多箱式渡槽槽身刚性静风试验研究

多箱式渡槽槽身刚性静风试验研究

1槽身静风荷载多宝渡槽是目前广泛应用于北水县的渡槽结构类型。例如，在中轴线上的双向河渡槽为第二个框架，三个框架的内波河渡槽为三个框架的内波河渡槽。这类渡槽的特点是挡水结构与承重结构合为一体,充分地利用挡水墙的高度,使纵向承重结构具有很大的刚度和抗弯能力,是一种较为经济的结构型式。由于渡槽槽身位置高且迎风面积大,结构的风荷载主要集中在槽身上,如何正确地估计作用在槽身上的风荷载对于结构的抗风设计具有重要意义。由于过去对渡槽结构抗风研究较少,我国曾发生过较多的渡槽风毁事故,事故的原因一般是由于:(1)槽身静风荷载估计过低;(2)脉动风荷载效应没有考虑;(3)结构抗风构造不合理。所有的风毁事故基本为支撑结构倒塌所致,当支撑结构为排架、拱桁架及高墩等刚度较小的结构时,风荷载可能会成为控制性的荷载。槽身静风荷载在总的风荷载(静风与脉动风荷载)中,占有大部分的份额,槽身静风三分力系数是计算静风荷载的基础。对于静风三分力系数,桥梁工程已有大量研究,但对于渡槽结构的相关研究不够充分。文献分别对单槽矩形、U形渡槽进行了风洞试验研究,得到了对应槽体的风载体型系数(或阻力系数),然而对于多箱渡槽,目前尚未见到公开报道的风洞试验研究。由于多箱渡槽槽身阻力系数的取值目前尚不明确,现有多箱渡槽抗风设计中的阻力系数取值多偏于保守,增加了不必要的工程投资。本文以大型多箱式渡槽槽身结构为研究对象,通过6个刚体测压模型的风洞试验,对渡槽模型的静风三分力系数(阻力、升力与扭矩系数)进行研究,以期为大型多箱渡槽的抗风设计与研究提供初步的参考。2风洞测试总结2.1模型试验模型风洞试验模型分为二槽与三槽两类模型,模型尺寸的最大阻塞比为4.2%(小于规定的最大阻塞比5%),试验模型如图1所示,其中,H为试验模型截面高度,B为试验模型截面总宽度,b为试验模型单槽宽度,模型纵向长度为L。6个模型编号与尺寸列于表1。试验模型采用有机玻璃制作,槽体侧壁和底板均采用双层中空方式制作,便于在侧壁和底板的内外二个面布置测压孔。由于渡槽模型的纵向长度远大于槽体截面的高度,因此可以将风洞试验流场视为二维流场。每个模型中部沿模型长度方向布置了一个测压区域,共两排测点。将模型截面按照不同位置板块进行分区编号后,单体试验模型总测点数在120～166之间。为了模拟有水和无水的渡槽运行工况,在模型顶部设置了可抽取式单层活动盖板(见图1),插入盖板时可以模拟有水工况,抽去盖板时模拟无水工况。2.2风洞试验的流场分析本文试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的TJ-2风洞内完成,风洞试验段工作断面尺寸为3.0m×2.5m,模型竖直安装在TJ-2风洞内的试验转台上(见图2)。试验过程中,通过转动试验转台来模拟不同风攻角情况,试验中风攻角范围为10°～-10°,风攻角按2°增减,共有11个风攻角工况。6个试验模型,按照空槽和满槽模型共分为12次试验,每次试验有11个风攻角工况,共计132个试验工况。试验采用层流流场,层流场风速为20m/s。风洞试验过程中直接测量模型表面测压孔风压时程,风压测点的数据采样频率为312.5Hz,采样持续时间为19.2s。在一般的风洞试验中,很难完全满足雷诺数相似准则要求,根据文献的研究成果,对于钝体形式的桥梁断面,雷诺数效应主要对阻力系数影响较大;但当雷诺数大于1×105后,其影响可以忽略;对于升力系数和扭矩系数,雷诺数效应不是很明显。本文的试验模型为矩形尖角物,且模型截面高度在0.14～0.20m之间,由此得到的雷诺数大小为:1.850×105～2.645×105,超过了1×105,因此,可以认为模型静风三分力系数结果受到雷诺数的影响较小,试验结果可满足工程精度的要求。3试验结果与分析3.1表面风压系数分布式中分别为第i测压点的风压系数、风压平均值;分别为参考测点总压平均值、静压平均值。限于篇幅,本文仅给出了0°风攻角时,5号模型(三槽)在空槽与满槽工况下模型的表面风压系数分布(图3)。图中“+”值表示表面受压力作用,“-”值表示表面受吸力作用。3.2确定体轴坐标系式中:CX(α)、CY(α)、CT(α)分别为阻力、升力和扭矩系数;H为槽身截面高度;B为槽身截面宽度;α为来流风攻角,风攻角的正负号定义见图4;Δli为第i测压点所对应的测压区长(高)度;nue04cpi为第i测压点表面外法线单位向量;riue04c为模型截面扭转中心指向第i测压点的向量;θi为第i测压点外法线方向与参考面外法线方向的夹角,注意到阻力系数以模型截面高度H为参考长度,升力和扭矩系数以模型截面宽度B为参考长度,θi的取值与参考面外法线方向相关。于是,在体轴坐标系中,模型槽段单位长度上的静风阻力FX、升力FY和扭矩FT(见图4)可按下式计算:式中:ρ为空气密度,取为1.25(kg/m3);vw为来流风速,其取值可参考《公路桥梁抗风设计规范》确定。3.3静风最小力系数表2—4与表5—7分别给出了在不同风攻角试验工况下,两槽与三槽截面模型的阻力、升力和扭矩系数试验分析结果。图5、6分别给出了二槽与三槽模型静风三分力系数随风攻角的变化规律。由图5、6可以看出,满槽和空槽不同的运行工况下,阻力系数变化相对平缓,升力及扭矩系数变化较大。从数值上讲,阻力系数结果要远大于升力及扭矩系数,表明槽身的风荷载主要表现为风阻力。此类多箱式槽体,在满槽状态下升力和扭矩系数与桥梁主梁断面的静风三分力系数基本一致,但阻力系数的结果与桥梁流线型断面结果不一致,而与矩形截面钝体风洞试验及分析结果更为接近。3.4截面宽高比对阻力系数的影响图7给出了槽身三分力系数随高宽比的变化情况,图7(a)中也列出了矩形钝体阻力系数随高宽比的变化情况。多箱型渡槽槽体截面整体为矩形截面,但槽体上面有凸出的翼缘以及纵向分布的突出加劲肋构造,槽身表面与矩形截面钝体有一定差异,其绕流现象也有差异,但总体上接近于矩形截面钝体绕流。已有的研究表明:矩形钝体的静风三分力系数与截面宽高比有很大关系,其阻力系数的变化规律具有一定的特点,即存在着“临界截面”现象,当截面宽高比达到临界比值0.6左右时,阻力系数达到最大,当宽高比小于“临界比值”时,阻力系数随着宽高比的增大而增大,当截面宽高比大于“临界比值”时,阻力系数随宽高比的增大而减小,当宽高比为4～8范围内时,阻力系数基本不随宽高比增大而发生变化。本文的多箱型渡槽模型截面宽高比在2～5之间变化。根据图7的结果对比可以看到,模型阻力系数总体趋势是随截面宽高比的增大而减小,但局部有一些波动,这一点与矩形钝体的阻力系数随宽高比变化的规律基本一致。4截面宽度对比对抗风能力的影响本文完成了6个多箱截面渡槽槽体刚性测压模型风洞试验,分别考虑了渡槽空槽、满槽以及不同来流风攻角的工况,试验结果得到模型槽体表面风压分布规律以及不同试验工况下槽体的静风三分力系数(阻力、升力和扭矩系数)。试验结果表明,多箱式渡槽槽体绕流现象更趋近于钝体绕流现象,有不同于桥梁流线型断面的特殊性,阻力系数结果要远大于升力及扭矩系数,表明槽身的风荷载主要表现为风阻力,多箱渡槽截面宽高比(B/H)在2～5之间变化,阻力系数总体趋势是随截面宽高比的增大而减小,但局部有一些波动,由于多箱渡槽截面不同于纯粹的矩形钝体,其上存在突出翼缘与加劲肋,使得渡槽截面的绕流场更为复杂,需要更进一步的风洞试验与数值分析研究。本文研究结果可为大型多箱渡槽的抗风研究与设计提