平均風(fēng)荷載作用下斜列三方柱的干擾效應(yīng)研究

廖坤陽(yáng)

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，福建 南平 353000)

方柱在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛，例如橋墩、橋塔、海上鉆井平臺(tái)、超高層建筑群等.與圓柱類似，方柱作為最典型的鈍體結(jié)構(gòu)之一，在實(shí)際工程應(yīng)用中通常也不是以單一的形式存在，它們往往按照一定的方式進(jìn)行排列和布置，以“組”或“群”的形式呈現(xiàn).多方柱的繞流伴隨著流動(dòng)的分離、碰撞、再附著、漩渦脫落等十分復(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，這些都是影響結(jié)構(gòu)抗風(fēng)的重要因素.因此，研究多方柱在不同形式下的排列和布置時(shí)的流動(dòng)特性就顯得十分有意義.

20 世紀(jì)七八十年代學(xué)者們就對(duì)方形截面的鈍體開(kāi)展了研究.在不同風(fēng)向角下，Kwok[1]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，確定了方形柱體周圍的壓力分布.研究發(fā)現(xiàn)，湍流度的增加顯著地改變了方柱的壓力分布和橫向力特性.Du 等[2]采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了間距比為1.25～5.0 時(shí)，2 個(gè)相同方柱的氣動(dòng)特性，得到了上、下游方柱的平均氣動(dòng)力系數(shù)、平均壓力系數(shù)和斯托羅哈數(shù).黃劍等[3]在均勻流場(chǎng)中研究了等高雙方柱在3 種不同布置情況下平均風(fēng)壓的阻塞效應(yīng)，結(jié)果表明，阻塞度的變化范圍為2.7%～10.0%，平均風(fēng)壓系數(shù)的阻塞效應(yīng)和單體建筑的較為相似，阻塞效應(yīng)對(duì)模型迎風(fēng)面平均風(fēng)壓的影響可以忽略；但側(cè)面和背風(fēng)面平均負(fù)壓隨阻塞度增加顯著增大.Liu 等[4]研究了間距比為1.5～9.0，雷諾數(shù)Re=2.0×103～1.6×104的情況下串列方柱的流動(dòng)特性.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雷諾數(shù)的變化可以使臨界間距發(fā)生在不同位置，且其遞增時(shí)的臨界間距大于遞減時(shí)的臨界間距.文獻(xiàn)[5-6]表明：對(duì)于多柱體繞流而言，間距比與風(fēng)向角是影響其氣動(dòng)特性的關(guān)鍵因素，且多柱體繞流存在臨界間距比，在不同的間距比內(nèi)繞流形態(tài)也有所不同.國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)單、雙方柱繞流問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，而對(duì)于三方柱繞流的研究相對(duì)較少，對(duì)于方柱的布置方式多為串列和并列且間距比也不理想，干擾機(jī)理的研究不夠清晰，且研究方法多為數(shù)值計(jì)算.

本文針對(duì)上述情況，依托某大橋，采取剛性模型測(cè)壓風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，主要研究了不同間距比下斜列三方柱繞流時(shí)流場(chǎng)流態(tài)的變化對(duì)各方柱平均風(fēng)壓的干擾效應(yīng).

1 風(fēng)洞試驗(yàn)概況

風(fēng)洞試驗(yàn)在某大學(xué)大氣邊界層風(fēng)洞的低速試驗(yàn)段中進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)裝置/mm

由圖1 可知，模型連同模型兩端的端板通過(guò)上、下2 根鋼管豎直固定，下端鋼管固定在試驗(yàn)段轉(zhuǎn)盤(pán)上，旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤(pán)可改變模型的來(lái)流風(fēng)向角.如圖2所示，試驗(yàn)風(fēng)向角α的變化范圍為0°～90°，模型的高度H=2 000 mm，橫斷面邊長(zhǎng)D=100 mm，可知試驗(yàn)滿足阻塞度的相關(guān)要求.如圖3 所示，沿模型高度方向中央位置處布置1 圈測(cè)壓孔，考慮到流場(chǎng)參數(shù)在模型棱角附近變化較為劇烈，故對(duì)這些位置的測(cè)壓孔進(jìn)行加密.模型表面不同位置測(cè)壓孔的風(fēng)壓通過(guò)電子壓力掃描閥測(cè)得.為消除模型的端部效應(yīng)，在模型兩端布置了端板.

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某叽缂跋鄬?duì)位置/mm

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏y(cè)點(diǎn)布置

為保證結(jié)果的可靠性，首先對(duì)單方柱進(jìn)行試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與已有結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；在保證可靠性后，再對(duì)不同間距下的斜列三方柱進(jìn)行試驗(yàn).其中，間距比L/D(L為2 個(gè)方柱的中心距，D為方柱的邊長(zhǎng))的取值分別為1.2，1.4，1.6，1.8，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，4.5，5.0，6.0，7.0 和8.0.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同風(fēng)向角下單方柱的平均風(fēng)壓分布

不同風(fēng)向角下方柱的風(fēng)壓分布可用無(wú)量綱參數(shù)風(fēng)壓系數(shù)表示，定義為

其中，Pi是模型表面某測(cè)點(diǎn)處測(cè)得的瞬時(shí)壓力信號(hào)的時(shí)間序列；Ps是參考點(diǎn)處的靜壓值；ρ為空氣密度；U∞為模型遠(yuǎn)前方來(lái)流的風(fēng)速.

平均風(fēng)壓系數(shù)CP,mean可定義為

其中，N為采樣點(diǎn)數(shù)，本試驗(yàn)為9 900 個(gè).

圖4 顯示了不同風(fēng)向角下單方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù).為方便論述，將方柱4 個(gè)角點(diǎn)分別標(biāo)記為a，b，c和d，如圖2 所示.這樣方柱4個(gè)面可分別標(biāo)記為面ab、面bc、面cd和面da.

圖4 不同風(fēng)向角時(shí)單方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

從圖4 中可以看出：

1)風(fēng)向角的改變對(duì)面ab和面bc上測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)的影響要明顯大于對(duì)面cd和面da的影響.

2)當(dāng)0°≤α≤20°時(shí)，面ab上測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)基本為正值，呈現(xiàn)出中間大兩端小的分布特征，且隨風(fēng)向角的增大變化很小.

3)當(dāng)25°≤α≤45°時(shí)，隨著風(fēng)向角的增大，面ab上測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)逐漸減小，且靠近角點(diǎn)a的部分測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值.

4)當(dāng)0°≤α≤10°時(shí)，面bc上測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)為負(fù)值，隨著風(fēng)向角的增大，平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值逐漸減小.

5)當(dāng)15°≤α≤45°時(shí)，隨著測(cè)點(diǎn)由角點(diǎn)b向角點(diǎn)c靠近，平均風(fēng)壓系數(shù)呈先增大后減小趨勢(shì)，且平均風(fēng)壓系數(shù)的最大值對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)隨著風(fēng)向角的增大逐漸向角點(diǎn)b靠近.

6)面cd和面da上測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)變化規(guī)律相似.當(dāng)0°≤α≤10°時(shí)，隨風(fēng)向角增大，平均風(fēng)壓系數(shù)的絕對(duì)值逐漸減??；當(dāng)15°≤α≤45°時(shí)，隨風(fēng)向角增大，平均風(fēng)壓系數(shù)基本沒(méi)有變化.

2.2 不同風(fēng)向角和間距比下斜列三方柱的平均風(fēng)壓分布

為方便闡述不同風(fēng)向角與間距比下的斜列三方柱平均風(fēng)壓分布情況，將風(fēng)向角范圍分為3 個(gè)部分：0°≤α≤10°、15°≤α≤75°、80°≤α≤90°.為了使圖像清晰美觀且能反應(yīng)大致規(guī)律，只選取典型間距比(L/D=1.2，1.6，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0，6.0 和8.0).因篇幅有限，本文僅呈現(xiàn)出α=0°，45°和90° 3 個(gè)典型風(fēng)向角下的三方柱平均風(fēng)壓分布結(jié)果.

圖5 為α=0°時(shí)上游方柱在不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).

圖5 0°風(fēng)向角下上游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

由圖5(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，迎風(fēng)面ab上各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果吻合良好且均為正值；由圖5(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0時(shí)，各測(cè)面平均風(fēng)壓分布規(guī)律大致與1.2≤L/D≤3.5時(shí)相同.由此可知，不同間距比下對(duì)于上游方柱的平均風(fēng)壓干擾效應(yīng)主要集中在bc、cd和da3個(gè)面，且隨著間距比的增大進(jìn)一步增大了這3 個(gè)面上的平均風(fēng)壓系數(shù)絕對(duì)值.

圖6 為α=0°時(shí)中游方柱的各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖6(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，由于中游方柱受到上、下游方柱的干擾，其各面平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，且ab面與cd面上的平均風(fēng)壓系數(shù)隨間距比的增大其絕對(duì)值逐漸減??；由圖6(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，中游方柱各面平均風(fēng)壓分布出現(xiàn)較好的一致性.

圖7 為α=0°時(shí)下游方柱各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)，其分布規(guī)律與中游方柱相似.

圖8 為α=45°時(shí)上游方柱在不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖 8(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，ab面和bc面平均風(fēng)壓分布規(guī)律與單方柱相似，cd面和da面平均風(fēng)壓系數(shù)隨間距比逐漸增大接近單方柱試驗(yàn)結(jié)果；由圖9(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，方柱各面平均風(fēng)壓分布與單方柱基本一致，具有良好的對(duì)稱性，且方柱各面平均風(fēng)壓系數(shù)“分層”現(xiàn)象開(kāi)始消失，迎風(fēng)面出現(xiàn)由ab面向bc面過(guò)渡的現(xiàn)象.

圖8 45°風(fēng)向角時(shí)上游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

圖9 為α=45°時(shí)中游方柱的各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖9(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，ab面平均風(fēng)壓系數(shù)變化較為復(fù)雜，這可能是間隙位置處產(chǎn)生了較強(qiáng)的氣動(dòng)干擾；由圖9(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，方柱各面平均風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果基本相同，具有良好的對(duì)稱性，角點(diǎn)d處出現(xiàn)了極小值.

圖9 45°風(fēng)向角下中游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

圖10 為α=45°時(shí)下游方柱的各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖10(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，ab面和bc面平均風(fēng)壓系數(shù)同中游方柱相類似；cd面和da面平均風(fēng)壓系數(shù)基本不發(fā)生變化，從角點(diǎn)c到a平均風(fēng)壓系數(shù)呈現(xiàn)出“水平線”，其值基本維持在?1～?0.5，這是下游的方柱被上、中游方柱產(chǎn)生的分離剪切層完全包裹所致.由圖10(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，ab面和bc面平均風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果相似；cd面和da面平均風(fēng)壓系數(shù)隨著間距比的增大“水平線”現(xiàn)象消失.

圖10 45°風(fēng)向角時(shí)下游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

圖11 為α=90°時(shí)上游方柱在不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖 11(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，ab面所有測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，且隨著間距比增大其絕對(duì)值也逐漸增大，各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)沿ab面方向變化不明顯.由圖11(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)變化情況基本一致，各面平均風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果接近，除bc面外，其余各面的平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值.

圖11 90°風(fēng)向角時(shí)上游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

圖12 為α=90°時(shí)中游方柱的各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖12(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，ab面所有測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值，其值從a點(diǎn)到b點(diǎn)隨L/D增加逐漸減??；bc面從b點(diǎn)到c點(diǎn)，平均風(fēng)壓系數(shù)先增大后減小.不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果有較好的一致性，bc面各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)均為正值.由圖12(b)可知，在4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)變化情況基本一致，各面平均風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果接近.

圖12 90°風(fēng)向角時(shí)中游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

圖13 為α=90°時(shí)下游方柱的各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù).由圖13(a)可知，當(dāng)1.2≤L/D≤3.5 時(shí)，ab面各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)與上游方柱cd面的對(duì)稱性良好；bc面從b點(diǎn)到c點(diǎn)，平均風(fēng)壓系數(shù)先增大后減小，與單方柱試驗(yàn)結(jié)果基本吻合；cd面從c點(diǎn)到d點(diǎn)與da面從d點(diǎn)到a點(diǎn)各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)變化并不明顯.當(dāng)1.2≤L/D≤2.0 時(shí)，各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)均為負(fù)值且絕對(duì)值小于單方柱試驗(yàn)結(jié)果，L/D=3.0和3.5時(shí)的平均風(fēng)壓系數(shù)接近單方柱試驗(yàn)結(jié)果.由圖13(b)可知，當(dāng)4.0≤L/D≤8.0 時(shí)，不同間距比下各測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)壓系數(shù)變化情況基本一致，各面平均風(fēng)壓系數(shù)與單方柱試驗(yàn)結(jié)果接近.

圖13 90°風(fēng)向角時(shí)下游方柱各測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數(shù)

3 結(jié)論

1)當(dāng)1.2≤L/D≤3.5，且風(fēng)向角較小時(shí)，不同間距比下的上游方柱各面均保持基本一致的風(fēng)壓分布，隨著風(fēng)向角的增大，干擾效應(yīng)主要集中在cd面和da面；風(fēng)向角的變化對(duì)中游方柱平均風(fēng)壓分布影響最為顯著，且隨著風(fēng)向角的增大，干擾主要集中在ab面、cd面和da面；下游方柱所受到的平均風(fēng)壓干擾與中游方柱相似.

2)當(dāng)4.0≤L/D≤8.0，且風(fēng)向角較小時(shí)，上游方柱所受干擾與1.2≤L/D≤3.5 時(shí)相似，基本只受到較小的干擾效應(yīng)；隨著風(fēng)向角的增大，上、中、下游方柱各面平均風(fēng)壓系數(shù)隨間距比的增大逐漸接近單方柱試驗(yàn)結(jié)果.