三边形桅杆杆身风荷载特性风洞试验研究

孙远+马人乐+邱旭

摘 要：应用高频测力天平技术，分别对有附属结构和无附属结构的三边形桅杆杆身进行了均匀流和两种紊流下的风洞试验，得到了桅杆的平均风力系数、均方根力系数和顺风向、横风向及扭转向风荷载谱.分析了雷诺数、紊流度、风向角、附属结构等对风荷载系数的影响，对比了试验体型系数和不同国家规范关于桅杆及其附属结构体型系数的规定.谱分析结果表明，顺风向风荷载谱和脉动风速谱的基本特征相同，横风向、扭转向风荷载谱主要由低频部分的紊流激励谱和高频部分的旋涡脱落激励谱组成，无附属结构模型旋涡脱落谱有一个峰，峰值折减频率在1.8左右，带附属结构模型在90°风向角下出现两个明显的旋涡脱落谱峰，峰值折减频率分别在0.9和2.2左右，探讨了格构式塔架旋涡脱落谱的特性以及附属结构对其的影响机理.

关键词：桅杆；高频测力天平；风洞试验；风荷载特性

中图分类号：TU312.1 文献标志码：A

桅杆结构是由矗立的细长杆身和数层斜拉的纤绳组成的一种高柔结构，在横向荷载作用下存在大变形，具有强非线性[1].通常每层纤绳于空间相交于一点，且各层交点连成一线，整体结构是一个瞬变体系，初始抗扭刚度为零.桅杆结构的这些特点使其在风荷载作用下易产生各种复杂的风效应，除顺风向风振响应外，横风向和扭转风振响应同样不可忽视.由于桅杆结构对风荷载非常敏感，在风振响应分析中，应尽量精确地考虑外加风荷载.顺风向风荷载通常基于准定常假定计算，而横风向和扭转向风荷载的形成机理非常复杂，同紊流和尾流激励都有关系，且受结构形式的影响很大，很难找到统一的表达式和计算方法，一般需要通过风洞试验测得.桅杆杆身通常为等截面的格构式塔架结构，杆件多、截面小，广泛应用于高层建筑、大屋盖结构风荷载测试的多点测压方法[2]并不适用，因此，高频天平测力是确定格构式塔架风荷载的主要风洞试验手段.Carril[3]等对不同挡风系数的塔架模型的平均风力系数和均方根力系数进行了试验研究，考虑了微波天线盘的影响.张庆华、顾明等[4]对格构式输电塔进行了不同紊流度下的风洞试验，对测得的顺风向、横风向和扭转向风荷载进行了谱分析和相干性分析.梁枢果等[5]基于高频天平测力风洞试验，分析了3种格构式塔架的风荷载特征，并建立了广义荷载谱解析模型.

目前，对格构式塔架横风向和扭转向风荷载的研究主要集中在对风荷载谱的认识上，研究对象多为四边形塔架结构，对三边形塔架风荷载特性的研究还很不足.本文通过高频动态天平试验得到了三边形桅杆杆身模型的平均风力系数、均方根力系数以及风荷载谱，分析了风荷载的构成机理和影响因素.

1 风洞试验简介

1.1 试验模型

刚性模型测力试验在同济大学TJ2水平回流式边界层风洞中进行，风洞试验段尺寸为3 m宽、2.5 m高、15 m长.试验原型取自典型的三边形桅杆杆身结构，如图1所示，杆身边宽1 m，且沿高度不变.为满足使用功能要求，此类结构通常带有天线、馈线和爬梯等附属结构，其中天线通常安装在指定高度，而馈线和爬梯沿桅桿高度分布.因此，试验时考虑馈线和爬梯分别制作无附属结构（模型A）和有附属结构（模型B）的两种模型.

1.2 风场模拟

试验采用的桅杆杆身节段原型高度不大，可以认为在高度范围内平均风速和紊流度基本不变.作为一般性研究，试验在均匀流场和紊流度分别为8%，15%的两种均匀紊流场中进行，通过格栅被动紊流发生装置建立均匀紊流场.采用眼镜蛇脉动风速测试仪对风场环境进行了测试，表1给出了不同流场的平均风速和紊流度.模拟紊流场脉动风谱如图4所示，图中，f为频率，Su（f）为脉动风速谱，σ2为方差，Lxu为紊流积分尺度，U为平均风速.从图4可以看出，VonKarman谱和欧洲规范谱因隐含了紊流积分尺度，和试验风速谱拟合较好，相比来说，Karman谱在低频区拟合效果更好，而欧规范谱在惯性子区更接近样本谱.

3 结 论

通过高频动态天平测力试验，对三边形桅杆杆身平均风力系数、均方根力系数和风荷载谱特性进行了研究，得到如下结论：

1）试验模型雷诺数在临界范围内，增大紊流度可以达到较高雷诺数的效果，阻力系数随紊流度增大略有增大，无附属结构模型升力系数和扭矩系数很小，增加附属结构后，升力系数明显增大.试验所得两种模型的体型系数和我国规范GB50009-2012相比略小，比欧洲规范略大，日本规范取值最大，表明按GB50009-2012取值可以保证三边形桅杆结构的安全性.

2）均方根力系数随紊流度的增大而增大，增加附属结构后阻力系数和升力系数均方根值有明显增大，扭矩系数均方根值受附属结构的影响则不明显.

3）桅杆杆身顺风向风荷载谱是一种典型的顺风向风湍流谱，横风向和扭转向风荷载谱由紊流作用和旋涡脱落激励两部分构成.无附属结构模型旋涡脱落折减频率在1.8左右，90°风向角下带附属结构模型有两个旋涡脱落谱峰，峰值折减频率分别在0.9和2.2左右.旋涡脱落激励受构件尺寸、间距等多种因素影响，规则的无附属结构模型旋涡脱落频率集中在一个频段范围内，形成一个整体谱峰，附属结构的干扰使得特定风向角下结构的旋涡脱落激励存在两个主频率，从而形成两个谱峰，对格构式桅杆结构，构件布置越不规则，旋涡脱落谱越复杂.

参考文献

[1] 王肇民，王之宏，颜明忠. 桅杆结构[M]. 北京：科学出版社，2001： 362-363.

WANG Zhaomin， WANG Zhihong， YAN Mingzhong. Guyed mast[M]. Beijing： Science Press， 2001： 362-363.（In Chinese）

[2] 李正农，郝艳峰，刘申会. 不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2013，40（7）： 9-15.

LI Zhengnong， HAO Yanfeng， LIU Shenhui. Wind tunnel test of tall building wind effect in different geomorphologic terrain categories[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2013， 40（7）： 9-15.（In Chinese）

[3] CARRIL C F， ISYUMOV N， BRASIL R M L R F. Experimental study of the wind forces on rectangular latticed communication towers with antennas [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2003， 91（8）： 1007-1022.

[4] 张庆华，顾明，黄鹏. 格构式塔架风力特性试验研究[J]. 振动与冲击，2009， 28（2）： 1-4.

ZHANG Qinghua， GU Ming， HUANG Peng. Experimental study of wind force on latticed tower[J]. Journal of Vibration and Shock， 2009， 28（2）： 1-4.（In Chinese）

[5] 梁樞果，邹良浩，赵林，等. 格构式塔架动力风荷载解析模型[J]. 同济大学学报：自然科学版，2008， 36（2）： 166-171.

LIANG Shuguo， ZOU Lianghao， ZHAO Lin，et al. Analytical model of dynamic wind loads on lattice towers [J]. Journal of Tongji University： Natural Science， 2008， 36（2）： 166-171.（In Chinese）

[6] 邹梁浩，梁枢果. 半刚性模型风洞试验荷载谱的处理方法[J]. 实验流体力学，2007， 21（3）： 76-81.

ZOU Lianghao， LIANG Shuguo. A method to evaluate wind force spectra of semirigid model in wind tunnel tests[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics， 2007， 21（3）： 76-81.（In Chinese）

[7] 埃米尔·希缪，罗柏特·H·斯坎伦. 风对结构的作用：风工程导论[M]. 刘尚培，项海帆，谢霁明译. 上海：同济大学出版社，1992： 100-305.

SIMIU E， SCANLAN R H. Wind effects on structures： an introduction to wind engineering[M]. Translated by LIU S P， XIANG H F， XIE J M. Shanghai： Tongji University Press， 1992： 100-305.（In Chinese）

[8] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012： 33-53.

GB 50009-2012 Load code for the design of building structures[S]. Beijing： China Architecture & Building Press， 2012： 33-53.（In Chinese）

[9] AIJ2004 Recommendations for loads on buildings[S]. Tokyo： Architectural Institute of Japan， 2004： 628-631.

[10]ASCE/SEI710 Minimum design loads for buildings and other structures[S]. Reston： American Society of Civil Engineers， 2010： 307-314.

[11]BS EN 199331： 2006. Eurocode 3： design of steel structures， part 3-1： Towers， masts and chimneys [S]. Brussels： British Standards Institution， 2006： 28-40.

[12]顾明，叶丰. 高层建筑的横风向激励特性和计算模型的研究[J]. 土木工程学报，2006，39（2）： 1-5.

GU Ming， YE Feng. Characteristics and computational model of across wind load of tall buildings[J]. China Civil Engineering Journal， 2006， 39（2）： 1-5.（In Chinese）

[13]李秋胜，李慧真，李毅. 椭圆形高耸结构风荷载特性的试验研究[J]. 湖南大学学报：自然科学版，2015，42（1）： 1-8.

LI Qiusheng， LI Huizhen， LI Yi. Experimental study of the characteristics of wind loads on an ovalshaped highrise structure[J]. Journal of Hunan University： Natural Sciences， 2015， 42（1）： 1-8.（In Chinese）

[14]黄本才. 结构抗风分析原理及应用[M]. 上海：同济大学出版社，2001： 66-68.

HUANG Bencai. Structural analysis theory and application of wind resistance[M]. Shanghai： Tongji University Press， 2001： 66-68.（In Chinese）