蘇通長江大橋主梁斷面三分力系數的雷諾數效應

陶 奇,廖海黎,李明水,鮮 榮

(1.西南交通大學風工程試驗研究中心,成都 610031;2.廣東公路建設有限公司,廣州 510600)

0 引 言

橋梁斷面的靜力三分力系數是反映橋梁斷面在風的靜力作用下的三個分量,并僅與斷面氣動外形有關的無量綱氣動參數。在橋梁抗風研究中,它是抖振響應分析、馳振穩定性分析以及靜風荷載和穩定性分析中的重要參數,它的取值直接影響橋梁抗風分析的精度,因此,準確測定三分力系數對大跨橋梁抗風設計來說至關重要。

長期以來,人們一直認為具有尖銳棱角的橋梁斷面三分力系數的雷諾數效應可以忽略不計。Schewe等[1]在壓力風洞中測量了大海帶橋引橋斷面的三分力系數,發現雷諾數Re=7×104時的阻力系數比雷諾數Re=3×106時的阻力系數大14%,許志豪等[2]在測量香港昂船洲大橋三分力系數時,發現該橋在零度迎風角時其主梁斷面的阻力系數隨雷諾數增加而增加,陳斌[3]、李加武[4-5]和白樺[6]等也均通過風洞試驗或CFD研究指出雷諾數對橋梁斷面三分力系數有較大影響,不容忽視。筆者現場實測了蘇通長江大橋主梁斷面靜力三分力系數,并將其與Re為104量級下的風洞試驗結果進行了對比,研究了蘇通長江大橋主梁斷面靜力三分力系數的雷諾數效應。

1 實測系統

1.1 同步脈動測壓系統簡介

現場測壓所用的儀器是自行研制的60路同步動態測壓系統,可以同時獲得60個測壓孔的靜態和動態壓力數據。壓力傳感器采用的是美國SM公司生產的SM-552型壓力傳感器。系統采用在信號調節器中加采樣保持器的串行A/D工作方式,配置如圖1所示。60路壓力傳感器和信號調節器輸出的電信號經多路切換器變為2路模擬信號,由A/D轉換為數字量存入工控機。同步信號驅動信號調節器中的采保電路,保證獲得同一時刻的壓力值。軟件系統管理各部件的協調工作。

圖1 60路動態測壓系統Fig.1 The 60 channels dynamic pressure measurement system

為了防止雨水及合理地取得橋面表面的壓力信號,特設計了一種π型壓力感受器,如圖2所示。為了應對現場復雜的環境,保護壓力傳感器,為每個傳感器做了一個保護裝置,如圖3所示。

圖2 π型壓力感受器構造示意圖Fig.2 The π-type structure diagram baroreceptor

圖3 現場布置圖Fig.3 The actually disposure

60路信號調節器做成二箱,每箱30路(其中一箱有10路接加速度傳感器,壓力傳感器共用去50路),其中放大倍數四擋可選擇,濾波器截止頻率二擋可供選擇。同步控制器和A/D板置于工控機內。數據由工控機采集下來后,可以很方便地利用計算機進行數據分析處理。

試驗前必須對系統進行標定。壓力標定系統由多路接頭,數字壓力計和壓力泵組成,完成對系統的檢查、壓力的傳遞和對系統的標定。本系統的測壓范圍為0～±1000Pa,系統精度±1%,采樣頻率＞1kHz/ch。

測壓系統中連接測壓孔和傳感器的是PVC塑料管道,由于測量的需要,PVC管道都具有一定的長度,當動態氣流通過管道后,壓力信號中的平均部分可以得到很好的傳遞,而脈動部分由于與管道的相互作用會發生畸變,從而導致脈動壓力信號測量失真[7～8]。現場采用的是在30cm長的PVC管中加兩個壓扁銅管的方法來改善脈動壓力的傳遞效果。該方法是改善脈動壓力傳遞效果的簡單而直接的方法[9]。由于本文著重考慮的是平均部分,因此改善脈動壓力傳遞的方法這里不再詳述。

1.2 三分力系數的定義

由各測壓孔得到的風壓積分,可以得到橋梁斷面三個方向的氣動力分量

式中Fx(t)、Fy(t)、M(t)分別為體軸坐標系下單位長度上模型相對于扭轉中心所受到的阻力、升力和升力矩時程;Li為第i點的積分長度;αi為第i點的內法線與橋面水平面的夾角;Xi與Yi是第i點與模型扭轉中心的橫向距離和垂直距離,如圖4所示。靜力三分力系數定義如下

式中CH、CV和CM分別是體軸坐標系下模型的靜阻力、升力和升力矩系數、和為(1)式中三個氣動力分量的平均值;B為橋面寬度;U為平均風速;ρ為空氣密度。只要在模型上布置的壓力測點足夠多,便可以準確測得橋梁斷面的三分力系數。

圖4 三分力系數示意圖Fig.4 Sketch of tri-component force coefficient

1.3 工程背景及測點布置簡介

蘇通長江大橋主橋為一座7跨鋼箱梁斜拉橋,跨度布置為：100m+100m+300m+1088m+300m+100m+100m,大橋主跨為1088m。橋塔為混凝土結構,塔高300.4m。主梁為帶風嘴的閉口鋼箱梁,梁高為4.0m,主梁總寬度為41.0m,圖5為該橋的總體布置圖,圖6為該橋施工過程中的主梁斷面圖。

圖5 總體布置(單位：m)Fig.5 General layout of Su-tong Yangtze River Bridge(unit：m)

測壓法應盡量多地布置測點,以獲得更好的積分結果。然而由于受到空間位置的限制和采集系統的限制(計算機內存,硬盤大小的限制),不可能布置太多的測點,綜合了以上因素,最后確定沿橋梁斷面表面布置50個測壓點,風嘴部分平均相鄰孔距為0.5m,其余部位平均相鄰孔距為2m,如圖7所示(另一邊對稱布置),測壓斷面位于跨中,距北塔329.3m處。

圖7 斷面測點布置圖(單位：mm)Fig.7 Measure point distribution(Unit：mm)

2 實測結果與風洞試驗結果的比較

在2007年5月～8月這3個月時間內對蘇通長江大橋的主梁斷面氣動力進行了實時監控,從風速數據分析結果來看,強風方向與橋軸線垂直的情況很少見,而風洞試驗時風向均垂直于橋軸線,由于風偏角β對三分力系數影響較大[10],因此,從所得結果中只選擇了4個迎風角α和β風偏角 均較小的時間段來進行分析,如表1所示,風速時程長度取10分鐘。

表1 平均風速、湍流度及風向Table 1 Average wind velocity,turbulence intensity and wind direction

由于影響三分力系數的非定常因素除了雷諾數外還有自然風的湍流強度及湍流積分尺度與結構特征尺寸的比值[3],因此,風洞試驗結果也是基于湍流場采用測壓法所測得結果,對于湍流積分尺度與結構特征尺寸的比值來說,國內學者陳斌等人認為其對三分力系數幾乎沒有影響[3],因此,沒有仔細考慮。在模擬湍流場時分別采用了尖塔湍流場和格柵湍流場來模擬表1的湍流強度。測壓模型的比尺為1：80。

圖8給出了迎風角為3.12°時平均壓力系數實測結果和實驗室尖塔湍流場下的測量結果。利用該圖按照式(1)進行積分,便可得到橋梁斷面的三分力,再利用(2)式便可以得到主梁斷面的三分力系數。

圖8 實測與實驗室平均壓力系數分布Fig.8 Mean pressure coefficient distribution of actual test and wind tunnel test

圖9 阻力系數隨迎風角的變化曲線Fig.9 Drag force coefficients vs.attack angle

圖9～11給出了對應的靜力三分力系數隨迎風角的變化曲線。從圖上可以看出阻力系數隨雷諾數變化比較明顯,實測值比風洞試驗值小約15%,升力系數及力矩系數受影響較小,且格柵湍流場(≈0.082m,≈0.044m)風洞試驗結果與尖塔湍流場(≈0.50m,≈0.41m)風洞試驗結果差別不大,表明湍流積分尺度與結構特征尺寸的比值的確對三分力系數影響不大,這與陳斌等人的觀點一致。

圖10 升力系數隨迎風角的變化曲線Fig.10 Lift force coefficients vs.attack angle

圖11 力矩系數隨迎風角的變化曲線Fig.11 Moment coefficients vs.attack angle

3 結 論

總結上述靜力三分力系數實測及風洞試驗測量結果不難發現：雷諾數對蘇通長江大橋主梁斷面阻力系數有較大影響,對升力系數及力矩系數影響較小。由于阻力系數的實測值明顯低于風洞試驗結果,因此,對蘇通長江大橋來說,其阻力系數風洞試驗結果偏于保守。

[1]SCHEWE G,LARSEN A.Reynolds number effects in the flow around a bluff bridge deck cross section[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1998,74-76：829-838.

[2]MICHAEL C H H,LARSEN A.Aerodynamic investigations for the deck of stonecutters bridge emphasizing Reynolds number effects[A].Proceedings of the 2nd International Symposium on Advances in Wind&Structures[C].Busan Korea：Elsevier Publication,2002,649-656.

[3]陳斌,葛耀君,項海帆.非定常因素對靜力三分力系數測量的影響[A].第十三屆全國結構風工程學術會議論文集[C].大連：大連理工大學出版社,2007,556-561.

[4]李加武,林志興,項海帆.橋梁斷面三分力系數的雷諾數效應[J].同濟大學學報(自然科學版),2004,32(10)：1328-1333.

[5]李加武.橋梁斷面雷諾數效應及其控制研究[D].上海：同濟大學土木工程學院橋梁工程系,2003.

[6]白樺,李加武,胡兆同,劉健新.近流線型斷面靜力三分力系數的雷諾數效應識別[J].建筑科學與工程學報,2007,24(4)：60-63.

[7]謝壯寧,顧明,倪振華.復雜測壓管路系統動態特性的通用分析方法[J].同濟大學學報(自然科學版),2003 31(6)：702-708.

[8]王維新,謝壯寧.測壓傳壓管路系統動態特性的試驗分析[J].西北大學學報(自然科學版),2005,35(4)：702-708.

[9]MOCK E B.The UEDAH multi-channel simultaneous fluctuating pressure measurement system and its applications[J].J Wind Eng.And Aerodynamic,1994,(51)：93-104.

[10]劉小兵,陳政清,劉志文.斜風下大跨度橋梁主梁三分力系數試驗研究[J].湖南大學學報(自然科學版),2008,35(9)：10-14.