周傲秋 宋洪芳 孫傳智

(1.宿遷學(xué)院建筑工程學(xué)院 宿遷 223800； 2.營口市海洋預(yù)警監(jiān)測中心 營口 115007)

管道橋用于運輸天然氣，石油或水，途中常需跨越江河、峽谷深溝等阻礙。管道懸索橋體系受力合理、跨越能力強，且施工方便，因此被廣泛運用于油氣輸運工程中[1]。與公路懸索橋相比，管道懸索橋主梁寬跨比小、剛度低，因此對風(fēng)荷載較為敏感。若管道遭強風(fēng)損壞，引起石油或天然氣發(fā)生泄漏，可能導(dǎo)致火災(zāi)或爆炸，造成人員傷亡和環(huán)境污染。因此保證管道跨越工程的安全運營具有重大意義。

在未來20年內(nèi)，我國將持續(xù)推進中國西南地區(qū)油氣管網(wǎng)建設(shè)[2]。管道懸索橋構(gòu)造復(fù)雜，包括加勁梁、管道、篦子板和欄桿等，國內(nèi)外學(xué)者對其氣動特性進行了廣泛的研究。段銀龍等[3]利用風(fēng)洞試驗得到怒江管道橋的靜三分力系數(shù)，通過ANSYS研究風(fēng)纜傾角、風(fēng)纜索力、管道位置、輸送介質(zhì)質(zhì)量對結(jié)構(gòu)靜動力特性的影響，并給出了主索、橋塔和管道安裝的設(shè)計優(yōu)化方法；方國輝[4]以瀾滄江管道懸索橋為工程背景，對其顫振臨界風(fēng)速、靜風(fēng)穩(wěn)定性，以及顫振臨界風(fēng)速影響因素等方面進行分析，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)布置形式、主梁截面形狀、風(fēng)纜夾角α、主纜風(fēng)力，以及風(fēng)攻角均是影響靜風(fēng)穩(wěn)定性的重要因素；王凱等[5]通過風(fēng)洞試驗研究了中緬油氣管道懸索橋風(fēng)致振動響應(yīng)，結(jié)果表明，跨度300 m以下的桁架管道橋具有很好的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

以往研究一般針對某座懸索管道橋的振動進行分析,而未進行該類橋梁的分類研究。管道作為管道懸索橋的核心構(gòu)件之一，需滿足工程所需的不同設(shè)計要求，如管道直徑、管道數(shù)量、管道橫向間距等，上述因素均可能影響管道懸索橋的抗風(fēng)性能。因此，有必要研究管道布置形式對管道懸索橋氣動特性的影響，為有效完善管道懸索橋的抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范提供可靠的參考依據(jù)。

1 靜風(fēng)荷載

平均風(fēng)流經(jīng)結(jié)構(gòu)斷面時，會在結(jié)構(gòu)上施加靜力風(fēng)荷載。靜力風(fēng)荷載包含阻力、升力和扭矩3個分量。阻力由斷面迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力差形成，升力由斷面上、下表面的壓力差形成，扭矩由兩者合力偏心作用在斷面形成。靜三分力坐標系表示方法分為體軸坐標系——沿截面形心主軸建立和風(fēng)軸坐標系——坐標系沿風(fēng)向建立[6]，靜三分力坐標系見圖1。

圖1 靜三分力坐標系

體軸三分力[7]計算方法見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：U為試驗風(fēng)速；ρ為空氣密度；L為節(jié)段模型長度；B為模型寬度；H為模型高度；FH(α)、FV(α)和MZ(α)分別為攻角α下的阻力、升力和扭矩，α為風(fēng)攻角。

風(fēng)軸與體軸的三分力換算關(guān)系見式(4)～(5)。

FD(α)=FH(α)cosα+FV(α) sinα

(4)

FL(α)=FV(α)cosα-FH(α) sinα

(5)

則風(fēng)軸三分力系數(shù)見式(6)～(8)。

(6)

(7)

(8)

2 風(fēng)洞試驗

2.1 試驗設(shè)備

該風(fēng)洞為全鋼結(jié)構(gòu)單回流閉口式邊界層風(fēng)洞，風(fēng)洞試驗段尺寸長18 m、寬3 m、高2.5 m，阻塞率小于5%，可進行小尺寸模型的風(fēng)洞模擬試驗，模擬精度良好，設(shè)計最大風(fēng)速50 m/s，配備可以旋轉(zhuǎn)0°～360°的β機構(gòu)轉(zhuǎn)盤，其旋轉(zhuǎn)最小間隔0.1°。測力天平系統(tǒng)采用日本NITTA公司六分量高頻測力天平，量程FX=FY=315 N，F(xiàn)Z=630 N，MX=MY=MZ=63 N·m，精度0.06%，天平采樣時間為30 s，數(shù)據(jù)采樣頻率為200 Hz。

2.2 試驗工況

在管道懸索橋設(shè)計時，需考慮油氣需求量、能源需求種類與檢修通道的位置及尺寸等因素，其分別影響著管道直徑、管道數(shù)量與管道間距等參數(shù)，上述參數(shù)的改變可能會對懸索橋靜氣動性能產(chǎn)生不利影響，故有必要研究其對斷面靜三分力系數(shù)的影響。

風(fēng)洞測力試驗以某管道懸索橋為研究對象，實橋斷面寬B=2 680 mm，高T=1 680 mm，受風(fēng)洞尺寸限制，試驗制作縮尺比為1∶5的節(jié)段模型，縮尺后的橋梁斷面寬B=536 mm，高T=336 mm，模型節(jié)段長取1 000 mm。管道、篦子板及欄桿均采用PVC材料加工。模型的桁架采用鋁材制作，模型底部與測力天平通過多個螺栓連接，避免模型與天平產(chǎn)生相對滑動而產(chǎn)生附加慣性力。模型頂部懸掛一塊1.2 m×1.2 m的端板用于滿足結(jié)構(gòu)周圍的二元流動假設(shè)。斷面示意圖見圖2。

圖2 模型斷面示意圖

試驗共分3種類型。選取D=70、160、250 mm的管道，分析管道直徑對橋梁斷面靜三分力系數(shù)的影響；選取D=70 mm和D=160 mm的管道，分析管道數(shù)量對橋梁斷面靜三分力系數(shù)的影響；選取D=70 mm的管道，改變管道橫向間距L=120，170，220，245，270 mm，分析管道橫向間距對橋梁斷面靜三分力系數(shù)的影響。

以上試驗工況均在均勻流場中進行，攻角α在-12°～12°范圍內(nèi)變化，增量為1°。需要注意的是，縮尺后的橋梁斷面可能存在雷諾數(shù)效應(yīng)，故試驗選取10級風(fēng)速，通過風(fēng)速變化，研究雷諾數(shù)對斷面靜三分力系數(shù)的影響。雷諾數(shù)試驗在均勻流場中進行，試驗攻角α=0°。

試驗工況表見表1，模型風(fēng)洞試驗圖略。

表1 試驗工況

2.3 試驗結(jié)果與分析

2.3.1管道直徑的影響

試驗結(jié)果見圖3。

圖3 考慮管道直徑的靜三分力系數(shù)(15.51 m/s)

由圖3可知：

1) 在試驗攻角范圍內(nèi)，隨著攻角增大，斷面阻力系數(shù)CD均先減小后增大，且極小值對應(yīng)的攻角α隨直徑增大而增大，分別為3°，4°，9°，11°；當(dāng)斷面無管道和D=250 mm時，斷面升力系數(shù)CL基本不變，D=70 mm和160 mm時的斷面升力系數(shù)CL隨α的增加而增大；隨著攻角增大，斷面扭矩系數(shù)CM均先增大后減小，且極大值對應(yīng)攻角隨直徑增大而增大，分別為-1°、1°、7°、12°。

2) 管道的設(shè)置顯著增大了斷面的阻力系數(shù)和升力系數(shù)，且阻力系數(shù)值CD和升力系數(shù)值CL均隨著D的增大而增大；在α=-12°～7°范圍內(nèi)，斷面扭矩系數(shù)CM隨著D的增大而增大，在α=7°～12°范圍內(nèi)則相反。

總的來說，管道直徑D的增大，大幅增大了斷面的靜三分力系數(shù)，原因是由于試驗攻角α改變后，氣流在主梁下風(fēng)側(cè)產(chǎn)生更大的漩渦，而上風(fēng)側(cè)氣流變化不大，從而產(chǎn)生較大幅度的壓力差變化。故在設(shè)計階段應(yīng)充分考慮管道直徑D對斷面靜三分力系數(shù)的影響。

2.3.2管道數(shù)量的影響

試驗結(jié)果見圖4。

圖4 考慮管道數(shù)量的靜三分力系數(shù)(15.51 m/s)

由圖4可知：

1) 當(dāng)D=70 mm時，隨著攻角α增大，斷面阻力系數(shù)CD均先減小后增大，且極小值對應(yīng)的攻角α隨管道數(shù)量的增加而增大，分別為3°、4°、5°，斷面升力系數(shù)CL均先增大后減小，極大值對應(yīng)的攻角α分別為-1°、10°、4°，斷面扭矩系數(shù)CM均先減小后增大，且極小值對應(yīng)的攻角α隨管道數(shù)量的增大而增大，分別為-1°、1°、3°；當(dāng)D=160 mm時，隨著攻角α增大，斷面阻力系數(shù)CD均先減小后增大，且極小值對應(yīng)的攻角α隨管道數(shù)量的增加大而增大，分別為3°、7°、10°，斷面升力系數(shù)CL均先增大后減小，極大值對應(yīng)的攻角α分別為-1°、5°、2°，斷面扭矩系數(shù)CM均先減小后增大，且極小值對應(yīng)的攻角α隨管道數(shù)量的增大而增大，分別為-1°、8°、11°。

2) 管道的設(shè)置顯著增大了斷面的靜三分力系數(shù)，該結(jié)論再次得到驗證；且隨著管道數(shù)量的增加，2種直徑管道的斷面靜三分力系數(shù)均隨之增大。

總的來說，管道數(shù)量的增加引起了斷面靜三分力系數(shù)顯著增大，這是因為管道數(shù)量越多，氣流透過桁架越困難，導(dǎo)致迎風(fēng)面積的增大，從而引起靜三分力系數(shù)的增大。故在管道直徑的設(shè)計中應(yīng)充分考慮管道數(shù)量對斷面靜三分力系數(shù)的影響。

2.3.3管道橫向間距影響

試驗結(jié)果見圖5。

圖5 考慮管道橫向間距的靜三分力系數(shù)(15.51 m/s)

由圖5可知：

1) 隨著攻角α的增加，阻力系數(shù)CD值均先減小后增大，在α=6°時均達到極小值；升力系數(shù)CL均先增大后減小，均在α=5°左右達到極大值；扭矩系數(shù)CM均先減小后增大，均在α=3°左右達到極小值。

2) 通過幾種工況的對比，再次得出結(jié)論：管道的設(shè)置會引起斷面靜三分力系數(shù)的顯著增大；且斷面靜三分力系數(shù)受管道橫向間距的影響均很小。

總的來說，管道橫向間距L對斷面靜三分力系數(shù)的影響幾乎可以忽略不計，這是因為管道數(shù)量相同的情況下，調(diào)整管道橫向間距不會改變迎風(fēng)面積，氣流透過桁架的能力不發(fā)生改變，因此管道橫向間距對靜三分力系數(shù)影響很小。故在管道橋的設(shè)計階段，可根據(jù)實際情況靈活調(diào)整管道橫向間距。

2.3.4雷諾數(shù)效應(yīng)

3種直徑管道斷面對應(yīng)的雷諾數(shù)Re范圍分別為0.37×105～1.42×105、0.89×105～3.4×105、1.39×105～5.3×105，測力試驗結(jié)果見圖6。

圖6 考慮雷諾數(shù)效應(yīng)的靜三分力系數(shù)曲線

由圖6可知，當(dāng)配置D=160、250 mm單管道時，橋梁斷面靜三分力系數(shù)變化幅度不大；當(dāng)配置D=70 mm單管道時，橋梁斷面阻力系數(shù)CD隨雷諾數(shù)Re增大而減小；升力系數(shù)CL在U<18.5 m/s時基本不變，在U>18.5 m/s時隨Re的增大而減??；扭矩系數(shù)CM在U<18.5 m/s時基本不變，在U>18.5 m/s時隨Re的增大而增大。當(dāng)配置D=70、160 mm雙管道時，橋梁斷面阻力系數(shù)CD與升力系數(shù)CL均在U<10.4 m/s時隨Re的增大而減小，當(dāng)U>10.4 m/s后基本不變；2種橋梁斷面的扭矩系數(shù)CM均基本不變。總的來說，D越小，雷諾數(shù)效應(yīng)越明顯。

3 結(jié)語

本文以某管道懸索橋為研究背景，制作縮尺節(jié)段模型進行風(fēng)洞測力試驗，研究風(fēng)攻角、管道直徑、管道數(shù)量、管道橫向間距對靜三分力系數(shù)的影響，并評估靜三分力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)，得到結(jié)論如下。

1) 管道直徑的增大導(dǎo)致斷面的阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)值隨之增大，同時引起升力系數(shù)值的大幅改變，在設(shè)計階段應(yīng)選擇合適的管道尺寸。

2) 管道數(shù)量的增加導(dǎo)致斷面的靜三分力系數(shù)值隨之增大，在設(shè)計階段應(yīng)選擇合適的管道數(shù)量。

3) 管道橫向間距對靜三分力系數(shù)的影響幾乎可以忽略不計，在設(shè)計階段可靈活布置管道橫向間距。

4) 相比大直徑管道，無論橋梁設(shè)置單管或雙管，小直徑管道的橋梁斷面雷諾數(shù)效應(yīng)均更明顯。

5) 需要注意的是，本文選擇跨度較大的管道直徑與間距的目的在于能全面模擬實際工程中不同管道直徑、管道間距對斷面靜氣動性能的影響，但本文僅初步分析了管道直徑和間距的影響大小，截面優(yōu)化及精度還有待進一步研究。