大跨度剛構(gòu)橋的抗風(fēng)力分異分析

大跨度剛構(gòu)橋的抗風(fēng)力分異分析

0氣動(dòng)措施設(shè)計(jì)背景隨著橋梁直徑的增加，橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的反映程度也越來越敏感。橋梁的風(fēng)抗推擠研究變得越來越重要。越來越多的科學(xué)家通過研究了解了被動(dòng)振動(dòng)和軸激流等結(jié)構(gòu)風(fēng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能。然而，由于結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力穩(wěn)定性可能會(huì)影響靜力穩(wěn)定性，因此有必要研究各種動(dòng)靜措施對(duì)靜態(tài)力系數(shù)的影響。常用到的改善橋梁斷面氣動(dòng)性能的措施有:設(shè)置中央穩(wěn)定板、設(shè)置導(dǎo)流板、中央開槽和改變欄桿透風(fēng)率、變化檢修車軌道位置等.目前,相關(guān)研究一般考慮的是氣動(dòng)控制措施對(duì)于顫振穩(wěn)定性的影響,很少有人去關(guān)注采取氣動(dòng)措施后對(duì)大跨橋梁靜力的影響,這可能是因?yàn)槿藗兤毡檎J(rèn)為大跨徑橋梁的顫振臨界風(fēng)速一般都低于靜力失穩(wěn)風(fēng)速.但是,日本東京大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、西南交通大學(xué)、長安大學(xué)先后在風(fēng)洞試驗(yàn)中觀察到靜風(fēng)失穩(wěn)現(xiàn)象.方明山等亦通過計(jì)算表明了靜風(fēng)失穩(wěn)現(xiàn)象出現(xiàn)的可能性.隨著橋梁的日益長大化,尤其是超大跨懸索橋的進(jìn)一步柔性化,橋梁的靜風(fēng)穩(wěn)定問題將會(huì)顯得十分突出,其靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散的臨界風(fēng)速有可能低于顫振臨界風(fēng)速.同時(shí),在大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)中,風(fēng)荷載是其主要的荷載.因此,筆者通過靜力三分力風(fēng)洞試驗(yàn)量測箱型截面主梁在不同氣動(dòng)措施下的三分力系數(shù),研究其對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響,為氣動(dòng)措施的選取提供一定的參考.1試驗(yàn)部分1.1數(shù)據(jù)測試系統(tǒng)試驗(yàn)在長安大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室CA-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行,該風(fēng)洞是一座回、直流兩用風(fēng)洞,試驗(yàn)段尺寸3m×2.5m×15m.風(fēng)速0～53m/s連續(xù)可調(diào),均勻場紊流度小于0.5%,直流電機(jī)功率為400kW.數(shù)據(jù)測試采集系統(tǒng)由兩根五分量桿式應(yīng)變天平、α角攻角變化機(jī)構(gòu)、應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)據(jù)采集處理器等組成.1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷闹谱鞴?jié)段測力模型與實(shí)橋外形相似,且要有足夠的剛度.雖然對(duì)質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩沒有相似性要求,但由于測力天平量程的限制,質(zhì)量不應(yīng)太大.試驗(yàn)時(shí)將模型端板與外接鋁合金桿固結(jié),由鋁合金桿和天平進(jìn)行連接,天平連接在α機(jī)構(gòu)上.試驗(yàn)采用典型的箱梁斷面主梁.主梁測力節(jié)段模型縮尺比為1∶45,采用泡沫塑料制作模型,內(nèi)嵌鋁合金骨架,環(huán)氧樹脂板覆面加工.模型尺寸長L=2.204m,寬B=0.873m,高H=0.09m.試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行,試驗(yàn)風(fēng)速13m/s,風(fēng)攻角為-10°～10°,間隔1°,試驗(yàn)采樣頻率為100Hz,采樣時(shí)長40s.試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1～5.2u3000回歸系數(shù)主梁靜力三分力示意圖如圖6所示.靜力三分力系數(shù)定義為:CΗ=FΗ0.5ρU2DL?CV=FV0.5ρU2BL?CΜ=ΜΤ0.5ρU2B2L.式中:U為離斷面足夠遠(yuǎn)的上游來流平均風(fēng)速;ρ為空氣密度;CH、CV、CM分別為體軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)與扭矩系數(shù);D、B分別為橋梁斷面高度與寬度.2.1流板加邊導(dǎo)流板位置不同時(shí)主梁的三分力系數(shù)如圖7所示.由圖7可以看出,阻力系數(shù):①加導(dǎo)流板后主梁阻力系數(shù)在負(fù)攻角時(shí)明顯增大,尤其是導(dǎo)流板加在邊上的形式.②正攻角5°以內(nèi)阻力系數(shù)減小,大于5°時(shí)阻力系數(shù)增大;③導(dǎo)流板設(shè)置于中央較設(shè)置于邊上阻力系數(shù)有所降低,減小幅度在4%之內(nèi);④導(dǎo)流板導(dǎo)致主梁阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化越發(fā)不對(duì)稱.升力系數(shù):①導(dǎo)流板加在邊上使主梁升力系數(shù)增大;②中央導(dǎo)流板使主梁升力系數(shù)整體增大.扭矩系數(shù):邊導(dǎo)流板較中央導(dǎo)流板對(duì)主梁扭矩系數(shù)影響較大,加邊導(dǎo)流板后主梁扭矩系數(shù)曲線相對(duì)平緩.2.2主梁阻力中央槽不同開孔率的主梁三分力系數(shù)如圖8所示.由圖8分析如下.阻力系數(shù):①中央開槽后主梁阻力系數(shù)明顯變大;②中央槽開孔率70%較開槽率50%主梁阻力系數(shù)變大,但改變幅度較小;③中央槽開孔率70%和50%較100%時(shí)主梁阻力系數(shù)變化明顯,負(fù)攻角時(shí)明顯變大,較大正攻角時(shí)偏小.升力系數(shù):①中央不開槽時(shí)較開槽時(shí)主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角的增大明顯增大,中央開槽率對(duì)主梁升力系數(shù)影響不明顯;②中央開槽對(duì)主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化曲線斜率影響明顯.扭矩系數(shù):中央不開槽較開槽主梁扭矩系數(shù)變化明顯,中央開槽率大小對(duì)主梁扭矩系數(shù)影響不明顯,負(fù)攻角變化幅度在5%之內(nèi).2.3內(nèi)移不同部位不同的軌道位置布置下的主梁三分力系數(shù)如圖9所示.由圖9可見,阻力系數(shù):①檢修車軌道位置對(duì)主梁阻力系數(shù)影響明顯,檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移7cm較向內(nèi)移3cm時(shí),主梁阻力系數(shù)較之減小明顯;②檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移時(shí),主梁阻力系數(shù)整體減小.升力系數(shù):①檢修車軌道位置對(duì)主梁升力系數(shù)影響明顯,檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移3cm時(shí),主梁升力系數(shù)較之前整體減小0.1左右;②檢修車軌道置外邊緣主梁升力系數(shù)值最大,向內(nèi)側(cè)移時(shí)主梁升力系數(shù)整體減小.扭矩系數(shù):檢修車軌道位置對(duì)主梁扭矩系數(shù)影響明顯,檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移,主梁扭矩系數(shù)整體變小.2.4主梁阻力及升力系數(shù)護(hù)欄對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響如圖10所示:①加護(hù)欄后主梁阻力系數(shù)明顯增大,主梁升力系數(shù)明顯變小;②有欄桿時(shí)橋面氣流受到欄桿的干擾主梁扭矩系數(shù)總體上減小,在-6°～0°范圍內(nèi)主梁扭矩系數(shù)變大.2.5施工及施工階段、施工階段、工程階段的阻力系數(shù)風(fēng)障對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響如圖11所示:①風(fēng)障對(duì)主梁阻力系數(shù)影響明顯,阻力系數(shù)明顯增大,較施工階段增幅為39.6%～111.7%,較成橋階段增幅為21%～44%;②加風(fēng)障后主梁升力系數(shù)曲線斜率減小,值也變小.2.6主梁阻力系數(shù)車輛對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響如圖12所示:①車輛對(duì)有風(fēng)障的主梁形式主梁阻力系數(shù)影響變化不大,主梁阻力系數(shù)整體增大;②有車輛時(shí)主梁升力系數(shù)曲線斜率降低,絕對(duì)值也變小;③有車輛時(shí)主梁扭矩系數(shù)曲線斜率減小,值也變小.3橫向靜風(fēng)荷載靜陣風(fēng)風(fēng)速以及在橫橋向風(fēng)作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載可按下列公式計(jì)算:FΗ=12ρV2gCΗΗ.(1)式中:Vg為靜陣風(fēng)風(fēng)速,m/s;FH為作用在主梁單位長度上的靜風(fēng)荷載,N/m;ρ為空氣密度,kg/m3,取為1.25;CH為主梁的阻力系數(shù);H為主梁投影高度,m,計(jì)入欄桿或防撞護(hù)欄以及其它橋梁附屬物的實(shí)體高度.由式(1)知,橫向靜風(fēng)荷載與阻力系數(shù)成正比.同樣,主梁單位長度上的升力、扭矩計(jì)算如式(2)所示:FV=12ρV2gCVB;ΜΤ=12ρV2gCΜB2.(2)現(xiàn)取Vg=30m/s,以導(dǎo)流板為例計(jì)算主梁單位長度上的靜風(fēng)荷載如圖13所示.由圖13可見,主梁三分力系數(shù)的改變直接影響到主梁所受的靜風(fēng)荷載.導(dǎo)流板的安裝增大了主梁的靜風(fēng)荷載.對(duì)比《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中的汽車荷載,公路Ⅰ級(jí)設(shè)計(jì)荷載qk=10.5kN/m,表明由于導(dǎo)流板的安裝導(dǎo)致的主梁靜風(fēng)荷載的增加不容忽視.4增加主梁阻力系數(shù)(1)導(dǎo)流板會(huì)明顯增大主梁阻力系數(shù);邊導(dǎo)流板會(huì)降低主梁升力系數(shù)及扭矩系數(shù);加邊導(dǎo)流板時(shí)主梁升力系數(shù)、扭矩系數(shù)曲線均較為平緩,此時(shí),主梁開槽對(duì)阻力系數(shù)基本沒有影響,對(duì)升力系數(shù)和扭矩系數(shù)有影響;導(dǎo)流板導(dǎo)致主梁阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化越發(fā)不對(duì)稱.(2)中央開槽會(huì)增大主梁阻力系數(shù),減小主梁升力系數(shù);具體開槽率大小對(duì)主梁三分力系數(shù)影響不大;中央開槽后主梁扭矩系數(shù)曲線不再單調(diào)遞增.(3)檢修車軌道向內(nèi)側(cè)移主梁阻力系數(shù)、扭矩系數(shù)整體變小;主梁升力系數(shù)絕對(duì)值減小.(4)加護(hù)欄后主梁阻力系數(shù)增大,升力系數(shù)減小,扭矩系數(shù)隨風(fēng)攻