陶 奇,廖海黎,李明水,鮮 榮

(1.西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心,成都 610031;2.廣東公路建設(shè)有限公司,廣州 510600)

0 引 言

橋梁斷面的靜力三分力系數(shù)是反映橋梁斷面在風(fēng)的靜力作用下的三個分量,并僅與斷面氣動外形有關(guān)的無量綱氣動參數(shù)。在橋梁抗風(fēng)研究中,它是抖振響應(yīng)分析、馳振穩(wěn)定性分析以及靜風(fēng)荷載和穩(wěn)定性分析中的重要參數(shù),它的取值直接影響橋梁抗風(fēng)分析的精度,因此,準(zhǔn)確測定三分力系數(shù)對大跨橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)來說至關(guān)重要。

長期以來,人們一直認(rèn)為具有尖銳棱角的橋梁斷面三分力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)可以忽略不計(jì)。Schewe等[1]在壓力風(fēng)洞中測量了大海帶橋引橋斷面的三分力系數(shù),發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re=7×104時的阻力系數(shù)比雷諾數(shù)Re=3×106時的阻力系數(shù)大14%,許志豪等[2]在測量香港昂船洲大橋三分力系數(shù)時,發(fā)現(xiàn)該橋在零度迎風(fēng)角時其主梁斷面的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加,陳斌[3]、李加武[4-5]和白樺[6]等也均通過風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD研究指出雷諾數(shù)對橋梁斷面三分力系數(shù)有較大影響,不容忽視。筆者現(xiàn)場實(shí)測了蘇通長江大橋主梁斷面靜力三分力系數(shù),并將其與Re為104量級下的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比,研究了蘇通長江大橋主梁斷面靜力三分力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)。

1 實(shí)測系統(tǒng)

1.1 同步脈動測壓系統(tǒng)簡介

現(xiàn)場測壓所用的儀器是自行研制的60路同步動態(tài)測壓系統(tǒng),可以同時獲得60個測壓孔的靜態(tài)和動態(tài)壓力數(shù)據(jù)。壓力傳感器采用的是美國SM公司生產(chǎn)的SM-552型壓力傳感器。系統(tǒng)采用在信號調(diào)節(jié)器中加采樣保持器的串行A/D工作方式,配置如圖1所示。60路壓力傳感器和信號調(diào)節(jié)器輸出的電信號經(jīng)多路切換器變?yōu)?路模擬信號,由A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量存入工控機(jī)。同步信號驅(qū)動信號調(diào)節(jié)器中的采保電路,保證獲得同一時刻的壓力值。軟件系統(tǒng)管理各部件的協(xié)調(diào)工作。

圖1 60路動態(tài)測壓系統(tǒng)Fig.1 The 60 channels dynamic pressure measurement system

為了防止雨水及合理地取得橋面表面的壓力信號,特設(shè)計(jì)了一種π型壓力感受器,如圖2所示。為了應(yīng)對現(xiàn)場復(fù)雜的環(huán)境,保護(hù)壓力傳感器,為每個傳感器做了一個保護(hù)裝置,如圖3所示。

圖2 π型壓力感受器構(gòu)造示意圖Fig.2 The π-type structure diagram baroreceptor

圖3 現(xiàn)場布置圖Fig.3 The actually disposure

60路信號調(diào)節(jié)器做成二箱,每箱30路(其中一箱有10路接加速度傳感器,壓力傳感器共用去50路),其中放大倍數(shù)四擋可選擇,濾波器截止頻率二擋可供選擇。同步控制器和A/D板置于工控機(jī)內(nèi)。數(shù)據(jù)由工控機(jī)采集下來后,可以很方便地利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

試驗(yàn)前必須對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。壓力標(biāo)定系統(tǒng)由多路接頭,數(shù)字壓力計(jì)和壓力泵組成,完成對系統(tǒng)的檢查、壓力的傳遞和對系統(tǒng)的標(biāo)定。本系統(tǒng)的測壓范圍為0～±1000Pa,系統(tǒng)精度±1%,采樣頻率＞1kHz/ch。

測壓系統(tǒng)中連接測壓孔和傳感器的是PVC塑料管道,由于測量的需要,PVC管道都具有一定的長度,當(dāng)動態(tài)氣流通過管道后,壓力信號中的平均部分可以得到很好的傳遞,而脈動部分由于與管道的相互作用會發(fā)生畸變,從而導(dǎo)致脈動壓力信號測量失真[7～8]?，F(xiàn)場采用的是在30cm長的PVC管中加兩個壓扁銅管的方法來改善脈動壓力的傳遞效果。該方法是改善脈動壓力傳遞效果的簡單而直接的方法[9]。由于本文著重考慮的是平均部分,因此改善脈動壓力傳遞的方法這里不再詳述。

1.2 三分力系數(shù)的定義

由各測壓孔得到的風(fēng)壓積分,可以得到橋梁斷面三個方向的氣動力分量

式中Fx(t)、Fy(t)、M(t)分別為體軸坐標(biāo)系下單位長度上模型相對于扭轉(zhuǎn)中心所受到的阻力、升力和升力矩時程;Li為第i點(diǎn)的積分長度;αi為第i點(diǎn)的內(nèi)法線與橋面水平面的夾角;Xi與Yi是第i點(diǎn)與模型扭轉(zhuǎn)中心的橫向距離和垂直距離,如圖4所示。靜力三分力系數(shù)定義如下

式中CH、CV和CM分別是體軸坐標(biāo)系下模型的靜阻力、升力和升力矩系數(shù)、和為(1)式中三個氣動力分量的平均值;B為橋面寬度;U為平均風(fēng)速;ρ為空氣密度。只要在模型上布置的壓力測點(diǎn)足夠多,便可以準(zhǔn)確測得橋梁斷面的三分力系數(shù)。

圖4 三分力系數(shù)示意圖Fig.4 Sketch of tri-component force coefficient

1.3 工程背景及測點(diǎn)布置簡介

蘇通長江大橋主橋?yàn)橐蛔?跨鋼箱梁斜拉橋,跨度布置為：100m+100m+300m+1088m+300m+100m+100m,大橋主跨為1088m。橋塔為混凝土結(jié)構(gòu),塔高300.4m。主梁為帶風(fēng)嘴的閉口鋼箱梁,梁高為4.0m,主梁總寬度為41.0m,圖5為該橋的總體布置圖,圖6為該橋施工過程中的主梁斷面圖。

圖5 總體布置(單位：m)Fig.5 General layout of Su-tong Yangtze River Bridge(unit：m)

測壓法應(yīng)盡量多地布置測點(diǎn),以獲得更好的積分結(jié)果。然而由于受到空間位置的限制和采集系統(tǒng)的限制(計(jì)算機(jī)內(nèi)存,硬盤大小的限制),不可能布置太多的測點(diǎn),綜合了以上因素,最后確定沿橋梁斷面表面布置50個測壓點(diǎn),風(fēng)嘴部分平均相鄰孔距為0.5m,其余部位平均相鄰孔距為2m,如圖7所示(另一邊對稱布置),測壓斷面位于跨中,距北塔329.3m處。

圖7 斷面測點(diǎn)布置圖(單位：mm)Fig.7 Measure point distribution(Unit：mm)

2 實(shí)測結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的比較

在2007年5月～8月這3個月時間內(nèi)對蘇通長江大橋的主梁斷面氣動力進(jìn)行了實(shí)時監(jiān)控,從風(fēng)速數(shù)據(jù)分析結(jié)果來看,強(qiáng)風(fēng)方向與橋軸線垂直的情況很少見,而風(fēng)洞試驗(yàn)時風(fēng)向均垂直于橋軸線,由于風(fēng)偏角β對三分力系數(shù)影響較大[10],因此,從所得結(jié)果中只選擇了4個迎風(fēng)角α和β風(fēng)偏角 均較小的時間段來進(jìn)行分析,如表1所示,風(fēng)速時程長度取10分鐘。

表1 平均風(fēng)速、湍流度及風(fēng)向Table 1 Average wind velocity,turbulence intensity and wind direction

由于影響三分力系數(shù)的非定常因素除了雷諾數(shù)外還有自然風(fēng)的湍流強(qiáng)度及湍流積分尺度與結(jié)構(gòu)特征尺寸的比值[3],因此,風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果也是基于湍流場采用測壓法所測得結(jié)果,對于湍流積分尺度與結(jié)構(gòu)特征尺寸的比值來說,國內(nèi)學(xué)者陳斌等人認(rèn)為其對三分力系數(shù)幾乎沒有影響[3],因此,沒有仔細(xì)考慮。在模擬湍流場時分別采用了尖塔湍流場和格柵湍流場來模擬表1的湍流強(qiáng)度。測壓模型的比尺為1：80。

圖8給出了迎風(fēng)角為3.12°時平均壓力系數(shù)實(shí)測結(jié)果和實(shí)驗(yàn)室尖塔湍流場下的測量結(jié)果。利用該圖按照式(1)進(jìn)行積分,便可得到橋梁斷面的三分力,再利用(2)式便可以得到主梁斷面的三分力系數(shù)。

圖8 實(shí)測與實(shí)驗(yàn)室平均壓力系數(shù)分布Fig.8 Mean pressure coefficient distribution of actual test and wind tunnel test

圖9 阻力系數(shù)隨迎風(fēng)角的變化曲線Fig.9 Drag force coefficients vs.attack angle

圖9～11給出了對應(yīng)的靜力三分力系數(shù)隨迎風(fēng)角的變化曲線。從圖上可以看出阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化比較明顯,實(shí)測值比風(fēng)洞試驗(yàn)值小約15%,升力系數(shù)及力矩系數(shù)受影響較小,且格柵湍流場(≈0.082m,≈0.044m)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與尖塔湍流場(≈0.50m,≈0.41m)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果差別不大,表明湍流積分尺度與結(jié)構(gòu)特征尺寸的比值的確對三分力系數(shù)影響不大,這與陳斌等人的觀點(diǎn)一致。

圖10 升力系數(shù)隨迎風(fēng)角的變化曲線Fig.10 Lift force coefficients vs.attack angle

圖11 力矩系數(shù)隨迎風(fēng)角的變化曲線Fig.11 Moment coefficients vs.attack angle

3 結(jié) 論

總結(jié)上述靜力三分力系數(shù)實(shí)測及風(fēng)洞試驗(yàn)測量結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)：雷諾數(shù)對蘇通長江大橋主梁斷面阻力系數(shù)有較大影響,對升力系數(shù)及力矩系數(shù)影響較小。由于阻力系數(shù)的實(shí)測值明顯低于風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,因此,對蘇通長江大橋來說,其阻力系數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果偏于保守。

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