并列雙鈍體箱梁三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)

，　，　　，　

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制研究所，河北 石家莊　050043;2. 河北省大型結(jié)構(gòu)健康診斷與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河北 石家莊　050043；3. 石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 石家莊　050043)

0　引言

三分力系數(shù)是表征橋梁風(fēng)荷載的一組無量綱參數(shù)，它既是反映橋梁靜風(fēng)荷載的重要指標(biāo)，也是分析橋梁氣動(dòng)問題的基礎(chǔ)。為了準(zhǔn)確獲取三分力系數(shù)，研究者們通過風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬手段對不同斷面外形的主梁進(jìn)行了大量研究，并形成了一些規(guī)范條文[1]，但目前的研究成果及相關(guān)規(guī)范主要是針對單幅主梁展開的。近年來，隨著交通流量的逐漸增大，在一系列大跨橋梁的設(shè)計(jì)及修建過程中，具有上下行分離的雙主梁橋不時(shí)出現(xiàn)。由于間距不大，這類橋梁兩分離主梁之間存在氣動(dòng)干擾效應(yīng)，上下游主梁的三分力系數(shù)不同于單主梁的三分力系數(shù)。對于雙主梁橋三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，已有一些研究者開展了相關(guān)研究。

劉志文等針對佛山平勝橋和青島海灣大橋紅島航道橋開展了雙主梁三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)研究[2-4]，結(jié)果表明，氣動(dòng)干擾對阻力系數(shù)的影響較大，對升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響很小。郭震山等針對某斜拉橋的改擴(kuò)建工程，在引入氣動(dòng)干擾因子的基礎(chǔ)上分析了既有橋梁對其臨近的新建橋梁三分力系數(shù)的影響[5]，結(jié)果表明，阻力系數(shù)干擾因子隨著風(fēng)攻角絕對值的增大而增大，升力系數(shù)干擾因子隨風(fēng)攻角的增加呈遞減的趨勢，扭矩系數(shù)干擾因子隨風(fēng)攻角的變化規(guī)律不明顯。曲慧等以崇啟大橋?yàn)楸尘埃囼?yàn)研究了分離雙箱梁三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)[6]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩分離箱梁的三分力系數(shù)存在非常顯著的相互干擾效應(yīng)。郭春平等以陜西省咸陽市至旬邑縣高速公路段的三水河大橋?yàn)楸尘埃瑢?種不同間距下雙分離主梁的三分力系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與單幅主梁的結(jié)果進(jìn)行了對比[7]，研究發(fā)現(xiàn)，與單幅主梁相比，上游主梁的三分力系數(shù)變化不大，下游主梁的阻力系數(shù)和升力系數(shù)降低幅度很大，間距越小，降低幅度越大。

綜合以上文獻(xiàn)可以看到，目前分離雙主梁三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)研究大部分都是針對實(shí)際的橋梁工程，在特定的間距下開展的。由于參數(shù)變化較少，所得的研究結(jié)果尚難以準(zhǔn)確系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)分離雙主梁三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾規(guī)律，十分有必要對這一問題開展進(jìn)一步的深入研究?，F(xiàn)針對近年來在分離雙主梁橋中經(jīng)常采用的一類雙鈍體箱梁，在15個(gè)不同的間距下進(jìn)行了三分力的風(fēng)洞測試，并將結(jié)果與單箱梁的結(jié)果進(jìn)行了對比，詳細(xì)地分析了三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)。

1　風(fēng)洞試驗(yàn)概況

如圖1所示，兩鈍體箱梁模型的尺寸一致。單幅箱梁模型寬B=370 mm，高H=110 mm，長L=2 000 mm。模型由ABS板制成，在上下游模型的中央位置沿周向各布置一圈測壓孔，每圈共60個(gè)測點(diǎn)?？紤]到模型棱角附近的流動(dòng)參數(shù)變化比較劇烈，這些位置的測壓孔相對密集。

如圖2所示，風(fēng)洞試驗(yàn)在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心STU-1風(fēng)洞低速試驗(yàn)段中進(jìn)行。該試驗(yàn)段長24 m，寬4.4 m，高3 m。首先進(jìn)行單箱梁模型試驗(yàn)，然后進(jìn)行并列雙箱梁模型試驗(yàn)。對于并列雙箱梁模型，選擇了D/B(D為兩模型的凈間距，B為單幅模型的寬度)為0.025、0.05、0.075、0.1、0.2、0.3、0.4、0.6、0.8、1、2、3、4、5、6的15個(gè)間距進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)流場為均勻流場。為了避免模型的局部位置發(fā)生振動(dòng)，提高試驗(yàn)精度，來流風(fēng)速為6 m/s，以模型寬度B為特征尺寸定義的雷諾數(shù)為1.48×105。模型表面不同位置測壓孔的風(fēng)壓通過電子壓力掃描閥測得，電子壓力掃描閥的采樣頻率為330 Hz，采樣時(shí)間為30 s。

圖1　試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缂皽y點(diǎn)布置(單位：mm)

圖2　雙箱梁模型試驗(yàn)照片

圖3　箱梁模型的三分力

2　氣動(dòng)干擾效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果

2.1　雙箱梁三分力系數(shù)隨間距的變化

在來流風(fēng)作用下，箱梁模型單位長度上的順風(fēng)向阻力FD，橫風(fēng)向升力FL及繞中心的扭矩MT如圖3所示。該三分力可通過對模型表面各測點(diǎn)的壓力進(jìn)行積分得到。

三分力系數(shù)定義如下

CD=2FD/ρU2B

(1)

CL=2FL/ρU2B

(2)

CM=2MT/ρU2B2

(3)

式中，B為模型的寬度；U為來流風(fēng)速；ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3。

圖4給出了雙箱梁的三分力系數(shù)隨無量綱間距D/B的變化曲線，并與單箱梁的結(jié)果進(jìn)行了對比。

從圖4(a)可以看到：(1)單箱梁的阻力系數(shù)約為0.34；(2)上游箱梁的阻力系數(shù)與單箱梁的阻力系數(shù)比較接近，僅在D/B<0.1的小間距時(shí)略大于單箱梁的阻力系數(shù)；(3)下游箱梁的阻力系數(shù)在D/B<1.0時(shí)為負(fù)值，隨著間距的增大，阻力系數(shù)由負(fù)值變?yōu)檎担⒅饾u增大，但即使當(dāng)D/B=6時(shí)，其值還是比單箱梁的阻力系數(shù)小，約為0.28。從圖4(b)可以看到：(1)單箱梁的升力系數(shù)約為0.82；(2)上游箱梁的升力系數(shù)與單箱梁的升力系數(shù)比較接近，僅在D/B<0.1的小間距時(shí)略小于單箱梁的升力系數(shù)；(3)下游箱梁的升力系數(shù)在D/B=0.025時(shí)約為-0.3，隨著間距的增大，升力系數(shù)逐漸增大，當(dāng)D/B=6時(shí)，約為0.12，仍遠(yuǎn)小于單箱梁的升力系數(shù)。從圖4(c)可以看到：(1)單箱梁的扭矩系數(shù)約為0.16；(2)上游箱梁的扭矩系數(shù)與單箱梁的扭矩系數(shù)比較接近；(3)下游箱梁的扭矩系數(shù)在D/B=0.025時(shí)約為-0.03，隨著間距的增大，扭矩系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的變化趨勢，在D/B=0.3時(shí)達(dá)到最小值，約為-0.05，在D/B=6時(shí)達(dá)到最大值，接近單箱梁的扭矩系數(shù)。

圖4　單箱梁及不同間距雙箱梁的三分力系數(shù)

2.2　雙箱梁三分力系數(shù)干擾因子隨間距的變化

為了定量地分析雙箱梁三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，采用下式定義三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾因子

(4)

式中，IFSD為上游箱梁阻力系數(shù)干擾因子；IFSL為上游箱梁升力系數(shù)干擾因子；IFSM為上游箱梁扭矩系數(shù)干擾因子；IFXD為下游箱梁阻力系數(shù)干擾因子；IFXL為下游箱梁升力系數(shù)干擾因子；IFXM為下游箱梁扭矩系數(shù)干擾因子。干擾因子大于1，表示氣動(dòng)干擾為增大效應(yīng)；干擾因子小于1，表示氣動(dòng)干擾為減小效應(yīng)。

圖5給出了上、下游箱梁的三分力系數(shù)干擾因子隨間距的變化曲線。

從圖5(a)可以看到：(1)上游箱梁阻力系數(shù)干擾因子IFSD大體接近1，僅在D/B<0.1的小間距時(shí)略大于1，最大值為1.17左右；(2)下游箱梁阻力系數(shù)干擾因子IFXD均小于1，變化范圍為-0.25～0.83，在D/B=6時(shí)達(dá)到最大值，間距越小，干擾因子越小。這表明：氣動(dòng)干擾對上游箱梁阻力系數(shù)的影響很小，僅在D/B<0.1的小間距時(shí)略有影響，表現(xiàn)為放大效應(yīng)；氣動(dòng)干擾對下游箱梁阻力系數(shù)的影響很明顯，表現(xiàn)為減小效應(yīng)，間距越小，這種減小效應(yīng)越顯著。

從圖5(b)可以看到：(1)上游箱梁升力系數(shù)干擾因子IFSL大體接近1，僅在D/B<0.1的小間距時(shí)略小于1，最小值為0.69左右；(2)下游箱梁升力系數(shù)干擾因子IFXL均小于1，變化范圍為-0.37～0.14，在D/B=6時(shí)出現(xiàn)最大值，隨著間距的變小，干擾因子逐漸變小。這表明：氣動(dòng)干擾對上游箱梁升力系數(shù)的影響很小，僅在D/B<0.1的小間距時(shí)略有影響，表現(xiàn)為減小效應(yīng)；氣動(dòng)干擾對下游箱梁升力系數(shù)的影響很大，表現(xiàn)為減小效應(yīng)，間距越小，這種減小效應(yīng)越顯著。

從圖5(c)可以看到：(1)上游箱梁扭矩系數(shù)干擾因子IFSM的變化范圍為0.92～1.07，基本接近1；(2)下游箱梁扭矩系數(shù)干擾因子IFXM均小于1；在0.025

圖5　不同間距雙箱梁的三分力系數(shù)干擾因子

3　氣動(dòng)干擾效應(yīng)的微觀解釋

從微觀角度看，并列雙鈍體箱梁三分力的變化源于其表面各局部位置風(fēng)壓的變化，因此，下面從雙箱梁表面風(fēng)壓系數(shù)分布的角度來解釋三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)。考慮到氣動(dòng)干擾效應(yīng)主要表現(xiàn)為對下游箱梁的影響，因此下面主要針對下游箱梁進(jìn)行解釋。

圖6給出了不同間距時(shí)下游箱梁表面各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)，并與單箱梁表面各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)進(jìn)行了對比。圖中風(fēng)壓系數(shù)的正負(fù)號(hào)意義如下：正號(hào)表示風(fēng)壓沿模型表面法向向內(nèi)，即對表面產(chǎn)生壓力；負(fù)號(hào)表示風(fēng)壓沿模型表面法向向外，即對表面產(chǎn)生吸力。

圖6　單箱梁及不同間距時(shí)下游箱梁各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)

從圖6可以發(fā)現(xiàn)：(1)下游箱梁表面測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)與單箱梁表面測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)的差異主要集中于迎風(fēng)直面(測點(diǎn)1～3和測點(diǎn)47～53)、上表面(測點(diǎn)4～18)和迎風(fēng)斜面(測點(diǎn)54～60)。(2)單箱梁迎風(fēng)直面各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為正值，表明迎風(fēng)直面受到順風(fēng)向的壓力作用，方向與圖3中定義的阻力正方向一致。下游箱梁迎風(fēng)直面各測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)在較大間距時(shí)雖然也為正值，但小于單箱梁的風(fēng)壓系數(shù)，隨著間距的減小，其值不斷減少，在小間距時(shí)甚至出現(xiàn)了負(fù)值。這說明，下游箱梁迎風(fēng)直面受到的順風(fēng)向壓力偏小，間距越小，壓力越小，在小間距時(shí)甚至出現(xiàn)了逆風(fēng)向的吸力，這是下游箱梁阻力系數(shù)小于單箱梁阻力系數(shù)，間距越小，減小幅度越大的主要原因。(3)單箱梁上表面各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，表明上表面受到向上的吸力作用，方向與圖3中定義的升力正方向一致。與單箱梁相比，下游箱梁上表面各測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)雖然也為負(fù)值，但絕對值明顯小于單箱梁的風(fēng)壓系數(shù)絕對值，間距越小，減小幅度越大，因此，其受到的向上吸力減小，間距越小，吸力越小，這是下游箱梁升力系數(shù)小于單箱梁升力系數(shù)，間距越小，減小幅度越大的一個(gè)原因。單箱梁迎風(fēng)斜面各測點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)為正值，表明迎風(fēng)斜面受到向上的壓力作用，方向與圖3中定義的升力正方向相同。與單箱梁相比，下游箱梁迎風(fēng)斜面各測點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)在較大間距時(shí)雖然也為正值，但小于單箱梁的風(fēng)壓系數(shù)，隨著間距的減小，風(fēng)壓系數(shù)變小，因此，其受到的向上壓力偏小，間距越小，減小的幅度越大，這是下游箱梁升力系數(shù)小于單箱梁升力系數(shù)，間距越小，減小幅度越大的另一個(gè)原因。(4)從單箱梁的風(fēng)壓系數(shù)分布可以看到，對扭矩起主要貢獻(xiàn)的兩個(gè)位置為上表面的迎風(fēng)端(測點(diǎn)4～11)和迎風(fēng)斜面(測點(diǎn)54～60)。上表面迎風(fēng)端受到的向上吸力和迎風(fēng)斜面受到的向上壓力對斷面中心產(chǎn)生的扭矩為順時(shí)針方向，與圖3中定義的扭矩正方向一致。從以上的分析可以看到，下游箱梁上表面迎風(fēng)端受到的向上吸力小于單箱梁對應(yīng)位置的吸力，迎風(fēng)斜面受到的向上壓力小于單箱梁對應(yīng)位置的壓力，這必然導(dǎo)致這兩位置對斷面中心產(chǎn)生的順時(shí)針方向的扭矩偏小，此為下游箱梁扭矩系數(shù)小于單箱梁扭矩系數(shù)的主要原因。

4　結(jié)論

針對并列雙鈍體箱梁開展了節(jié)段模型測壓風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了在D/B=0.025～6(D為雙箱梁的凈間距，B為單箱梁寬)之間15個(gè)不同間距下的三分力系數(shù)，并與單幅鈍體箱梁的三分力系數(shù)進(jìn)行了對比，主要得到了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)氣動(dòng)干擾對上游箱梁阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響很小，僅在D/B<0.1時(shí)略有影響，分別表現(xiàn)為增大效應(yīng)和減小效應(yīng)。氣動(dòng)干擾對上游箱梁扭矩系數(shù)的影響基本可以忽略。

(2)氣動(dòng)干擾對下游箱梁阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響比較明顯，均表現(xiàn)為減小效應(yīng)，間距越小，減小幅度越大。氣動(dòng)干擾對下游箱梁扭矩系數(shù)的影響比較明顯，表現(xiàn)為減小效應(yīng)，在0.025

(3)建立了并列雙鈍體箱梁三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)的定量研究方法，給出了三分力系數(shù)的干擾因子隨間距的變化曲線，可為實(shí)際工程中并列雙鈍體箱梁橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考。

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