王可峰，陳 濤，蘇 益

（1.中國市政工程西南設計研究總院有限公司，四川 成都610081；2.西南交通大學風工程試驗研究中心，四川 成都610031；3.西南交通大學風工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

長懸挑結(jié)構(gòu)是現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)設計技術(shù)發(fā)展成果的重要組成部分，被廣泛應用于高層建筑、觀景平臺、體育場館等建筑。隨著設計理念及施工技術(shù)的進步與發(fā)展，建筑工程結(jié)構(gòu)的功能、造型及技術(shù)越發(fā)復雜多樣，應用的設計方法及施工手段也與日俱進，山區(qū)風環(huán)境下各類新型建筑結(jié)構(gòu)的抗風性能則需被特殊關(guān)注。其中靜力三分力系數(shù)研究是結(jié)構(gòu)抗風性能研究中的基礎性工作。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），進而研究靜風荷載作用下結(jié)構(gòu)風致響應，并進行靜風穩(wěn)定性分析。

目前國內(nèi)對懸挑結(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]和風荷載分析[5]，對于山區(qū)地帶懸挑式結(jié)構(gòu)的研究則主要偏向于其對于道路擴寬的作用，而對于山區(qū)峽谷地帶懸挑式觀景橋的抗風性能及設計的研究極少[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計、建造中或已使用，且懸臂長度不斷增大，結(jié)構(gòu)形式越發(fā)新奇。根據(jù)對橋梁抗風性能的不斷研究，風致效應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、中跨橋梁亦列為風致效應敏感的結(jié)構(gòu)中[7]。然而國內(nèi)外關(guān)于此類人行橋梁結(jié)構(gòu)抗風性能的研究極少[8-9]，如某些山區(qū)高懸崖處長懸挑觀景廊橋結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)形式及所處風環(huán)境與一般意義上的橋梁結(jié)構(gòu)存在諸多差異，風荷載作用下風致響應情況更加復雜，導致相應的規(guī)范及標準中尚未規(guī)定及明確其設計參數(shù)，同時值得借鑒的類似研究成果極少，當前仍需要通過風洞實驗等方法進行分析。

考慮到山地地形復雜多變的特點，局部風環(huán)境的影響因素較多，深入研究橋位處風環(huán)境是山區(qū)橋梁抗風設計的基礎，諸如平均風速、風偏角、風攻角等各風特性參數(shù)均對三分力系數(shù)存在一定的影響。本文以遼寧蒲石河楓葉觀景橋為依托，進行剛性模型測力實驗。該廊橋結(jié)構(gòu)建于730 m 懸崖，呈楓葉形狀，懸挑長達29 m，結(jié)構(gòu)最寬處達35 m，設計風速為32.6 m/s。以此楓葉型廊橋為背景，基于風洞實驗著重分析山區(qū)風環(huán)境下結(jié)構(gòu)在各風偏角及風攻角下的靜力三分力系數(shù)。鑒于近年來此類山區(qū)觀景橋梁不斷涌現(xiàn)且其跨度不斷增大，實驗結(jié)果對山區(qū)風環(huán)境下類似長懸挑結(jié)構(gòu)的靜力抗風設計具有重要的意義。

1 風洞實驗

1.1 實驗設備

實驗在成都西南交大XNJD-3 風洞進行。實驗段尺寸36 m（長）×22.5 m（寬）×4.5 m（高），風速范圍1.0～16.5 m/s，通過被動模擬裝置模擬湍流場，可實現(xiàn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中要求的各湍流場特性。實驗段地面底板裝有可自由轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)盤，用以實現(xiàn)風偏角在0°～360°范圍中的轉(zhuǎn)變。如圖1 所示，實驗采用的ATI 六軸力/ 力矩傳感器Gamma 天平測量懸挑和平臺的結(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

風洞中湍流場被動模擬采用尖塔、擋板、粗糙元等裝置，可準確模擬規(guī)范中各類別湍流場風速剖面、湍流強度剖面及湍流脈動風速譜等。

結(jié)合實驗中結(jié)構(gòu)模型幾何尺寸和細部構(gòu)造、山地地形特點以及阻塞率的實驗條件，實驗最大限度還原了橋址處地形。模型幾何縮尺比為1∶80，模型長度0.36 m，最寬處為0.43 m，阻塞率小于5%，滿足實驗要求。

1.2 實驗工況

本實驗為剛性模型實驗，在均勻流場中執(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，本次實驗主要考察懸挑和平臺的結(jié)合處與底座和山體的結(jié)合處的力學性質(zhì)，將Gamma 測力天平搭設于這兩處位置，且對此兩處位置的天平連接方式進行合理處理以實現(xiàn)實驗所需風攻角的轉(zhuǎn)變，實驗模型及天平布置如圖2 所示。

圖2 模型及測力天平設置示意圖

將山體模型固定于風洞地面底板的轉(zhuǎn)盤上，通過人工旋轉(zhuǎn)該轉(zhuǎn)盤以改變實驗風偏角，在0°～360°風偏角內(nèi)分別進行多組實驗，并在不利風偏角范圍中增加實驗工況，角度間隔取為5°，同時在較為安全風偏角范圍中適當加大實驗角度間隔。該實驗中風攻角和風偏角的設置如圖3 所示。其中風攻角包含-3°、-1°、0°、1°、3°共5 個角度，風偏角包含0°～360°內(nèi)共33 個角度。實驗工況如圖3 所示。

圖3 風洞實驗風偏角及風攻角示意圖

模型風洞實驗示意圖如圖4 所示。據(jù)圖4 可知，楓葉橋周圍山體雖然類似于懸崖，但存在一定起伏。在0°時，橋體被部分山體遮擋，對于來流風有一定的影響；在90°時，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，橋體并未被山體遮擋，其受到的影響最小；在270°時，橋體正對來流方向，山體完全在后橋體后側(cè)。

圖4 模型風洞實驗示意圖

2 實驗結(jié)果

在速度U 為的來流風中，結(jié)構(gòu)斷面將受到順橋向的力Fz和橫橋向的力Fx以及流動引起的靜力矩My，如圖5 所示，體軸坐標系中三分力系數(shù)主要是揭示結(jié)構(gòu)斷面在平均風作用下受力大小的無量綱系數(shù)，反映風對結(jié)構(gòu)的定常氣動力效應[10-11]。三分力系數(shù)的計算公式[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系中的升力（N）、阻力（N）、扭矩（N·m）；ρ 為空氣密度（kg/m3）；U 為設計風速（m/s）；H、B、L 分別為模型的高度（m）、寬度（m）和 長度（m）（將廊橋結(jié)構(gòu)順橋向定義為長度方向，橫橋向為寬度方向，本實驗采用的參考尺寸分別為0.026 m、0.43 m、0.36 m）。

根據(jù)實驗中所取得的數(shù)據(jù)，通過三分力系數(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 實驗結(jié)果分析

根據(jù)三分力系數(shù)曲線可看出，山體對湍流場及三分力系數(shù)存在明顯影響。雖然隨著風偏角的變化，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，但是由于場地模型的原因，在個別的風偏角下，其對應的結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)會出現(xiàn)與整體規(guī)律性不一致的突變。同時，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。

在不同實驗風攻角下，隨風偏角的改變，結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)曲線走勢基本一致，且風攻角對三分力系數(shù)值的大小有明顯影響，風攻角越大，其偏移0°攻角的三分力系數(shù)范圍越大。

根據(jù)風洞實驗位置圖可知，橋體結(jié)構(gòu)的位置是關(guān)于0°～180°和180°～360°這兩個風偏角對稱的，但由于地形不對稱因素的影響，可以看到根據(jù)實驗得到的三分力系數(shù)曲線在0°～180°和180°～360°這兩個風偏角范圍中并未呈現(xiàn)嚴格的對稱。

3.1 懸挑與平臺結(jié)合處

對于懸挑和平臺結(jié)合處，其升力系數(shù)大體呈現(xiàn)出單邊增大→減小→增大的對稱的趨勢，當風攻角為-3°，風偏角在210°附近時出現(xiàn)最大值0.536，當風攻角為3°，風偏角在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，當風攻角為3°，風偏角在180°附近時出現(xiàn)最小值-3.350，當風攻角為-3°，風偏角在5°和355°附近時出現(xiàn)最大值3.43；對于扭矩系數(shù)，當風攻角為3°，風偏角在120°附近出現(xiàn)最小值-0.343，當風攻角為-3°，風偏角在240°附近時出現(xiàn)最大值0.336。

升力系數(shù)曲線在風偏角從0°、360°向180°靠攏的過程中，其呈現(xiàn)出增大→減小→增大的走勢，考慮到山體地形形狀的因素，這是由崖壁對來流風的阻擋使得風的回流不斷增大，風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?shù)斤L偏角在180°～270°范圍內(nèi)時，來流風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°風偏角附近。

阻力系數(shù)曲線呈現(xiàn)出減小→增大的走勢，不同攻角下阻力系數(shù)最大值均在15°和345°風偏角附近出現(xiàn)，根據(jù)測力天平位置可以得出，結(jié)構(gòu)受到的阻力為橫橋向，隨風偏角的變化，來流方向與橫橋向之間的夾角逐漸變化，至90°和270°時，夾角達到最小值，阻力系數(shù)在90°、270°附近趨近于0°。在風偏角為0°及180°時，夾角達到最大值，但因山體地形的影響，阻力系數(shù)在15°和345°風偏角附近出現(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→增大的反對稱的趨勢，在30°、240°附近出現(xiàn)極大值，在120°、330°附近出現(xiàn)極小值，同時隨著攻角的增大，其均方根也隨之增大。

3.2 平臺底座與山體結(jié)合處

對于平臺底座和山體結(jié)合處，其升力系數(shù)大體呈現(xiàn)單邊減小→增大的反對稱的趨勢，當風攻角為-3°，風偏角在255°附近時出現(xiàn)最大值0.458，當風攻角為3°，風偏角在120°附近時出現(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，當風攻角為3°，風偏角在180°附近出現(xiàn)最小值-2.793，當風攻角為-3°，風偏角在5°和355°附近時出現(xiàn)最大值2.929；對于扭矩系數(shù)，當風攻角為3°，風偏角在210°附近出現(xiàn)最小值-0.105，當風攻角為-3°，風偏角在120°和285°附近出現(xiàn)最大值0.203。

升力系數(shù)曲線在風偏角變化過程中，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，在正對來流方向，即風偏角270°附近出現(xiàn)極大值，同時由于山體的遮擋，可以發(fā)現(xiàn)升力在165°風偏角附近表現(xiàn)出明顯的上升變化。

4 結(jié)語

本文通過剛性模型風洞實驗對結(jié)構(gòu)靜力三分力系數(shù)研究分析，可得出以下結(jié)論：

（1）隨著來流風偏角的變化，靜力三分力系數(shù)呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化趨勢，山體地形對三分力系數(shù)的影響顯著。

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

（3）對于結(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)值隨著風偏角的變化，表現(xiàn)出了一致的變化趨勢。

（4）因山體地形及結(jié)構(gòu)外形的綜合影響，當風偏角在135°、210°和330°附近時，升力系數(shù)易出現(xiàn)極值；當風偏角在5°、180°和355°附近時，阻力系數(shù)易出現(xiàn)極值；當風偏角在120°和240°時，扭矩系數(shù)易出現(xiàn)極值，結(jié)構(gòu)設計中應加以重視。