附加气动措施后箱梁断面三分力系数试验研究

高 亮，刘健新，郭 威

(1.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安710048;2.长安大学公路学院，陕西西安710064)

0 引言

随着桥梁跨径的增加，桥梁结构对风反映的敏感性亦日益增大.桥梁的抗风研究趋于精细化，越来越多的学者通过研究认识到气动措施改变了颤振、涡激共振等结构风致动力响应的作用，然而也可能影响到结构的静力稳定性，所以需要研究各种气动措施对静力三分力系数的影响.

常用到的改善桥梁断面气动性能的措施有：设置中央稳定板、设置导流板、中央开槽和改变栏杆透风率、变化检修车轨道位置等.目前，相关研究一般考虑的是气动控制措施对于颤振稳定性的影响，很少有人去关注采取气动措施后对大跨桥梁静力的影响，这可能是因为人们普遍认为大跨径桥梁的颤振临界风速一般都低于静力失稳风速.但是，日本东京大学、同济大学、西南交通大学、长安大学先后在风洞试验中观察到静风失稳现象［1－5］.方明山等亦通过计算表明了静风失稳现象出现的可能性［6－7］.随着桥梁的日益长大化，尤其是超大跨悬索桥的进一步柔性化，桥梁的静风稳定问题将会显得十分突出，其静力扭转发散的临界风速有可能低于颤振临界风速［8－12］.同时，在大跨径桥梁的设计中，风荷载是其主要的荷载.因此，笔者通过静力三分力风洞试验量测箱型截面主梁在不同气动措施下的三分力系数，研究其对主梁三分力系数的影响，为气动措施的选取提供一定的参考.

1 试验部分

1.1 试验设备

试验在长安大学风洞实验室CA-1大气边界层风洞中进行，该风洞是一座回、直流两用风洞，试验段尺寸3 m×2.5 m×15 m.风速0～53 m/s连续可调，均匀场紊流度小于0.5%，直流电机功率为400 kW.数据测试采集系统由两根五分量杆式应变天平、α角攻角变化机构、应变放大器、A/D转换器及数据采集处理器等组成.

1.2 试验模型

节段测力模型与实桥外形相似，且要有足够的刚度.虽然对质量和质量惯性矩没有相似性要求，但由于测力天平量程的限制，质量不应太大.试验时将模型端板与外接铝合金杆固结，由铝合金杆和天平进行连接，天平连接在α机构上.

试验采用典型的箱梁断面主梁.主梁测力节段模型缩尺比为1∶45，采用泡沫塑料制作模型，内嵌铝合金骨架，环氧树脂板覆面加工.模型尺寸长 L=2.204 m，宽 B=0.873 m，高 H=0.09 m.

试验在均匀流场中进行，试验风速13 m/s，风攻角为 －10°～10°，间隔 1°，试验采样频率为100 Hz，采样时长40 s.试验模型如图1～5.

2 试验结果及分析

主梁静力三分力示意图如图6所示.

图6 风荷载在体轴和风轴坐标系下的三分力Fig.6 Three-component of aerodynamic force in body axis and wind axis

式中：U为离断面足够远的上游来流平均风速;ρ为空气密度;CH、CV、CM分别为体轴坐标系下的阻力系数、升力系数与扭矩系数;D、B分别为桥梁断面高度与宽度.

2.1 导流板位置

导流板位置不同时主梁的三分力系数如图7所示.由图7可以看出，阻力系数：①加导流板后主梁阻力系数在负攻角时明显增大，尤其是导流板加在边上的形式.②正攻角5°以内阻力系数减小，大于5°时阻力系数增大;③导流板设置于中央较设置于边上阻力系数有所降低，减小幅度在4%之内;④导流板导致主梁阻力系数随风攻角变化越发不对称.

升力系数：①导流板加在边上使主梁升力系数增大;②中央导流板使主梁升力系数整体增大.

扭矩系数：边导流板较中央导流板对主梁扭矩系数影响较大，加边导流板后主梁扭矩系数曲线相对平缓.

2.2 中央槽开孔率

中央槽不同开孔率的主梁三分力系数如图8所示.由图8分析如下.

阻力系数：①中央开槽后主梁阻力系数明显变大;②中央槽开孔率70%较开槽率50%主梁阻力系数变大，但改变幅度较小;③中央槽开孔率70%和50%较100%时主梁阻力系数变化明显，负攻角时明显变大，较大正攻角时偏小.

图7 导流板位置不同时主梁三分力系数图Fig.7 Three-component Force coefficient with different position of guide plate

升力系数：①中央不开槽时较开槽时主梁升力系数随风攻角的增大明显增大，中央开槽率对主梁升力系数影响不明显;②中央开槽对主梁升力系数随风攻角变化曲线斜率影响明显.

扭矩系数：中央不开槽较开槽主梁扭矩系数变化明显，中央开槽率大小对主梁扭矩系数影响不明显，负攻角变化幅度在5%之内.

2.3 检修车轨道位置

不同的轨道位置布置下的主梁三分力系数如图9所示.由图9可见，阻力系数：①检修车轨道位置对主梁阻力系数影响明显，检修车轨道向内侧移7 cm较向内移3 cm时，主梁阻力系数较之减小明显;②检修车轨道向内侧移时，主梁阻力系数整体减小.

升力系数：①检修车轨道位置对主梁升力系数影响明显，检修车轨道向内侧移3 cm时，主梁升力系数较之前整体减小0.1左右;②检修车轨道置外边缘主梁升力系数值最大，向内侧移时主梁升力系数整体减小.

扭矩系数：检修车轨道位置对主梁扭矩系数影响明显，检修车轨道向内侧移，主梁扭矩系数整体变小.

2.4 护栏

护栏对主梁三分力系数的影响如图10所示：①加护栏后主梁阻力系数明显增大，主梁升力系数明显变小;②有栏杆时桥面气流受到栏杆的干扰主梁扭矩系数总体上减小，在－6°～0°范围内主梁扭矩系数变大.

2.5 风障

风障对主梁三分力系数的影响如图11所示：①风障对主梁阻力系数影响明显，阻力系数明显增大，较施工阶段增幅为39.6% ～111.7%，较成桥阶段增幅为21%～44%;②加风障后主梁升力系数曲线斜率减小，值也变小.

2.6 车辆

车辆对主梁三分力系数的影响如图12所示：①车辆对有风障的主梁形式主梁阻力系数影响变化不大，主梁阻力系数整体增大;②有车辆时主梁升力系数曲线斜率降低，绝对值也变小;③有车辆时主梁扭矩系数曲线斜率减小，值也变小.

3 静风荷载计算

静阵风风速以及在横桥向风作用下主梁单位长度上的横向静阵风荷载可按下列公式计算［13］：

式中：Vg为静阵风风速，m/s;FH为作用在主梁单位长度上的静风荷载，N/m;ρ为空气密度，kg/m3，取为1.25;CH为主梁的阻力系数;H为主梁投影高度，m，计入栏杆或防撞护栏以及其它桥梁附属物的实体高度.

由式(1)知，横向静风荷载与阻力系数成正比.同样，主梁单位长度上的升力、扭矩计算如式(2)所示：

现取Vg=30 m/s，以导流板为例计算主梁单位长度上的静风荷载如图13所示.由图13可见，主梁三分力系数的改变直接影响到主梁所受的静风荷载.导流板的安装增大了主梁的静风荷载.对比《公路桥涵设计通用规范》中的汽车荷载，公路Ⅰ级设计荷载qk=10.5 kN/m，表明由于导流板的安装导致的主梁静风荷载的增加不容忽视.

4 结论

(1)导流板会明显增大主梁阻力系数;边导流板会降低主梁升力系数及扭矩系数;加边导流板时主梁升力系数、扭矩系数曲线均较为平缓，此时，主梁开槽对阻力系数基本没有影响，对升力系数和扭矩系数有影响;导流板导致主梁阻力系数随风攻角变化越发不对称.

(2)中央开槽会增大主梁阻力系数，减小主梁升力系数;具体开槽率大小对主梁三分力系数影响不大;中央开槽后主梁扭矩系数曲线不再单调递增.

(3)检修车轨道向内侧移主梁阻力系数、扭矩系数整体变小;主梁升力系数绝对值减小.

(4)加护栏后主梁阻力系数增大，升力系数减小，扭矩系数随风攻角变化规律性降低.

(5)设风障后主梁阻力系数显著增大，升力系数减小，扭矩系数增大.

(6)车辆会增大主梁阻力系数，降低其随风攻角变化规律性;降低主梁升力系数随风攻角变化曲线斜率;有车辆时减弱了风障对气流的影响，主梁扭矩系数减小，且其随风攻角变化曲线斜率减小.

(7)主梁三分力系数的改变直接影响到主梁所受的静风荷载.

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