大跨懸索橋扁平箱梁氣動力展向相關性研究

崔彥， 栗莎， 周軍偉

（1.河北工程技術學院土木工程學院，石家莊 050091；2.中國鐵路北京局集團有限公司天津車輛段，天津 300012）

0 引言

隨著橋梁技術的不斷發展，懸索橋的跨度越來越大，而大跨橋梁最典型的特點是柔、長，橋梁本身受風的影響比較大，而跨度的大幅度增加又降低了橋梁的結構剛度，從而對風荷載的作用更加敏感，因此在對大跨懸索橋進行結構設計時必須要考慮其風致振動問題［1，2］。大跨橋梁結構的低頻率和小阻尼導致結構在低風速下非常容易發生渦激振動現象［3，4］，而渦激振動的基礎是氣動力，因此要研究大跨懸索橋渦激振動問題必須先研究其主梁氣動力特性。雖然前人對大跨懸索橋主梁的氣動力研究也很多，并取得一定成果［5，6］，但對其的研究大部分集中在氣動力及風壓分布規律上面，而展向相關性方面的研究相對不多。顯然氣動力對于實際橋梁主梁為空間力系，并沿著主梁展向方向會不同程度相互影響，而非完全相關。目前對于節段模型風洞試驗的氣動力評估中，通常會忽略氣動力沿主梁展向相關性，采用的渦激振動半經驗教學模型也未考慮氣動力展向相關性的影響，這很容易導致渦激響應與計算結果不一致。因此對大跨度橋梁主梁氣動力展向相關性研究非常有必要，這對于橋梁主梁渦激振動振幅的準確預測有著及其重要的意義。

文中通過節段模型風洞試驗對大跨懸索橋扁平箱梁進行了氣動力特性研究，著重分析了均勻流場下扁平箱梁靜止而風攻角變化和展向間距變化時，氣動三分力的相關性及模型上表面測點壓力與總氣動力的相關性。

1 風洞試驗概況

風洞試驗在石家莊鐵道大學風工程研究中心高速試驗段進行，該流場可以滿足此次節段模型的試驗要求。模型采用剛性桿與高速試驗段連接，試驗風速為10m/s，由梁寬B得到的雷諾數為2.47×105，風攻角范圍為-9°～9°，每3°為一個間隔。

扁平箱梁節段模型由ABS板制作，采用1：50的縮尺比，具體尺寸：長2000mm，寬370mm，高64mm，沿著模型展向布置8圈測壓孔，模型正中截面的測壓孔定義為為第5圈，第1圈測壓孔到第5圈測壓孔的距離為800mm，用D1表示，依次類推，D2=400mm；D3=200mm；D4=50mm；D5=0；D6=100mm；D7=300mm；D8=800mm，這樣設置的目的是可以得到不同的展向間距，如表1所示。每圈測壓孔總共60個，由于流動參數在尖角處比較敏感，故在模型尖角處對測壓孔進行了加密［7］，測壓孔位置見圖1。

表1 不同測點位置組合所得無量綱展向間距

圖1 模型測壓孔布置圖（單位：mm）

2 風洞試驗結果分析

2.1 氣動力展向相關性

對置于流場中的梁而言，氣動力的相關程度可以用相關系數來描述［8，9］，如式1。

式中，Fi（t）、Fj（t）為不同展向位置的氣動力（阻力、升力、扭矩）時程；δ為不同展向間距的長度；B為主梁斷面寬度，為使計算簡單化，采用無量綱展向間距，用δ/B表示。改變風攻角時，氣動力的展向相關系數曲線變化圖，如圖2～圖4所示。

圖2 阻力展向相關性

圖3 升力展向相關性

圖4 扭矩展向相關性

由圖2可知，試驗風攻角下，展向間距增大阻力的相關性減小，負攻角時，其值在展向間距δ/B=0～1.892范圍內隨著攻角的增大先增大后減小，在δ/B=1.892～4.324范圍內隨著展向間距的增大而增大；而在正攻角時，風攻角越大，阻力的展向相關性越強，并且同一展向間距比負攻角時大。

由圖3可知，試驗風攻角下，展向間距增大升力的相關性減小，負攻角時，其值在展向間距δ/B=0～4.324范圍內隨著攻角的增大先增大后減小；而在正攻角時，升力的展向相關系數在δ/B=0～0.405隨著風攻角的增大而增大，在δ/B=0.405～4.324隨著風攻角的增大先減小再增大，并且同一展向間距時，δ/B=0～1.892范圍內正攻角的相關系數比負攻角時大，δ/B=1.892～4.324范圍內負攻角的相關系數比正攻角時大。

由圖4可知，試驗風攻角下，展向間距增大扭矩的相關性減小，負攻角時，其值在展向間距δ/B=0～0.27范圍內隨著攻角的增大先減小再增大，在δ/B=0.27～4.324范圍內隨著攻角的增大先增大后減小；而在正攻角時，扭矩的展向相關系數在δ/B=0～1.892范圍內隨著攻角的增大先增大后減小，在δ/B=1.892～4.324隨著風攻角的增大而減小，同一展向間距時δ/B=0～0.27范圍內正攻角下的相關系數比負攻角時大，δ/B=0.27～4.324范圍內負攻角的比正攻角的大。

2.2 測點壓力與總氣動力的相關性

測點壓力與總氣動力的相關程度可以用相關系數來描述［10］，如式2所示。為了方便找出扁平箱梁模型表面測點壓力與總氣動力的相關性，將距離無量綱化，用定S/B表示，見圖5，其中，U為風速，B為斷面的寬度，S為從模型的迎風面點1沿模型表面順時針移動到某測點的真實距離。

圖5 模型上表面測點無量綱距離示意圖

式中，pi（t）為某個測點參數的壓力時程；Fj（t）為該列氣動力參數的時程。

圖6給出了模型上表面測點壓力與升力的相關系數曲線圖。由圖6可以看出，負攻角時，測點壓力與升力負相關，攻角為0°時上表面中游部分測點的相關系數比上下游大，隨著攻角增大，相關系數減小；正攻角下，模型上游（S/B=0.08～0.58）范圍內的相關系數隨著攻角增大呈現先減小后增大再減小的特性，其中攻角為6°時相關性最強，而在模型中游（S/B=0.58～0.89）范圍內的相關系數隨著攻角的增大而增大，下游范圍內相關系數隨著攻角增大呈現先增大后減小再增大的特性，其中攻角為6°時，S/B=1以后呈現正相關。

圖6 模型上表面測點壓力與升力的相關系數

圖7給出了模型上表面測點壓力與扭矩的相關系數曲線圖。由圖7可以看出，負攻角時，模型中上游（S/B=0.08～0.0.89）范圍內的相關系數負相關，并隨著攻角增大呈現先增大后減小的規律，模型下游尾部（S/B=1以后），攻角為-3°時負相關，其余攻角正相關，并隨著攻角增大呈現先減小后增大的規律；正攻角下，模型中上游（S/B=0.08～0.75）范圍內的相關系數負相關，隨著攻角增大呈現先增大后減小的規律，其中攻角為6°時相關性最強，而在S/B=0.75以后相關系數正相關，并隨著攻角增大呈現先增強后減小的特性，其中攻角為6°時相關性最強。

圖7 模型上表面測點壓力與扭矩的相關系數

3 結語

經過對大跨懸索橋扁平箱梁氣動力特性的風洞試驗研究可得出如下結論：

（1） 展向間距增大時，氣動力的展向相關系數均減小，正攻角下的氣動力展向相關性更強，同一展向間距下，小攻角時升力的相關性最強，大攻角時升力和阻力的相關性隨著展向間距的增大逐漸接近。

（2） 模型上表面測點壓力與升力負相關，負攻角時攻角增大相關系數減小；正攻角時，上游部分相關性隨著攻角增大先減小后增大，中游部分攻角越大相關性越強，下游部分相關性先增大后減小再增大，說明很可能某個攻角是鎖定角度。

（3） 模型上表面測點壓力與扭矩負攻角時中上游及下游尾部攻角為-3°時負相關，其余正相關，且上游隨著攻角增大相關性先增后減，下游相反；正攻角時，上游正相關下游負相關，并都呈現隨著攻角增大，相關性先增后減的規律，說明很可能某個攻角是鎖定角度。