某山區(qū)人行廊橋三分力系數(shù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究

王可峰，陳 濤，蘇 益

（1.中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都610081；2.西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，四川 成都610031；3.西南交通大學(xué)風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031）

0 引言

長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展成果的重要組成部分，被廣泛應(yīng)用于高層建筑、觀景平臺(tái)、體育場(chǎng)館等建筑。隨著設(shè)計(jì)理念及施工技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，建筑工程結(jié)構(gòu)的功能、造型及技術(shù)越發(fā)復(fù)雜多樣，應(yīng)用的設(shè)計(jì)方法及施工手段也與日俱進(jìn)，山區(qū)風(fēng)環(huán)境下各類(lèi)新型建筑結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能則需被特殊關(guān)注。其中靜力三分力系數(shù)研究是結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能研究中的基礎(chǔ)性工作。根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力三分力系數(shù)，可以算得作用于結(jié)構(gòu)的三分力（升力、阻力、扭矩），進(jìn)而研究靜風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)，并進(jìn)行靜風(fēng)穩(wěn)定性分析。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)懸挑結(jié)構(gòu)的研究方向普遍集中在懸挑結(jié)構(gòu)的施工吊裝及卸載分析[1]、抗震性能分析[2-3]、舒適性分析與控制[4]和風(fēng)荷載分析[5]，對(duì)于山區(qū)地帶懸挑式結(jié)構(gòu)的研究則主要偏向于其對(duì)于道路擴(kuò)寬的作用，而對(duì)于山區(qū)峽谷地帶懸挑式觀景橋的抗風(fēng)性能及設(shè)計(jì)的研究極少[6]。

隨著特殊山區(qū)旅游事業(yè)的發(fā)展，最近幾年各地出現(xiàn)數(shù)座山區(qū)懸挑觀景廊橋正在設(shè)計(jì)、建造中或已使用，且懸臂長(zhǎng)度不斷增大，結(jié)構(gòu)形式越發(fā)新奇。根據(jù)對(duì)橋梁抗風(fēng)性能的不斷研究，風(fēng)致效應(yīng)敏感的橋梁不單限于大跨度橋梁，諸如特殊人行橋等諸多形式的短、中跨橋梁亦列為風(fēng)致效應(yīng)敏感的結(jié)構(gòu)中[7]。然而國(guó)內(nèi)外關(guān)于此類(lèi)人行橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的研究極少[8-9]，如某些山區(qū)高懸崖處長(zhǎng)懸挑觀景廊橋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式及所處風(fēng)環(huán)境與一般意義上的橋梁結(jié)構(gòu)存在諸多差異，風(fēng)荷載作用下風(fēng)致響應(yīng)情況更加復(fù)雜，導(dǎo)致相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)中尚未規(guī)定及明確其設(shè)計(jì)參數(shù)，同時(shí)值得借鑒的類(lèi)似研究成果極少，當(dāng)前仍需要通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等方法進(jìn)行分析。

考慮到山地地形復(fù)雜多變的特點(diǎn)，局部風(fēng)環(huán)境的影響因素較多，深入研究橋位處風(fēng)環(huán)境是山區(qū)橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，諸如平均風(fēng)速、風(fēng)偏角、風(fēng)攻角等各風(fēng)特性參數(shù)均對(duì)三分力系數(shù)存在一定的影響。本文以遼寧蒲石河楓葉觀景橋?yàn)橐劳?，進(jìn)行剛性模型測(cè)力實(shí)驗(yàn)。該廊橋結(jié)構(gòu)建于730 m 懸崖，呈楓葉形狀，懸挑長(zhǎng)達(dá)29 m，結(jié)構(gòu)最寬處達(dá)35 m，設(shè)計(jì)風(fēng)速為32.6 m/s。以此楓葉型廊橋?yàn)楸尘?，基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)著重分析山區(qū)風(fēng)環(huán)境下結(jié)構(gòu)在各風(fēng)偏角及風(fēng)攻角下的靜力三分力系數(shù)。鑒于近年來(lái)此類(lèi)山區(qū)觀景橋梁不斷涌現(xiàn)且其跨度不斷增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)山區(qū)風(fēng)環(huán)境下類(lèi)似長(zhǎng)懸挑結(jié)構(gòu)的靜力抗風(fēng)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)在成都西南交大XNJD-3 風(fēng)洞進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)段尺寸36 m（長(zhǎng)）×22.5 m（寬）×4.5 m（高），風(fēng)速范圍1.0～16.5 m/s，通過(guò)被動(dòng)模擬裝置模擬湍流場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中要求的各湍流場(chǎng)特性。實(shí)驗(yàn)段地面底板裝有可自由轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)盤(pán)，用以實(shí)現(xiàn)風(fēng)偏角在0°～360°范圍中的轉(zhuǎn)變。如圖1 所示，實(shí)驗(yàn)采用的ATI 六軸力/ 力矩傳感器Gamma 天平測(cè)量懸挑和平臺(tái)的結(jié)合處與底座和山體的結(jié)合處的基底力和力矩。該Gamma 天平采用高精度加工的高強(qiáng)度航空鋁型材，單軸許用荷載是額定荷載的6.9～31.6 倍。

圖1 ATI 六軸力/ 力矩傳感器Ga mma 天平

風(fēng)洞中湍流場(chǎng)被動(dòng)模擬采用尖塔、擋板、粗糙元等裝置，可準(zhǔn)確模擬規(guī)范中各類(lèi)別湍流場(chǎng)風(fēng)速剖面、湍流強(qiáng)度剖面及湍流脈動(dòng)風(fēng)速譜等。

結(jié)合實(shí)驗(yàn)中結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸和細(xì)部構(gòu)造、山地地形特點(diǎn)以及阻塞率的實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)驗(yàn)最大限度還原了橋址處地形。模型幾何縮尺比為1∶80，模型長(zhǎng)度0.36 m，最寬處為0.43 m，阻塞率小于5%，滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。

1.2 實(shí)驗(yàn)工況

本實(shí)驗(yàn)為剛性模型實(shí)驗(yàn)，在均勻流場(chǎng)中執(zhí)行，可以獲得該廊橋結(jié)構(gòu)的三分力系數(shù)。

考慮到結(jié)構(gòu)的特殊性，本次實(shí)驗(yàn)主要考察懸挑和平臺(tái)的結(jié)合處與底座和山體的結(jié)合處的力學(xué)性質(zhì)，將Gamma 測(cè)力天平搭設(shè)于這兩處位置，且對(duì)此兩處位置的天平連接方式進(jìn)行合理處理以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所需風(fēng)攻角的轉(zhuǎn)變，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图疤炱讲贾萌鐖D2 所示。

圖2 模型及測(cè)力天平設(shè)置示意圖

將山體模型固定于風(fēng)洞地面底板的轉(zhuǎn)盤(pán)上，通過(guò)人工旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)盤(pán)以改變實(shí)驗(yàn)風(fēng)偏角，在0°～360°風(fēng)偏角內(nèi)分別進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn)，并在不利風(fēng)偏角范圍中增加實(shí)驗(yàn)工況，角度間隔取為5°，同時(shí)在較為安全風(fēng)偏角范圍中適當(dāng)加大實(shí)驗(yàn)角度間隔。該實(shí)驗(yàn)中風(fēng)攻角和風(fēng)偏角的設(shè)置如圖3 所示。其中風(fēng)攻角包含-3°、-1°、0°、1°、3°共5 個(gè)角度，風(fēng)偏角包含0°～360°內(nèi)共33 個(gè)角度。實(shí)驗(yàn)工況如圖3 所示。

圖3 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)風(fēng)偏角及風(fēng)攻角示意圖

模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)示意圖如圖4 所示。據(jù)圖4 可知，楓葉橋周?chē)襟w雖然類(lèi)似于懸崖，但存在一定起伏。在0°時(shí)，橋體被部分山體遮擋，對(duì)于來(lái)流風(fēng)有一定的影響；在90°時(shí)，橋體與同一高度的山體平齊，山體從右至左逐漸下降；在180°時(shí)，橋體并未被山體遮擋，其受到的影響最??；在270°時(shí)，橋體正對(duì)來(lái)流方向，山體完全在后橋體后側(cè)。

圖4 模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在速度U 為的來(lái)流風(fēng)中，結(jié)構(gòu)斷面將受到順橋向的力Fz和橫橋向的力Fx以及流動(dòng)引起的靜力矩My，如圖5 所示，體軸坐標(biāo)系中三分力系數(shù)主要是揭示結(jié)構(gòu)斷面在平均風(fēng)作用下受力大小的無(wú)量綱系數(shù)，反映風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的定常氣動(dòng)力效應(yīng)[10-11]。三分力系數(shù)的計(jì)算公式[12]如下：

圖5 作用在結(jié)構(gòu)上的靜力三分力

式中：CFz、CFx、CMy表示在結(jié)構(gòu)體軸坐標(biāo)系中的升力系、阻力、扭矩系數(shù)；Fz、Fx、My分別表示在體軸坐標(biāo)系中的升力（N）、阻力（N）、扭矩（N·m）；ρ 為空氣密度（kg/m3）；U 為設(shè)計(jì)風(fēng)速（m/s）；H、B、L 分別為模型的高度（m）、寬度（m）和 長(zhǎng)度（m）（將廊橋結(jié)構(gòu)順橋向定義為長(zhǎng)度方向，橫橋向?yàn)閷挾确较?，本?shí)驗(yàn)采用的參考尺寸分別為0.026 m、0.43 m、0.36 m）。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中所取得的數(shù)據(jù)，通過(guò)三分力系數(shù)公式，可以得到結(jié)構(gòu)的兩處位置在體軸坐標(biāo)系下的三分力系數(shù)，如圖6 所示，其中圖6（a）、圖6（b）、圖6（c）為天平位置1（懸挑和平臺(tái)的結(jié)合處）的三分力系數(shù)曲線，圖6（d）、圖6（e）、圖6（f）為天平位置2（平臺(tái)底座和山體的結(jié)合處）的三分力系數(shù)曲線。

圖6 結(jié)構(gòu)靜力三分力系數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)三分力系數(shù)曲線可看出，山體對(duì)湍流場(chǎng)及三分力系數(shù)存在明顯影響。雖然隨著風(fēng)偏角的變化，結(jié)構(gòu)靜力三分力系數(shù)均展現(xiàn)出各不相同的規(guī)律性，但是由于場(chǎng)地模型的原因，在個(gè)別的風(fēng)偏角下，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)會(huì)出現(xiàn)與整體規(guī)律性不一致的突變。同時(shí)，可以看到在不同位置處的三分力系數(shù)在體軸系的同一方向上展現(xiàn)出一致的規(guī)律性。

在不同實(shí)驗(yàn)風(fēng)攻角下，隨風(fēng)偏角的改變，結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)曲線走勢(shì)基本一致，且風(fēng)攻角對(duì)三分力系數(shù)值的大小有明顯影響，風(fēng)攻角越大，其偏移0°攻角的三分力系數(shù)范圍越大。

根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)位置圖可知，橋體結(jié)構(gòu)的位置是關(guān)于0°～180°和180°～360°這兩個(gè)風(fēng)偏角對(duì)稱(chēng)的，但由于地形不對(duì)稱(chēng)因素的影響，可以看到根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的三分力系數(shù)曲線在0°～180°和180°～360°這兩個(gè)風(fēng)偏角范圍中并未呈現(xiàn)嚴(yán)格的對(duì)稱(chēng)。

3.1 懸挑與平臺(tái)結(jié)合處

對(duì)于懸挑和平臺(tái)結(jié)合處，其升力系數(shù)大體呈現(xiàn)出單邊增大→減小→增大的對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)攻角為-3°，風(fēng)偏角在210°附近時(shí)出現(xiàn)最大值0.536，當(dāng)風(fēng)攻角為3°，風(fēng)偏角在135°和330°附近出現(xiàn)最小值-0.434；阻力系數(shù)曲線大體上呈現(xiàn)減小→增大的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)攻角為3°，風(fēng)偏角在180°附近時(shí)出現(xiàn)最小值-3.350，當(dāng)風(fēng)攻角為-3°，風(fēng)偏角在5°和355°附近時(shí)出現(xiàn)最大值3.43；對(duì)于扭矩系數(shù)，當(dāng)風(fēng)攻角為3°，風(fēng)偏角在120°附近出現(xiàn)最小值-0.343，當(dāng)風(fēng)攻角為-3°，風(fēng)偏角在240°附近時(shí)出現(xiàn)最大值0.336。

升力系數(shù)曲線在風(fēng)偏角從0°、360°向180°靠攏的過(guò)程中，其呈現(xiàn)出增大→減小→增大的走勢(shì)，考慮到山體地形形狀的因素，這是由崖壁對(duì)來(lái)流風(fēng)的阻擋使得風(fēng)的回流不斷增大，風(fēng)沿崖壁向上折向橋體的回流致使結(jié)構(gòu)升力系數(shù)增大。因此，考慮當(dāng)?shù)斤L(fēng)偏角在180°～270°范圍內(nèi)時(shí)，來(lái)流風(fēng)被下部山體阻擋后沿著崖壁向上折向結(jié)構(gòu)，造成升力系數(shù)增大，使得其最大值出現(xiàn)在210°風(fēng)偏角附近。

阻力系數(shù)曲線呈現(xiàn)出減小→增大的走勢(shì)，不同攻角下阻力系數(shù)最大值均在15°和345°風(fēng)偏角附近出現(xiàn)，根據(jù)測(cè)力天平位置可以得出，結(jié)構(gòu)受到的阻力為橫橋向，隨風(fēng)偏角的變化，來(lái)流方向與橫橋向之間的夾角逐漸變化，至90°和270°時(shí)，夾角達(dá)到最小值，阻力系數(shù)在90°、270°附近趨近于0°。在風(fēng)偏角為0°及180°時(shí)，夾角達(dá)到最大值，但因山體地形的影響，阻力系數(shù)在15°和345°風(fēng)偏角附近出現(xiàn)極大值，185°附近出現(xiàn)極小值。

扭矩系數(shù)曲線呈現(xiàn)出規(guī)律性的增大→減小→增大的反對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)，在30°、240°附近出現(xiàn)極大值，在120°、330°附近出現(xiàn)極小值，同時(shí)隨著攻角的增大，其均方根也隨之增大。

3.2 平臺(tái)底座與山體結(jié)合處

對(duì)于平臺(tái)底座和山體結(jié)合處，其升力系數(shù)大體呈現(xiàn)單邊減小→增大的反對(duì)稱(chēng)的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)攻角為-3°，風(fēng)偏角在255°附近時(shí)出現(xiàn)最大值0.458，當(dāng)風(fēng)攻角為3°，風(fēng)偏角在120°附近時(shí)出現(xiàn)最小值-0.506；阻力系數(shù)曲線大體上呈現(xiàn)減小→增大的趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)攻角為3°，風(fēng)偏角在180°附近出現(xiàn)最小值-2.793，當(dāng)風(fēng)攻角為-3°，風(fēng)偏角在5°和355°附近時(shí)出現(xiàn)最大值2.929；對(duì)于扭矩系數(shù)，當(dāng)風(fēng)攻角為3°，風(fēng)偏角在210°附近出現(xiàn)最小值-0.105，當(dāng)風(fēng)攻角為-3°，風(fēng)偏角在120°和285°附近出現(xiàn)最大值0.203。

升力系數(shù)曲線在風(fēng)偏角變化過(guò)程中，可看到其呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律：減小→增大→減小。根據(jù)此處升力在體軸中的方向，考慮山體地形的影響，其在135°附近出現(xiàn)極小值，在正對(duì)來(lái)流方向，即風(fēng)偏角270°附近出現(xiàn)極大值，同時(shí)由于山體的遮擋，可以發(fā)現(xiàn)升力在165°風(fēng)偏角附近表現(xiàn)出明顯的上升變化。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)剛性模型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力三分力系數(shù)研究分析，可得出以下結(jié)論：

（1）隨著來(lái)流風(fēng)偏角的變化，靜力三分力系數(shù)呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢(shì)，山體地形對(duì)三分力系數(shù)的影響顯著。

（2）結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的改變而變化，并且風(fēng)攻角越大，其對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)值也越大。

（3）對(duì)于結(jié)構(gòu)不同位置處的三分力系數(shù)，在結(jié)構(gòu)體軸系上的相同方向，其數(shù)值隨著風(fēng)偏角的變化，表現(xiàn)出了一致的變化趨勢(shì)。

（4）因山體地形及結(jié)構(gòu)外形的綜合影響，當(dāng)風(fēng)偏角在135°、210°和330°附近時(shí)，升力系數(shù)易出現(xiàn)極值；當(dāng)風(fēng)偏角在5°、180°和355°附近時(shí)，阻力系數(shù)易出現(xiàn)極值；當(dāng)風(fēng)偏角在120°和240°時(shí)，扭矩系數(shù)易出現(xiàn)極值，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)加以重視。