張德旺, 王 欣, 楊 群, 劉小兵,2

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊 050043;2. 河北省風(fēng)工程與風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心,河北 石家莊 050043)

0 引言

對(duì)大跨度橋梁而言,風(fēng)荷載在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往起主要甚至決定性作用[1]。隨著工程技術(shù)的不斷發(fā)展以及交通量的持續(xù)增大,憑借著結(jié)構(gòu)自重輕、施工方便、受力性能好等優(yōu)點(diǎn),雙邊箱梁在橋梁工程中得到較多使用[2-3],如已建成的宜賓鹽坪壩大橋等。但因其具有明顯的氣動(dòng)鈍體外形,當(dāng)空氣流經(jīng)主梁下側(cè)時(shí),會(huì)在下部空間內(nèi)形成復(fù)雜的繞流,使得雙邊箱梁容易在低風(fēng)速下發(fā)生渦激振動(dòng),造成結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[4]。為了提高結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)穩(wěn)定性,確定更為安全的寬高比取值成為其結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。因此,有必要探究寬高比對(duì)雙邊箱梁氣動(dòng)特性的影響,從而為選取對(duì)結(jié)構(gòu)安全最有利寬高比提供參考。

通過(guò)查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)可知,已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)不同寬高比斷面主梁的氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究,研究對(duì)象主要為流線型扁平箱梁[5-8]和桁架梁[9]。關(guān)于雙邊箱梁氣動(dòng)特性方面的研究較少,如,王旭等[10]通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)方法,在三維風(fēng)場(chǎng)下研究了不同攻角時(shí)雙邊箱梁的氣動(dòng)三分力系數(shù)和流場(chǎng)機(jī)理,研究發(fā)現(xiàn),雙邊箱梁下側(cè)矩形區(qū)域的存在使其受到比其他類型梁更復(fù)雜的作用,因而穩(wěn)定性較差,容易發(fā)生渦振;戴天帥[11]基于數(shù)值模擬方法,與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照,研究了2種常見(jiàn)的迎風(fēng)端流線型對(duì)雙邊箱梁靜力三分力系數(shù)的影響,結(jié)果表明,雙邊箱梁迎風(fēng)端的流線型程度對(duì)阻力系數(shù)影響較明顯,對(duì)升力和升力矩系數(shù)影響較弱。可以看出,目前關(guān)于雙邊箱梁氣動(dòng)特性研究的對(duì)象主要為固定寬高比梁,對(duì)于不同寬高比雙邊箱梁的氣動(dòng)特性研究較為缺乏。

鑒于以上分析,以某跨海大橋的雙邊箱梁為研究背景,通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞測(cè)力、測(cè)壓試驗(yàn)來(lái)研究不同寬高比雙邊箱梁的氣動(dòng)力特性、風(fēng)壓分布特性和旋渦脫落特性隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律,并通過(guò)各寬高比模型表面的風(fēng)壓分布特性來(lái)解釋其氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律,從而為該類型主梁的實(shí)際工程提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 工程概況

以某跨海大橋?yàn)閷?shí)際工程背景,如圖1所示,該大橋?yàn)殡p塔三跨式斜拉橋,跨徑組成為(137.2+324.4+137.2) m=598.8 m,索塔高度為85.1 m。圖2所示為該橋主跨的主梁斷面形式,該主梁為雙索面體系的鋼筋混凝土雙邊箱梁,寬度為17 300 mm,不考慮防撞護(hù)欄高度為2 550 mm,寬高比約為6.78。

圖1 大橋總體布置圖(單位:m)

圖2 雙邊箱梁斷面形式(單位:mm)

圖3 測(cè)力測(cè)壓試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c工況

試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的高速試驗(yàn)段中進(jìn)行,該試驗(yàn)段寬2.2 m,高2.0 m,長(zhǎng)5.0 m,最大風(fēng)速可達(dá)80.0 m/s,紊流度不超過(guò)0.2%。為滿足阻塞度不超過(guò)5.0%的要求,按照縮尺比1∶30制作該雙邊箱梁的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)?zāi)Ｐ桶惭b見(jiàn)圖3,試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎媚举|(zhì)結(jié)構(gòu),并在模型中部設(shè)置通長(zhǎng)的鋼管,以便固定在兩邊的測(cè)力天平上,在節(jié)段模型左右兩端設(shè)置矩形端板以保證試驗(yàn)的二元性。通過(guò)調(diào)節(jié)兩側(cè)測(cè)力天平上螺絲的松緊來(lái)控制模型圍繞鋼管軸心的旋轉(zhuǎn)角度,調(diào)節(jié)來(lái)流風(fēng)攻角。

圖4 不同寬高比模型的斷面形式及測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

為研究寬高比(即B/D,其中,B和D分別為雙邊箱梁斷面的寬度和高度)對(duì)雙邊箱梁氣動(dòng)特性的影響,對(duì)實(shí)際工程中的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考,在實(shí)際工程中常見(jiàn)的寬高比范圍內(nèi)選取了3個(gè)寬高比5.00、6.78、9.00進(jìn)行試驗(yàn),其中6.78為研究中實(shí)橋的寬高比。如圖4所示,除寬高比為9.00的模型以外,其余2種寬高比的雙邊箱梁模型均以寬高比為9.00的模型為主體,通過(guò)增加補(bǔ)償段的方法來(lái)改變模型的寬高比。此外,對(duì)各寬高比模型均設(shè)置了從-5°到5°的不同風(fēng)攻角,變化步長(zhǎng)為1°,以研究不同風(fēng)攻角時(shí)寬高比對(duì)雙邊箱梁氣動(dòng)特性的影響。

研究采用剛體模型風(fēng)洞測(cè)壓試驗(yàn)與測(cè)力試驗(yàn)同步進(jìn)行的方式來(lái)開展。在剛體模型測(cè)壓試驗(yàn)方面,如圖4所示,針對(duì)不同寬高比的雙邊箱梁模型,在模型中部橫截面的外緣布置了一圈風(fēng)壓測(cè)點(diǎn),以測(cè)量模型表面風(fēng)壓。由于模型表面拐角處的風(fēng)壓變化較為劇烈,因此對(duì)拐角附近的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了適當(dāng)加密。防撞護(hù)欄處圓形扶手與下部支座相連接的部分在縱向間隔布置,且圓形扶手尺寸太小,因此沒(méi)有對(duì)這兩處布置風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)。寬高比取值為5.00、6.78和9.00的雙邊箱梁模型表面風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)數(shù)目分別為124、118和106個(gè)。測(cè)壓試驗(yàn)采用美國(guó)Pressure Systems公司生產(chǎn)的DTC系列微型ESP壓力掃描閥和DTC Initium數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)壓信息進(jìn)行采集,采樣頻率為330 Hz,采樣時(shí)間為30 s。在剛體模型測(cè)力試驗(yàn)方面,該雙邊箱梁模型的兩端會(huì)被安裝在六分量高頻測(cè)力天平上,從而采集模型整體所受的氣動(dòng)三分力時(shí)程信息,該測(cè)力設(shè)備由美國(guó)ATI公司生產(chǎn),采樣頻率為1 500 Hz。

1.3 參數(shù)定義與可靠性驗(yàn)證

如圖5所示,黑色箭頭指示模型所受來(lái)流風(fēng)的方向,U∞為模型遠(yuǎn)前方的來(lái)流風(fēng)速,風(fēng)攻角用α表示,FD、FL和M分別為風(fēng)軸坐標(biāo)系下由測(cè)壓或測(cè)力試驗(yàn)所得到的模型單位長(zhǎng)度上的阻力、升力和扭矩。為了表述方便,圖5中模型斷面的各個(gè)角點(diǎn)均用小寫英文字母來(lái)表示,例如:a點(diǎn)、d點(diǎn)、h點(diǎn)。

圖5 風(fēng)攻角及三分力系數(shù)定義

可采用無(wú)量綱風(fēng)壓系數(shù)Cp來(lái)描述模型表面的風(fēng)壓分布情況,定義為

(1)

式中,Pi為模型表面測(cè)點(diǎn)總壓;Ps為參考點(diǎn)處的靜壓;ρ為空氣密度。

三分力系數(shù)定義如下

(2)

(3)

(4)

各寬高比雙邊箱梁在不同風(fēng)攻角下的旋渦脫落特性可用無(wú)量綱參數(shù)斯托羅哈數(shù)表示,定義如下

(5)

式中,f為旋渦脫落頻率。

圖6給出了寬高比為6.78的雙邊箱梁模型的測(cè)壓試驗(yàn)與測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比?？梢园l(fā)現(xiàn),2種試驗(yàn)方法得到的升力系數(shù)和扭矩系數(shù)十分接近,而阻力系數(shù)的測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果稍小于測(cè)力試驗(yàn)結(jié)果。造成該差異的原因可能有2方面原因:①防撞護(hù)欄處圓形扶手及其與下部支座相連接的部分沒(méi)有布置風(fēng)壓測(cè)點(diǎn),測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果無(wú)法考慮這兩部分的風(fēng)阻力;②測(cè)壓試驗(yàn)無(wú)法獲取來(lái)流在模型表面產(chǎn)生的摩擦力。

圖6 寬高比為6.78的雙邊箱梁模型測(cè)力試驗(yàn)和測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

2 試驗(yàn)結(jié)果討論與分析

2.1 氣動(dòng)力特性

圖7(a)為不同寬高比雙邊箱梁阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律。當(dāng)-5°≤α≤-2°時(shí),隨著雙邊箱梁寬高比的增大,阻力系數(shù)先增大后減小,變化幅度較大。當(dāng)-1°<α≤2°時(shí),隨著寬高比的增大,阻力系數(shù)表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)。當(dāng)2°<α≤5°時(shí),隨著寬高比的增大,阻力系數(shù)迅速增大,受寬高比變化的影響明顯。隨風(fēng)攻角增大,寬高比為5.00和6.78時(shí),雙邊箱梁的阻力系數(shù)先減小后緩慢增大,B/D=9.00時(shí)阻力系數(shù)在小范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng)。

圖7(b)為不同寬高比雙邊箱梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律。當(dāng)-5°≤α<0°時(shí),隨著寬高比增大,向上的升力迅速減小,并逐步變?yōu)楦蟮?、向下的升力。?dāng)0°≤α<3°時(shí),隨著寬高比由5.00增大到6.78,較大的升力迅速變?yōu)檩^小的、向下的升力,寬高比為6.78和9時(shí)升力系數(shù)則較為接近。當(dāng)3°≤α≤5°時(shí),隨著寬高比增大,向上的升力由0附近增大到較大的值。當(dāng)B/D=5.00,-5°≤α≤2°時(shí)向上的升力緩慢增大,并當(dāng)攻角由2°增加到3°時(shí),驟減到0左右。當(dāng)B/D=6.78時(shí),負(fù)攻角時(shí)的升力向下且值較小,隨著正攻角的增大升力方向由下變上。當(dāng)B/D=9.00時(shí),隨風(fēng)攻角的增大,向下的升力由大變小,并當(dāng)α=3°時(shí)減為0,隨后由0變?yōu)橄蛏系?、較大的升力。

圖7(c)為不同寬高比雙邊箱梁扭矩系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律。隨著寬高比的增大,扭矩系數(shù)均逐漸減小,且其變化幅度隨著攻角由-5°變?yōu)?°逐漸減小。在較大的負(fù)攻角時(shí)雙邊箱梁的扭矩受寬高比變化影響最大,順時(shí)針的扭矩隨寬高比的增大迅速減小并變?yōu)槟鏁r(shí)針?lè)较?。?dāng)B/D=5.00時(shí),扭矩系數(shù)先緩慢增大后逐漸減小;當(dāng)B/D=6.78時(shí),扭矩系數(shù)隨攻角的變化較為平緩;當(dāng)B/D=9.00時(shí),隨風(fēng)攻角由-5°變化到5°,扭矩由逆時(shí)針?lè)较蜃優(yōu)轫槙r(shí)針?lè)较?且順時(shí)針的扭矩逐漸增大。

圖7 不同寬高比雙邊箱梁氣動(dòng)三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化規(guī)律

2.2 風(fēng)壓分布特性

鑒于大攻角時(shí)氣動(dòng)力系數(shù)變化明顯,有必要對(duì)大攻角下雙邊箱梁氣動(dòng)力系數(shù)隨寬高比的變化機(jī)理做出進(jìn)一步解釋,下面將通過(guò)研究雙邊箱梁的表面風(fēng)壓分布特性初步探討氣動(dòng)力系數(shù)的變化機(jī)理。

圖8為α=-5°時(shí)不同寬高比雙邊箱梁表面的風(fēng)壓系數(shù)分布情況。從阻力系數(shù)變化來(lái)看,當(dāng)寬高比由5.00增大到6.78時(shí),c-d面風(fēng)壓由較小的負(fù)壓變?yōu)檎龎?h-i面負(fù)壓存在小幅減小,均對(duì)阻力系數(shù)的增大存在正貢獻(xiàn);e-f面上負(fù)壓存在小范圍的減小,且u-v面上正壓逐漸減小,對(duì)于阻力系數(shù)的增大存在負(fù)貢獻(xiàn)。因?yàn)閏-d面上的風(fēng)壓變化與u-v面相比較為顯著,因此當(dāng)寬高比由5.00增大到6.78時(shí)阻力系數(shù)增大。當(dāng)寬高比由6.78增大到9.00時(shí),c-d面上正壓增大的幅度與j-k面上負(fù)壓減小的幅度較為接近,它們對(duì)阻力系數(shù)變化存在相反的貢獻(xiàn),因而相互抵消,但e-f面、l-m面、n-o面上負(fù)壓的明顯減小,以及u-v面上正壓迅速減小并出現(xiàn)一定范圍的負(fù)壓,均使得阻力系數(shù)明顯減小。

圖8 α=-5°時(shí)不同寬高比雙邊箱梁表面風(fēng)壓系數(shù)分布

從升力系數(shù)的變化來(lái)看,隨著寬高比的增大,b-c面上的風(fēng)壓由負(fù)壓變?yōu)檎龎翰⒀杆僭龃?d-e面、f-g面、g-h面上的負(fù)壓均存在一定幅度的減小,v-a面上的正壓減小并出現(xiàn)一定范圍的負(fù)壓,這些均對(duì)升力系數(shù)的減小存在正貢獻(xiàn),k-l面、m-n面上風(fēng)壓的變化相似但方向相反,可近似抵消,因此升力系數(shù)值迅速減小,升力方向發(fā)生變化。

圖9為α=5°時(shí)不同寬高比雙邊箱梁表面的風(fēng)壓系數(shù)分布情況。對(duì)阻力系數(shù)而言,隨著寬高比增大,a-b面上的正壓逐漸增大,c-d面、p-q面上的負(fù)壓逐漸減小,均對(duì)阻力系數(shù)的增大起到正貢獻(xiàn),且p-q面上負(fù)壓減小對(duì)阻力系數(shù)的增大所帶來(lái)的正貢獻(xiàn)大于s-t面上負(fù)壓減小所帶來(lái)的負(fù)貢獻(xiàn),使得阻力系數(shù)隨寬高比增大而明顯增大。對(duì)于升力系數(shù)而言,隨著寬高比的增大,q-r面、r-s面和t-u面的負(fù)壓均有所減小,對(duì)升力系數(shù)的增大起到正貢獻(xiàn),而b-c面上負(fù)壓減小對(duì)升力系數(shù)的增大起到負(fù)貢獻(xiàn),使得升力系數(shù)有所增大。

圖9 α=5°時(shí)不同寬高比雙邊箱梁表面風(fēng)壓系數(shù)分布

可以發(fā)現(xiàn),隨著寬高比由5.00增大到6.78,關(guān)于對(duì)阻力系數(shù)變化起正貢獻(xiàn)的作用面數(shù)量與起負(fù)貢獻(xiàn)作用面數(shù)量的差值,α=5°時(shí)的差值大于α=-5°時(shí),因此,較大的正攻角對(duì)阻力系數(shù)的影響大于較大的負(fù)攻角。當(dāng)α=-5°時(shí),對(duì)升力系數(shù)的變化起到正貢獻(xiàn)的作用面數(shù)量和有效寬度均超過(guò)α=5°時(shí)的情況,因此,較大的負(fù)攻角對(duì)升力系數(shù)的影響明顯大于較大的正攻角。

2.3 旋渦脫落特性

對(duì)3種寬高比雙邊箱梁在不同風(fēng)攻角時(shí)的升力系數(shù)時(shí)程進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)可以得到如圖10～圖12所示的傅里葉幅值譜圖,圖10～圖12中,AF表示傅里葉幅值。

圖11 B/D=6.78時(shí)雙邊箱梁不同風(fēng)攻角下升力系數(shù)的傅里葉幅值譜圖

圖12 B/D=9.00時(shí)雙邊箱梁不同風(fēng)攻角下升力系數(shù)的傅里葉幅值譜圖

從圖10～圖12可以看出,當(dāng)B/D=5.00時(shí),隨著風(fēng)攻角由-5°變?yōu)?°,斯托羅哈數(shù)先逐漸增大后緩慢減小,并在α=1°時(shí)取得極大值0.66;當(dāng)B/D=6.78時(shí),隨著風(fēng)攻角由-5°變?yōu)?°,斯托羅哈數(shù)先逐漸增大后迅速減小,并在α=3°時(shí)取得極大值0.81。當(dāng)B/D=9.00時(shí),隨著風(fēng)攻角由-4°變化到4°,斯托羅哈數(shù)先小幅增大,而后基本穩(wěn)定在0.8左右。當(dāng)B/D=5.00時(shí),斯托羅哈數(shù)的值一般在0.48和0.66之間,當(dāng)B/D=6.78時(shí),該值一般在0.64和0.81之間,當(dāng)B/D=9.00時(shí),一般在0.8附近,因此,斯托羅哈數(shù)隨著寬高比的增大而逐漸增大。

在小攻角時(shí),不同寬高比雙邊箱梁升力系數(shù)的傅里葉幅值譜圖上均存在明顯的峰值,即不同寬高比雙邊箱梁在小攻角時(shí)均存在明顯的旋渦脫落現(xiàn)象。大攻角時(shí),隨著雙邊箱梁寬高比的增大,幅值譜圖上的峰值愈發(fā)不明顯,這說(shuō)明在大攻角時(shí)旋渦脫落現(xiàn)象隨著寬高比的增大而逐漸變得不明顯。

3 結(jié)論

(1)寬高比對(duì)雙邊箱梁阻力系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在較大的正攻角。隨著寬高比的增大,阻力系數(shù)逐漸增大。

(2)寬高比對(duì)雙邊箱梁升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響主要體現(xiàn)在較大的負(fù)攻角。隨著寬高比的增大,向上的升力逐漸減小,并變?yōu)橄蛳碌纳?順時(shí)針的扭矩逐漸減小,并變?yōu)槟鏁r(shí)針的扭矩。

(3)小攻角下,不同寬高比的雙邊箱梁均存在明顯的旋渦脫落現(xiàn)象,且隨著寬高比的增大,斯托羅哈數(shù)逐漸增大。大攻角下,隨著寬高比的增大,雙邊箱梁的旋渦脫落現(xiàn)象逐漸變得不明顯。