不同寬高比的橋梁斷面upc效應(yīng)研究

不同寬高比的橋梁斷面upc效應(yīng)研究

在橋抗風(fēng)研究中，三力系數(shù)是振動振動分析、振動穩(wěn)定性分析、靜風(fēng)負(fù)荷和穩(wěn)定性分析的重要參數(shù)。三大因素的值直接影響橋的抗風(fēng)分析的精度。長期以來，橋段第三大負(fù)荷系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)一直受到重視。人們普遍認(rèn)為，在橋的鋒利斜面上，三個大傾角的橋段的o效應(yīng)是忽略不計的。schewe等人在壓力梯度下測量了海岸帶橋的領(lǐng)導(dǎo)橋段的三大負(fù)荷系數(shù)，發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)為7.104的阻力系數(shù)比雷諾數(shù)為3.106的阻力系數(shù)大14%。徐志浩等人測量了香港昂洲橋的三大挑戰(zhàn)系數(shù)。結(jié)果表明，隨著零度攻擊角的梯度系數(shù)隨著雷諾數(shù)的增加而增加。因此，對三個大因素的雷諾數(shù)效應(yīng)的研究對于提高抗風(fēng)分析非常重要。在rano數(shù)以外的8.13和3.105之間測量了兩種典型橋梁截面的三個大傾角。通過研究三個大傾角的共同力系數(shù)，我們研究了三個大傾角的共同力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)。1試驗?zāi)Ｐ秃驮囼災(zāi)Ｐ驮囼炘赥J-2風(fēng)洞中進(jìn)行,風(fēng)洞試驗段長15m、寬3m、高2.5m.空風(fēng)洞最高風(fēng)速為68m·s-1,紊流度ε<0.8%.測力用的是TJ-2風(fēng)洞的汽車天平測力系統(tǒng),該測力系統(tǒng)由浮框式六分量應(yīng)變天平、應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和微機(jī)組成.該天平阻力方向最大量程為100kg,升力方向為±60kg,升力矩為±10kg·m.試驗?zāi)Ｐ陀薪骶€型和Π型斷面2類,每類模型有4個寬高比.模型骨架由型鋼制作,外衣為優(yōu)質(zhì)三合板,三合板外用膠紙包裹,以便降低表面的粗糙度.圖1為模型在風(fēng)洞中安裝示意圖.近流線型模型的梁高為100mm,Π型斷面梁高為86mm.試驗風(fēng)速變化范圍為5~50m·s-1.2試驗結(jié)果2.1抗阻系數(shù)的雷諾效應(yīng)2.1.1不同高比的近流力系阻力系數(shù)的變化圖2a為寬高比(B/H)為12∶1近流線型橋梁斷面模型的阻力系數(shù)(CD)的雷諾數(shù)效應(yīng)曲線.在低雷諾數(shù)區(qū)(Re<6×104),CD減小幅度比高雷諾數(shù)區(qū)緩慢.越過Re=1×105后,阻力系數(shù)下降的速度明顯加快.在保證下降曲線光滑的前提下,以最保守的下降速率,將圖2a中曲線延伸到雷諾數(shù)Re=8×106(實橋雷諾數(shù)),則不難發(fā)現(xiàn)低雷諾數(shù)(以梁高為特征尺寸,Re=4×104)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗時,將會導(dǎo)致CD測量值比實橋阻力系數(shù)可能大將近1倍.圖2b為不同寬高比近流線型斷面CD—Re變化曲線,隨著寬高比的增加,阻力系數(shù)變化的范圍拉大,且曲線的曲率增加.寬高比B/H=6時,阻力系數(shù)CD—Re變化平緩.4個模型表現(xiàn)出相同規(guī)律:高雷諾數(shù)區(qū),阻力系數(shù)變化劇烈;低雷諾數(shù)區(qū),阻力系數(shù)變化相對平緩;高雷諾數(shù)區(qū),寬高比越大,阻力系數(shù)減小的速度越快.2.1.2阻力系數(shù)變化圖3a為寬高比B/H=12的Π型斷面模型阻力系數(shù)CD—Re變化曲線.Π型斷面的CD隨雷諾數(shù)Re增加而增加.Re>1×105時,阻力系數(shù)變化平緩;Re<1×105時,阻力系數(shù)遞增明顯.這一變化規(guī)律表明:低雷諾數(shù)風(fēng)洞試驗得到的數(shù)據(jù)用于橋梁抗風(fēng)設(shè)計或抗風(fēng)分析可能是不安全的.圖3b為不同寬高比Π型斷面CD—Re的曲線,阻力系數(shù)隨著寬高比的增加而增加,Re<1×104時,實驗得到的阻力系數(shù)明顯偏小,當(dāng)Re>1×105時,測得的阻力系數(shù)基本不變.2.2立力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)2.2.1不同高比的近農(nóng)村熱計量模型升力系數(shù)對雷諾數(shù)的影響近流線型斷面升力系數(shù)(CL)的雷諾數(shù)效應(yīng)比阻力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)復(fù)雜得多.圖4a為寬高比B/H=12∶1近流線型斷面升力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)曲線.CL由Re=8×103時的CL=0一直減小,直到Re=2×105附近升力系數(shù)達(dá)到最小值(CL=-0.1),Re>2×105后,升力系數(shù)隨雷諾數(shù)增加而增加.圖4b為不同寬高比的近流線型模型升力系數(shù)對雷諾數(shù)Re的變化規(guī)律.寬高比B/H對升力系數(shù)達(dá)到最小值時對應(yīng)的雷諾數(shù)沒有多大影響,除寬高比B/H=6的模型外,其他的升力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化規(guī)律相似.寬高比B/H=6的模型升力系數(shù)幾乎不隨雷諾數(shù)增加而變化.由此推定,隨著寬高比的減小,近流線型斷面逐漸表現(xiàn)出鈍體斷面的某些特性.2.2.2升力系數(shù)試驗圖5a為寬高比B/H=12時,Π型斷面的CL—Re曲線,Π型斷面升力系數(shù)變化比近流線型斷面小.圖5b為Π型斷面不同寬高比的模型升力系數(shù)CL—Re曲線.CL在試驗雷諾數(shù)范圍內(nèi)變化較小,與近流線型斷面Re=2×105附近的明顯峰谷相比,變化明顯小得多.2.3不同高比近深入接觸型斷面的升力系數(shù)cm—升力矩系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)圖6a為寬高比B/H=12近流線型斷面CM—Re曲線,雷諾數(shù)介于4×103~3×105,CM隨雷諾數(shù)Re變化不明顯.圖6b為不同寬高比近流線型升力矩系數(shù)CM—Re曲線,寬高比對升力矩系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)沒有多大影響.近流線型橋梁斷面的升力矩系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)不明顯,而且寬高比對升力矩系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)沒有影響.抗風(fēng)設(shè)計、分析不考慮升力矩系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)得到的結(jié)果是正確的.Π型斷面規(guī)律類似,不再列舉.3紊流場均勻紊流由格柵產(chǎn)生,改變格柵的柵格尺寸與柵格間距得到不同紊流度ε的均勻紊流場.格柵下游斷面紊流度隨斷面距格柵的距離增加而迅速減小,隨試驗風(fēng)速的增加而減小.格柵存在導(dǎo)致風(fēng)洞阻塞嚴(yán)重,能量損失大,文中沒有選擇更多紊流場.3.1紊流度圖7a為近流線型寬高比B/H=12斷面的阻力系數(shù)—雷諾數(shù)曲線,可見來流中引入紊流度明顯減小了阻力系數(shù),而且紊流度越大,阻力系數(shù)越小.在Re=5×104附近,阻力系數(shù)下降的速度開始減小,并進(jìn)入平臺區(qū).在平臺區(qū),3個紊流度測得的阻力系數(shù)相近,而此處紊流度對阻力系數(shù)的影響較小.由此可見,紊流度可以作為減緩雷諾數(shù)效應(yīng)的有效措施之一.格柵的存在造成風(fēng)洞阻塞度太大(最小的為24%),試驗風(fēng)速很難提高,紊流場中模型的雷諾數(shù)范圍沒能與均勻流一致.圖7b為Π型斷面模型CD—Re曲線.來流的紊流度增加,Π型斷面模型在低雷諾數(shù)的阻力系數(shù)也增加,另外,Π型斷面模型阻力系數(shù)在低雷諾數(shù)區(qū)緩慢增加的趨勢被抑制,取而代之的是阻力系數(shù)近乎常數(shù),使阻力系數(shù)提前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).總之,紊流減小了近流線型斷面的阻力系數(shù),但增加了Π型斷面模型的阻力系數(shù).看來紊流作為控制這2類斷面阻力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)措施是有效的.3.2自適應(yīng)因素試驗條件圖8a為紊流對近流線型斷面升力系數(shù)影響.由圖可見,紊流的確穩(wěn)定了升力的波動,而且3個不同紊流度對升力系數(shù)的影響似乎是相同的.因此,只要來流中引入適當(dāng)?shù)奈闪?如紊流度ε>0.04,就可以抑制升力系數(shù)隨雷諾數(shù)的波動.紊流并沒有大幅度減小升力系數(shù),而只是改變升力系數(shù)隨雷諾數(shù)的波動,這與試驗的本意不謀而合.圖8b為Π型斷面在紊流場及均勻流場中升力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化,可見紊流場對Π型斷面升力系數(shù)的影響與近流線型斷面相似.紊流同樣穩(wěn)定了升力系數(shù)隨雷諾數(shù)的波動,但紊流度也改變了升力系數(shù)的大小.因試驗條件所限,升力系數(shù)出現(xiàn)波動的地方?jīng)]有數(shù)據(jù)補(bǔ)充.同樣,紊流可以有效減小近流線型斷面升力系數(shù)—雷諾數(shù)曲線的波動,改善升力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng).4低雷諾數(shù)風(fēng)洞實驗的未盡事宜(1)近流線型橋梁斷面,阻力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)非常顯著;Π型斷面的阻力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)與近流線型斷面規(guī)律相反,Π型斷面阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)增加而增加.低雷諾數(shù)風(fēng)洞試驗得到的Π型斷面阻力系數(shù)代替實橋斷面阻力系數(shù)進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計、分析時偏于危險;近流線型斷面的結(jié)果用于橋梁斷面抗風(fēng)設(shè)計、分析時則偏于保守.必須謹(jǐn)慎對待低雷諾數(shù)風(fēng)洞試驗得到的結(jié)果.(2)近流線型斷面的升力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)顯著.低雷諾數(shù)風(fēng)洞實驗得到的升力系數(shù)不可以代替實橋斷面的升力系數(shù),否則得到的誤差是難以預(yù)料的;Π型斷面的升力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)不明顯,在抗風(fēng)設(shè)計、分析中可以忽略升力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng).近流線型斷面以及Π型斷面升力矩系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)不明顯.(3)寬高比對近流線型斷面阻力系數(shù)下降速度有一定的影響.同為近流線型斷面橋梁,寬橋比窄橋的阻力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)顯著;寬高比對Π型斷面的阻力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)影響小,寬高比僅僅影響阻力系數(shù)的大小,橋面越寬,阻力系數(shù)越大.寬高比對