宮賽　唐鵬（南陽(yáng)理工學(xué)院，河南　南陽(yáng)　473004）

?

采用氣動(dòng)措施對(duì)拉索表面壓力分布試驗(yàn)研究

宮賽唐鵬
（南陽(yáng)理工學(xué)院，河南南陽(yáng)473004）

摘要：基于斜拉橋拉索風(fēng)雨激振理論，制作了用于測(cè)壓試驗(yàn)的拉索模型，分析了不同氣動(dòng)措施的三維拉索表面風(fēng)壓系數(shù)分布以及不同表面狀態(tài)的拉索氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律，為斜拉索氣動(dòng)抑振措施的研究提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斜拉橋，拉索，風(fēng)雨激振，氣動(dòng)措施，風(fēng)壓系數(shù)

0　引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，斜拉橋作為具有大跨度橋梁能力之一，跨度越來(lái)越大，但是在特殊條件下，例如在風(fēng)雨共同作用下，作為斜拉橋主要受力部件之一——拉索會(huì)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)拉索風(fēng)雨激振的機(jī)理及抑振措施研究往往是在二維拉索模型上獲得試驗(yàn)結(jié)果［1］。而從三維空間關(guān)系出發(fā)的研究較少，雖然可以通過(guò)對(duì)拉索纏繞螺旋線降低拉索的風(fēng)雨條件下的振動(dòng)，但拉索的表面被螺旋線纏繞而發(fā)生改變，將會(huì)對(duì)拉索的氣動(dòng)性能產(chǎn)生一定的影響。因此，有必要從三維拉索模型的風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)出發(fā)，對(duì)風(fēng)阻系數(shù)與氣動(dòng)抑振措施螺旋線參數(shù)的關(guān)系進(jìn)行研究［2，3］。

1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⒐r

試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)如下：拉索節(jié)段模型采用軸向長(zhǎng)64 cm、直徑200 mm、壁厚5 mm的塑料管材。拉索一端固定在可以自由水平轉(zhuǎn)動(dòng)的β機(jī)構(gòu)上，另一端自由。拉索存在傾角和風(fēng)向角［5］，是其在風(fēng)雨作用下產(chǎn)生振動(dòng)的必要條件，但是在這種作用下，傾角與風(fēng)向角對(duì)拉索的振動(dòng)相比，墻角可以忽略不計(jì)［6］，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，固定拉索傾角在35°，使風(fēng)向角在0°～90°之間變化。模型傾角α和風(fēng)向角β見(jiàn)圖1。

圖1　斜拉索傾角α和風(fēng)向角β示意圖

為研究風(fēng)荷載作用在拉索上的分布特性，在φ200斜拉索每個(gè)斷面設(shè)置31個(gè)測(cè)壓孔，有4個(gè)斷面，共124個(gè)測(cè)壓孔，其弧向間距為20 mm（見(jiàn)圖2）。測(cè)壓孔的每個(gè)斷面距模型自由端面依次為0 cm，15.5 cm，21 cm，26.5 cm；拉索表面纏繞螺旋線是現(xiàn)有抑制風(fēng)雨激振的氣動(dòng)的一種常用措施［7］，本試驗(yàn)采用圓形PE膠管粘貼在拉索表面的雙螺旋纏繞。螺旋線線徑分別為2 mm，4 mm，6 mm，螺距為400 mm，500 mm，600 mm（見(jiàn)圖3）；為研究水線對(duì)拉索的影響，在試驗(yàn)中計(jì)入模擬水線，使其水線位置在10°～80°之間變化，步長(zhǎng)為10°，水線斷面設(shè)計(jì)成高1 mm寬12 mm的矩形截面。模型安裝見(jiàn)圖4。

圖2　拉索測(cè)壓孔的布置（單位：mm）

圖3　帶螺旋線和水線的拉索模型

圖4　模型安裝圖

由圖5可以看出，在風(fēng)向角、風(fēng)速不同的條件下，各個(gè)斷面上的平均風(fēng)壓分布趨勢(shì)基本一致。三圍流對(duì)模型的影響可以通過(guò)采用距離模型節(jié)段自由端1 cm的端板而較好的消除。與其他斷面的平均風(fēng)壓分布系數(shù)變化比較，第一個(gè)測(cè)壓斷面變化劇烈，而二、三斷面變化較居中。

2　風(fēng)壓、動(dòng)力系數(shù)定義

其中，風(fēng)壓值以風(fēng)壓受力面受壓為正，反則為負(fù)。ρ為空氣密度；U0為風(fēng)速；p - p0為測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓值與來(lái)流靜壓之差。通過(guò)Matlab和Origin軟件分析對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

通過(guò)各測(cè)壓點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)式（2）和式（3）計(jì)算得到拉索氣動(dòng)力系數(shù)Cx和Cy：

其中，F(xiàn)x，F(xiàn)y分別為X和Y方向的氣動(dòng)力；Cpi為第i個(gè)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)；R為拉索模型半徑；Δφi為第i與i + 1個(gè)測(cè)點(diǎn)間的交角；φi為第i個(gè)測(cè)壓點(diǎn)的位置角（見(jiàn)圖6，圖7）。

圖5　β=30°各測(cè)壓斷面的平均風(fēng)壓分布

圖6　測(cè)點(diǎn)位置角φ與水線位置角θ

圖7　φ200 mm拉索模型測(cè)壓點(diǎn)布置圖

3　氣動(dòng)力系數(shù)分析

針對(duì)拉索在不同表面狀態(tài)下的風(fēng)壓系數(shù)，采用光面拉索，纏繞螺旋線，同時(shí)有水線、纏繞螺旋線的模型表面研究。

3.1光面拉索的靜氣動(dòng)力系數(shù)分析

φ200 mm光面拉索的Cx和Cy示意圖見(jiàn)圖8。

圖8　φ200 mm光面拉索的Cx和Cy

在風(fēng)向角變化的條件下，模型的靜氣動(dòng)力系數(shù)也隨之產(chǎn)生變化，當(dāng)風(fēng)向角在25°～40°之間變化時(shí)，系數(shù)的這種變化就變得更為強(qiáng)烈，所以風(fēng)向角的確定對(duì)拉索模型表面的風(fēng)壓系數(shù)以及氣動(dòng)力系數(shù)有較大的影響。

3.2拉索纏繞螺旋線的氣動(dòng)力系數(shù)分析

研究螺旋線氣動(dòng)措施的主要目的是確定拉索風(fēng)阻系數(shù)小的螺旋線參數(shù)［8］，圖9，圖10是φ200拉索對(duì)氣動(dòng)系數(shù)在采用不同螺旋線參數(shù)下的影響。其中K1，K2表示螺旋參數(shù)。

圖9　K1不同的拉索氣動(dòng)力系數(shù)Cx和Cy

圖10　K2不同的拉索氣動(dòng)力系數(shù)Cx和Cy

從圖9，圖10可以看出，當(dāng)K1值在0.625和0.781范圍內(nèi)時(shí)Cx與Cy相當(dāng)，當(dāng)K1值在0.938時(shí)Cy較??；K2在0.01和0.02范圍內(nèi)時(shí)Cx和Cy比較接近，但K2值為0.02時(shí)，模型Cx和Cy影響較?。?］。

3.3同時(shí)有水線、纏繞螺旋線的拉索靜氣動(dòng)力系數(shù)分析

拉索表面水線的振動(dòng)會(huì)使其氣動(dòng)力也產(chǎn)生變化［2］。在試驗(yàn)中采用K1值為0.938，K2值為0.03時(shí)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算（見(jiàn)圖11）。

圖11　Cx和Cy在同風(fēng)向角時(shí)隨水線角度的變化

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)斜拉橋拉索模型的表面受纏繞螺旋線、水線以及風(fēng)向角等參數(shù)計(jì)入的研究，從而得出其風(fēng)壓以及氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律。風(fēng)向角的選擇，水線的位置的確定，纏繞螺旋線參數(shù)，同時(shí)有水線、纏繞螺旋線參數(shù)的模型氣動(dòng)參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在其余參數(shù)相同的前提下，從抗風(fēng)角度出發(fā)，螺旋線參數(shù)的取值應(yīng)選擇K1較大的值，而K2的選取范圍在0.02左右較為合適。

參考文獻(xiàn)：

［1］杜曉慶.斜拉橋拉索風(fēng)雨激振研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2003：12.

［2］杜曉慶，顧明.斜拉索上雨線的氣動(dòng)力特性的試驗(yàn)研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005，33（5）：585-589.

［3］Y.Hikami，N.Shiraish.Rain-wind induced vibration of cables in cable stayed bridges［J］.J.of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1988（29）：409-418.

［4］顧明，杜曉慶.模擬降雨條件下斜拉索風(fēng)雨激振及控制的試驗(yàn)研究［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2004，37（7）：101-104.

［5］李文勃.斜拉橋拉索三維風(fēng)雨激振及靜風(fēng)荷載研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2007.

［6］顧明，杜曉慶.不同風(fēng)向角下斜拉橋拉索模型測(cè)壓試驗(yàn)研究［J］.振動(dòng)與沖擊，2005，24（6）：5-20.

［7］顧明，杜曉慶.帶人工雨線的斜拉橋拉索模型測(cè)壓試驗(yàn)研究［J］.空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào)，2005，23（4）：419-424.

［8］Yamaguchi H.Analytical study on growth mechanism of rain vibration of cables［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990（33）：73-80.

［9］陳政清.橋梁風(fēng)工程［M］.北京：人民交通出版社，2005.

Study on surface pressure distribution test of stayed-cable using aerodynamic measure

Gong Sai Tang Peng
（Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，China）

Abstract：The theoretical basis of the thesis is oblique stayed bridge rain wind induced vibration of stay cable theory，design and make the cable model for pressure test，analysis in different aerodynamic measures dimensional cable surface wind pressure coefficient distribution and variation law of different surface state of cable aerodynamic coefficients，cable and gas dynamic anti vibration measures the next step of the research provides a theoretical support.

Key words：cable-stayed bridge，cable，wind rain induced vibration，aerodynamic measure，wind pressure coefficient

中圖分類號(hào)：U448.27

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）06-0165-03

收稿日期：2015-12-02

作者簡(jiǎn)介：宮賽（1986-），女，碩士，講師；唐鵬（1987-），男，碩士，講師