矩形拱肋靜風分離的風-氣-力系數識別

矩形拱肋靜風分離的風-氣-力系數識別

三個靜力系數是橋截面氣動力特征的重要參數。它反映了結構的動態(tài)平衡特征，是研究結構氣動態(tài)問題的基礎。同時它的準確測量對研究結構抖振響應具有重要意義。本文以四川宜賓岷江二橋為工程背景,對拱橋主要受力構件拱肋靜風三分力系數進行了不同流場、不同縮尺比的物理風洞實驗和數值模擬研究分析比較。最后得出了一些有益的結果。宜賓岷江二橋是一座三跨連續(xù)拱橋,每跨均為160m上承式鋼筋混凝土箱形拱結構,橋面全寬24.5m,拱軸線為懸鏈線,計算跨徑l=161.727m,計算矢高f=40.372m,計算矢跨比f/l=1/4,無絞拱。1拱肋節(jié)段模型當一個三維物體被浸沒在氣流中時,流過的氣流將對該物體作用3個力分量和3個力矩分量。由于橋梁結構在橋軸線方向上的尺度比其余兩個方向大很多,可以將作用在橋梁結構上的風荷載簡化為3個分量,即升力、阻力和升力矩,拱肋斷面風荷載分量見圖1。拱肋斷面靜風三分力系數,在風軸系和體軸系中可以表示如下:CL=2LρU2B或CV=2FVρU2BCD=2DρU2H或CH=2FHρU2HCL=2LρU2B或CV=2FVρU2BCD=2DρU2Η或CΗ=2FΗρU2ΗCM=2MρU2B2(1)CΜ=2ΜρU2B2(1)其中,線WN為拱軸線。面PQRS為拱軸線O點的法向斷面。在風軸系和體軸系中拱肋三分量均在法向斷面定義。ρ為空氣密度;B為結構豎向投影;H為結構側向投影高度;CL、CD分別為風軸系中升力、阻力系數;CV、CH分別為體軸系中升力、阻力系數;CM為升力矩系數;αe為風攻角,表示來流風速與拱軸線O點切向平面的夾角;β為風偏角,表示來流風平面與拱軸線O點法向平面的夾角。由于岷江二橋拱肋軸線為懸鏈線,拱肋截面法線沿跨徑變化。為了獲得各個截面拱肋的三分力系數,在風洞試驗中,將懸鏈線拱軸等效成圓弧拱軸,并將圓弧對稱等分為19段,每段圓弧的對應圓心角Δγ≈5°,相應的圓弧長度為ΔS=8.829m,幾何縮尺比為1∶12.5,見圖2。有機玻璃模型測力風洞試驗是在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ—2風洞中進行的。該風洞試驗段寬3m、高2.5m、長15m,最大試驗風速60m/s。測力天平為外支浮框六分量應變天平,測力系統(tǒng)由浮框式天平、偏轉角(α角)轉盤、天平放大器、A/D轉換器及數據采集處理計算機等組成。由于模型采用立式底支測量,通過α偏角轉盤的角度變換,就可得到拱肋的不同風攻角α,本次試驗的攻角變化范圍為α=-10°～+10°。模型模擬不同拱肋截面傾角是通過可轉動支桿來實現(xiàn)的,本次試驗的傾角變化范圍為θ=0°～45°(Δθ=5°)。風洞試驗流場為均勻流Iu≤1%,試驗風速U=15m/s,拱肋節(jié)段模型測力系統(tǒng)如圖3。測力節(jié)段模型由型鋼框架外覆有機玻璃板制成,其外形與實橋拱肋完全相似。風洞試驗時將測力模型通過可轉動的支桿連接到測力天平上,而上下兩個補償模型則單獨固定在與測力天平分離的轉盤上。2地層模型及紊流場測量木模型測力風洞試驗是在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ—1風洞中進行的。該風洞試驗段寬1.8m、高1.8m、長14m,可調風速1m/s至30m/s。測力系統(tǒng)由底支式五分量測力天平、直流穩(wěn)壓電源、電壓放大器、NI采樣板和計算機數據采集系統(tǒng)等組成。在風洞試驗中,僅選取了圖2所示拱頂位置處的一段,本次試驗的傾角θ=0°,本次試驗的攻角變化范圍為α=-9°～+9°。幾何縮尺比為1∶10。風洞試驗流場分均勻流與紊流場兩種流場。均勻流場Iu≤1%,均勻流場風速U=10m/s;紊流場Iu=11.5%,流場風速U=8m/s。拱肋節(jié)段模型測力系統(tǒng)見圖4。紊流場采用前置鋁合金矩形材格柵形成被動紊流,通過改變柵條橫向凈距及柵條自身寬度改變紊流度。格柵示意圖見圖5。實驗中采用丹麥DANTEC公司的二維熱線風速儀,采樣頻率100Hz,采樣時間60s,在格柵后面距離3.4m處(安裝模型處)設置測點。除了在風洞截面中心布置測點外,為了檢驗流場的均勻性,在距離風洞截面中心20cm、40cm和60cm處也要進行測量。以風洞截面中心為原點,測點布置坐標如圖6所示。紊流場沿風洞截面豎向布置的4個測點紊流度Iu基本一致,而水平向的4個測點紊流度有差別,越靠近風洞洞壁,紊流度越大,尤其是坐標為(60,0)的測點與截面中心點的紊流度差值超過0.05,但可以認為靠近風洞中心左右距離80cm范圍內的紊流度是均勻的。根據格柵紊流場的測試結果,格柵紊流場對應的紊流度和紊流積分尺度見表1,檢驗風速為5m/s。5m/s來流平均風速下,兩類紊流場風譜函數特征見圖7。3試驗結果分析有機玻璃模型節(jié)段測力風洞試驗共模擬了10種不同的拱肋位置,并分別用拱軸線切線夾角β=0°、5°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°表示,風洞試驗還模擬從-10°到+10°共21個整數度風攻角α。α=0°風攻角下10個拱肋節(jié)段模型的三分力,具體試驗結果來自于文獻,匯總見表2。采用計算流體動力學(CFD)方法分析計算靜止或振動橋梁構件周圍的氣流,積分橋梁構件表面的壓力,可得到抗風性能分析所需的基本參數。對拱肋斷面采用FEM2D軟件進行了氣動參數識別。0°攻角時拱肋斷面周圍的壓強分布見圖8。拱頂節(jié)段有機玻璃(均勻流場)、拱頂節(jié)段木模型(均勻流場)、拱頂節(jié)段木模型(紊流場)風洞試驗結果和拱頂節(jié)段數值模擬三分力系數結果見圖9。矩形拱肋靜風三分力系數測力風洞試驗與數值模擬結果分析如下:1)不同流場、不同縮尺比模型風洞試驗與數值模擬識別出的靜力三分力系數結果相差較小。2)由于拱肋截面接近矩形,截面高寬比較大h/b=0.6875,因此,定常氣動力以阻力為主,且阻力系數在不同風攻角下的幅值變化不大。3)在不同風攻角下,升力系數和升力矩系數數值較小,幅值變化也不大。4)從木模型的阻力系數變化曲線可以看出,在相同試驗條件下,紊流場下