矩形拱肋静风分离的风-气-力系数识别

矩形拱肋静风分离的风-气-力系数识别

三个静力系数是桥截面气动力特征的重要参数。它反映了结构的动态平衡特征，是研究结构气动态问题的基础。同时它的准确测量对研究结构抖振响应具有重要意义。本文以四川宜宾岷江二桥为工程背景,对拱桥主要受力构件拱肋静风三分力系数进行了不同流场、不同缩尺比的物理风洞实验和数值模拟研究分析比较。最后得出了一些有益的结果。宜宾岷江二桥是一座三跨连续拱桥,每跨均为160m上承式钢筋混凝土箱形拱结构,桥面全宽24.5m,拱轴线为悬链线,计算跨径l=161.727m,计算矢高f=40.372m,计算矢跨比f/l=1/4,无绞拱。1拱肋节段模型当一个三维物体被浸没在气流中时,流过的气流将对该物体作用3个力分量和3个力矩分量。由于桥梁结构在桥轴线方向上的尺度比其余两个方向大很多,可以将作用在桥梁结构上的风荷载简化为3个分量,即升力、阻力和升力矩,拱肋断面风荷载分量见图1。拱肋断面静风三分力系数,在风轴系和体轴系中可以表示如下:CL=2LρU2B或CV=2FVρU2BCD=2DρU2H或CH=2FHρU2HCL=2LρU2B或CV=2FVρU2BCD=2DρU2Η或CΗ=2FΗρU2ΗCM=2MρU2B2(1)CΜ=2ΜρU2B2(1)其中,线WN为拱轴线。面PQRS为拱轴线O点的法向断面。在风轴系和体轴系中拱肋三分量均在法向断面定义。ρ为空气密度;B为结构竖向投影;H为结构侧向投影高度;CL、CD分别为风轴系中升力、阻力系数;CV、CH分别为体轴系中升力、阻力系数;CM为升力矩系数;αe为风攻角,表示来流风速与拱轴线O点切向平面的夹角;β为风偏角,表示来流风平面与拱轴线O点法向平面的夹角。由于岷江二桥拱肋轴线为悬链线,拱肋截面法线沿跨径变化。为了获得各个截面拱肋的三分力系数,在风洞试验中,将悬链线拱轴等效成圆弧拱轴,并将圆弧对称等分为19段,每段圆弧的对应圆心角Δγ≈5°,相应的圆弧长度为ΔS=8.829m,几何缩尺比为1∶12.5,见图2。有机玻璃模型测力风洞试验是在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ—2风洞中进行的。该风洞试验段宽3m、高2.5m、长15m,最大试验风速60m/s。测力天平为外支浮框六分量应变天平,测力系统由浮框式天平、偏转角(α角)转盘、天平放大器、A/D转换器及数据采集处理计算机等组成。由于模型采用立式底支测量,通过α偏角转盘的角度变换,就可得到拱肋的不同风攻角α,本次试验的攻角变化范围为α=-10°～+10°。模型模拟不同拱肋截面倾角是通过可转动支杆来实现的,本次试验的倾角变化范围为θ=0°～45°(Δθ=5°)。风洞试验流场为均匀流Iu≤1%,试验风速U=15m/s,拱肋节段模型测力系统如图3。测力节段模型由型钢框架外覆有机玻璃板制成,其外形与实桥拱肋完全相似。风洞试验时将测力模型通过可转动的支杆连接到测力天平上,而上下两个补偿模型则单独固定在与测力天平分离的转盘上。2地层模型及紊流场测量木模型测力风洞试验是在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ—1风洞中进行的。该风洞试验段宽1.8m、高1.8m、长14m,可调风速1m/s至30m/s。测力系统由底支式五分量测力天平、直流稳压电源、电压放大器、NI采样板和计算机数据采集系统等组成。在风洞试验中,仅选取了图2所示拱顶位置处的一段,本次试验的倾角θ=0°,本次试验的攻角变化范围为α=-9°～+9°。几何缩尺比为1∶10。风洞试验流场分均匀流与紊流场两种流场。均匀流场Iu≤1%,均匀流场风速U=10m/s;紊流场Iu=11.5%,流场风速U=8m/s。拱肋节段模型测力系统见图4。紊流场采用前置铝合金矩形材格栅形成被动紊流,通过改变栅条横向净距及栅条自身宽度改变紊流度。格栅示意图见图5。实验中采用丹麦DANTEC公司的二维热线风速仪,采样频率100Hz,采样时间60s,在格栅后面距离3.4m处(安装模型处)设置测点。除了在风洞截面中心布置测点外,为了检验流场的均匀性,在距离风洞截面中心20cm、40cm和60cm处也要进行测量。以风洞截面中心为原点,测点布置坐标如图6所示。紊流场沿风洞截面竖向布置的4个测点紊流度Iu基本一致,而水平向的4个测点紊流度有差别,越靠近风洞洞壁,紊流度越大,尤其是坐标为(60,0)的测点与截面中心点的紊流度差值超过0.05,但可以认为靠近风洞中心左右距离80cm范围内的紊流度是均匀的。根据格栅紊流场的测试结果,格栅紊流场对应的紊流度和紊流积分尺度见表1,检验风速为5m/s。5m/s来流平均风速下,两类紊流场风谱函数特征见图7。3试验结果分析有机玻璃模型节段测力风洞试验共模拟了10种不同的拱肋位置,并分别用拱轴线切线夹角β=0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°表示,风洞试验还模拟从-10°到+10°共21个整数度风攻角α。α=0°风攻角下10个拱肋节段模型的三分力,具体试验结果来自于文献,汇总见表2。采用计算流体动力学(CFD)方法分析计算静止或振动桥梁构件周围的气流,积分桥梁构件表面的压力,可得到抗风性能分析所需的基本参数。对拱肋断面采用FEM2D软件进行了气动参数识别。0°攻角时拱肋断面周围的压强分布见图8。拱顶节段有机玻璃(均匀流场)、拱顶节段木模型(均匀流场)、拱顶节段木模型(紊流场)风洞试验结果和拱顶节段数值模拟三分力系数结果见图9。矩形拱肋静风三分力系数测力风洞试验与数值模拟结果分析如下:1)不同流场、不同缩尺比模型风洞试验与数值模拟识别出的静力三分力系数结果相差较小。2)由于拱肋截面接近矩形,截面高宽比较大h/b=0.6875,因此,定常气动力以阻力为主,且阻力系数在不同风攻角下的幅值变化不大。3)在不同风攻角下,升力系数和升力矩系数数值较小,幅值变化也不大。4)从木模型的阻力系数变化曲线可以看出,在相同试验条件下,紊流场下