和影響因素.

1 風(fēng)洞試驗簡介

1.1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

剛性模型測力試驗在同濟大學(xué)TJ2水平回流式邊界層風(fēng)洞中進行，風(fēng)洞試驗段尺寸為3 m寬、2.5 m高、15 m長.試驗原型取自典型的三邊形桅桿桿身結(jié)構(gòu)，如圖1所示，桿身邊寬1 m，且沿高度不變.為滿足使用功能要求，此類結(jié)構(gòu)通常帶有天線、饋線和爬梯等附屬結(jié)構(gòu)，其中天線通常安裝在指定高度，而饋線和爬梯沿桅桿高度分布.因此，試驗時考慮饋線和爬梯分別制作無附屬結(jié)構(gòu)（模型A）和有附屬結(jié)構(gòu)（模型B）的兩種模型.

1.2 風(fēng)場模擬

試驗采用的桅桿桿身節(jié)段原型高度不大，可以認為在高度范圍內(nèi)平均風(fēng)速和紊流度基本不變.作為一般性研究，試驗在均勻流場和紊流度分別為8%，15%的兩種均勻紊流場中進行，通過格柵被動紊流發(fā)生裝置建立均勻紊流場.采用眼鏡蛇脈動風(fēng)速測試儀對風(fēng)場環(huán)境進行了測試，表1給出了不同流場的平均風(fēng)速和紊流度.模擬紊流場脈動風(fēng)譜如圖4所示，圖中，f為頻率，Su（f）為脈動風(fēng)速譜，σ2為方差，Lxu為紊流積分尺度，U為平均風(fēng)速.從圖4可以看出，VonKarman譜和歐洲規(guī)范譜因隱含了紊流積分尺度，和試驗風(fēng)速譜擬合較好，相比來說，Karman譜在低頻區(qū)擬合效果更好，而歐規(guī)范譜在慣性子區(qū)更接近樣本譜.

3 結(jié) 論

通過高頻動態(tài)天平測力試驗，對三邊形桅桿桿身平均風(fēng)力系數(shù)、均方根力系數(shù)和風(fēng)荷載譜特性進行了研究，得到如下結(jié)論：

1）試驗?zāi)Ｐ屠字Z數(shù)在臨界范圍內(nèi)，增大紊流度可以達到較高雷諾數(shù)的效果，阻力系數(shù)隨紊流度增大略有增大，無附屬結(jié)構(gòu)模型升力系數(shù)和扭矩系數(shù)很小，增加附屬結(jié)構(gòu)后，升力系數(shù)明顯增大.試驗所得兩種模型的體型系數(shù)和我國規(guī)范GB50009-2012相比略小，比歐洲規(guī)范略大，日本規(guī)范取值最大，表明按GB50009-2012取值可以保證三邊形桅桿結(jié)構(gòu)的安全性.

2）均方根力系數(shù)隨紊流度的增大而增大，增加附屬結(jié)構(gòu)后阻力系數(shù)和升力系數(shù)均方根值有明顯增大，扭矩系數(shù)均方根值受附屬結(jié)構(gòu)的影響則不明顯.

3）桅桿桿身順風(fēng)向風(fēng)荷載譜是一種典型的順風(fēng)向風(fēng)湍流譜，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載譜由紊流作用和旋渦脫落激勵兩部分構(gòu)成.無附屬結(jié)構(gòu)模型旋渦脫落折減頻率在1.8左右，90°風(fēng)向角下帶附屬結(jié)構(gòu)模型有兩個旋渦脫落譜峰，峰值折減頻率分別在0.9和2.2左右.旋渦脫落激勵受構(gòu)件尺寸、間距等多種因素影響，規(guī)則的無附屬結(jié)構(gòu)模型旋渦脫落頻率集中在一個頻段范圍內(nèi)，形成一個整體譜峰，附屬結(jié)構(gòu)的干擾使得特定風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)的旋渦脫落激勵存在兩個主頻率，從而形成兩個譜峰，對格構(gòu)式桅桿結(jié)構(gòu)，構(gòu)件布置越不規(guī)則，旋渦脫落譜越復(fù)雜.

參考文獻

[1] 王肇民，王之宏，顏明忠. 桅桿結(jié)構(gòu)[M]. 北京：科學(xué)出版社，2001： 362-363.

WANG Zhaomin， WANG Zhihong， YAN Mingzhong. Guyed mast[M]. Beijing： Science Press， 2001： 362-363.（In Chinese）

[2] 李正農(nóng)，郝艷峰，劉申會. 不同風(fēng)場下高層建筑風(fēng)效應(yīng)的風(fēng)洞試驗研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013，40（7）： 9-15.

LI Zhengnong， HAO Yanfeng， LIU Shenhui. Wind tunnel test of tall building wind effect in different geomorphologic terrain categories[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2013， 40（7）： 9-15.（In Chinese）

[3] CARRIL C F， ISYUMOV N， BRASIL R M L R F. Experimental study of the wind forces on rectangular latticed communication towers with antennas [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2003， 91（8）： 1007-1022.

[4] 張慶華，顧明，黃鵬. 格構(gòu)式塔架風(fēng)力特性試驗研究[J]. 振動與沖擊，2009， 28（2）： 1-4.

ZHANG Qinghua， GU Ming， HUANG Peng. Experimental study of wind force on latticed tower[J]. Journal of Vibration and Shock， 2009， 28（2）： 1-4.（In Chinese）

[5] 梁樞果，鄒良浩，趙林，等. 格構(gòu)式塔架動力風(fēng)荷載解析模型[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2008， 36（2）： 166-171.

LIANG Shuguo， ZOU Lianghao， ZHAO Lin，et al. Analytical model of dynamic wind loads on lattice towers [J]. Journal of Tongji University： Natural Science， 2008， 36（2）： 166-171.（In Chinese）

[6] 鄒梁浩，梁樞果. 半剛性模型風(fēng)洞試驗荷載譜的處理方法[J]. 實驗流體力學(xué)，2007， 21（3）： 76-81.

ZOU Lianghao， LIANG Shuguo. A method to evaluate wind force spectra of semirigid model in wind tunnel tests[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2007， 21（3）： 76-81.（In Chinese）

[7] 埃米爾·希繆，羅柏特·H·斯坎倫. 風(fēng)對結(jié)構(gòu)的作用：風(fēng)工程導(dǎo)論[M]. 劉尚培，項海帆，謝霽明譯. 上海：同濟大學(xué)出版社，1992： 100-305.

SIMIU E， SCANLAN R H. Wind effects on structures： an introduction to wind engineering[M]. Translated by LIU S P， XIANG H F， XIE J M. Shanghai： Tongji University Press， 1992： 100-305.（In Chinese）

[8] GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012： 33-53.

GB 50009-2012 Load code for the design of building structures[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2012： 33-53.（In Chinese）

[9] AIJ2004 Recommendations for loads on buildings[S]. Tokyo： Architectural Institute of Japan， 2004： 628-631.

[10]ASCE/SEI710 Minimum design loads for buildings and other structures[S]. Reston： American Society of Civil Engineers， 2010： 307-314.

[11]BS EN 199331： 2006. Eurocode 3： design of steel structures， part 3-1： Towers， masts and chimneys [S]. Brussels： British Standards Institution， 2006： 28-40.

[12]顧明，葉豐. 高層建筑的橫風(fēng)向激勵特性和計算模型的研究[J]. 土木工程學(xué)報，2006，39（2）： 1-5.

GU Ming， YE Feng. Characteristics and computational model of across wind load of tall buildings[J]. China Civil Engineering Journal， 2006， 39（2）： 1-5.（In Chinese）

[13]李秋勝，李慧真，李毅. 橢圓形高聳結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載特性的試驗研究[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，42（1）： 1-8.

LI Qiusheng， LI Huizhen， LI Yi. Experimental study of the characteristics of wind loads on an ovalshaped highrise structure[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2015， 42（1）： 1-8.（In Chinese）

[14]黃本才. 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析原理及應(yīng)用[M]. 上海：同濟大學(xué)出版社，2001： 66-68.

HUANG Bencai. Structural analysis theory and application of wind resistance[M]. Shanghai： Tongji University Press， 2001： 66-68.（In Chinese）