管道懸索橋靜氣動(dòng)性能研究*

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(yíng)口市海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)中心 營(yíng)口 115007)

管道橋用于運(yùn)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(qiáng)，且施工方便，因此被廣泛運(yùn)用于油氣輸運(yùn)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(duì)風(fēng)荷載較為敏感。若管道遭強(qiáng)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(yùn)營(yíng)具有重大意義。

在未來(lái)20年內(nèi)，我國(guó)將持續(xù)推進(jìn)中國(guó)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(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其氣動(dòng)特性進(jìn)行了廣泛的研究。段銀龍等[3]利用風(fēng)洞試驗(yàn)得到怒江管道橋的靜三分力系數(shù)，通過(guò)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(duì)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力特性的影響，并給出了主索、橋塔和管道安裝的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法；方國(guó)輝[4]以瀾滄江管道懸索橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑢?duì)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(jìn)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(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了中緬油氣管道懸索橋風(fēng)致振動(dòng)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(duì)某座懸索管道橋的振動(dòng)進(jìn)行分析,而未進(jìn)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(jì)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(duì)管道懸索橋氣動(dòng)特性的影響，為有效完善管道懸索橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)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(shí)，會(huì)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(gè)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(biāo)系表示方法分為體軸坐標(biāo)系——沿截面形心主軸建立和風(fēng)軸坐標(biāo)系——坐標(biāo)系沿風(fēng)向建立[6]，靜三分力坐標(biāo)系見(jiàn)圖1。

圖1 靜三分力坐標(biāo)系

體軸三分力[7]計(jì)算方法見(jiàn)式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：U為試驗(yàn)風(fēng)速；ρ為空氣密度；L為節(jié)段模型長(zhǎng)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(jiàn)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(jiàn)式(6)～(8)。

(6)

(7)

(8)

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)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(yàn)段尺寸長(zhǎng)18 m、寬3 m、高2.5 m，阻塞率小于5%，可進(jìn)行小尺寸模型的風(fēng)洞模擬試驗(yàn)，模擬精度良好，設(shè)計(jì)最大風(fēng)速50 m/s，配備可以旋轉(zhuǎn)0°～360°的β機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)盤，其旋轉(zhuǎn)最小間隔0.1°。測(cè)力天平系統(tǒng)采用日本NITTA公司六分量高頻測(cè)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(shí)間為30 s，數(shù)據(jù)采樣頻率為200 Hz。

2.2 試驗(yàn)工況

在管道懸索橋設(shè)計(jì)時(shí)，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(huì)對(duì)懸索橋靜氣動(dòng)性能產(chǎn)生不利影響，故有必要研究其對(duì)斷面靜三分力系數(shù)的影響。

風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)以某管道懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，實(shí)橋斷面寬B=2 680 mm，高T=1 680 mm，受風(fēng)洞尺寸限制，試驗(yàn)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(zhǎng)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(cè)力天平通過(guò)多個(gè)螺栓連接，避免模型與天平產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)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(dòng)假設(shè)。斷面示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 模型斷面示意圖

試驗(yàn)共分3種類型。選取D=70、160、250 mm的管道，分析管道直徑對(duì)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(duì)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(duì)橋梁斷面靜三分力系數(shù)的影響。

以上試驗(yàn)工況均在均勻流場(chǎng)中進(jìn)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(yàn)選取10級(jí)風(fēng)速，通過(guò)風(fēng)速變化，研究雷諾數(shù)對(duì)斷面靜三分力系數(shù)的影響。雷諾數(shù)試驗(yàn)在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，試驗(yàn)攻角α=0°。

試驗(yàn)工況表見(jiàn)表1，模型風(fēng)洞試驗(yàn)圖略。

表1 試驗(yàn)工況

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1管道直徑的影響

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(yàn)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(duì)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(wú)管道和D=250 mm時(shí)，斷面升力系數(shù)CL基本不變，D=70 mm和160 mm時(shí)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(duì)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(lái)說(shuō)，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(yàn)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(jì)階段應(yīng)充分考慮管道直徑D對(duì)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)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(yàn)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(lái)說(shuō)，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?yàn)楣艿罃?shù)量越多，氣流透過(guò)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(jì)中應(yīng)充分考慮管道數(shù)量對(duì)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)均達(dá)到極小值；升力系數(shù)CL均先增大后減小，均在α=5°左右達(dá)到極大值；扭矩系數(shù)CM均先減小后增大，均在α=3°左右達(dá)到極小值。

2) 通過(guò)幾種工況的對(duì)比，再次得出結(jié)論：管道的設(shè)置會(huì)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(lái)說(shuō)，管道橫向間距L對(duì)斷面靜三分力系數(shù)的影響幾乎可以忽略不計(jì)，這是因?yàn)楣艿罃?shù)量相同的情況下，調(diào)整管道橫向間距不會(huì)改變迎風(fēng)面積，氣流透過(guò)桁架的能力不發(fā)生改變，因此管道橫向間距對(duì)靜三分力系數(shù)影響很小。故在管道橋的設(shè)計(jì)階段，可根據(jù)實(shí)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(duì)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(cè)力試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)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(shí)，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(shí)，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(shí)基本不變，在U>18.5 m/s時(shí)隨Re的增大而減小；扭矩系數(shù)CM在U<18.5 m/s時(shí)基本不變，在U>18.5 m/s時(shí)隨Re的增大而增大。當(dāng)配置D=70、160 mm雙管道時(shí)，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(shí)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(lái)說(shuō)，D越小，雷諾數(shù)效應(yīng)越明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以某管道懸索橋?yàn)檠芯勘尘埃谱骺s尺節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)，研究風(fēng)攻角、管道直徑、管道數(shù)量、管道橫向間距對(duì)靜三分力系數(shù)的影響，并評(píng)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(shí)引起升力系數(shù)值的大幅改變，在設(shè)計(jì)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(jì)階段應(yīng)選擇合適的管道數(shù)量。

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

4) 相比大直徑管道，無(wú)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(shí)際工程中不同管道直徑、管道間距對(duì)斷面靜氣動(dòng)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(jìn)一步研究。