斜風(fēng)下大跨度橋梁主梁的分級系數(shù)

斜風(fēng)下大跨度橋梁主梁的分級系數(shù)

鄂東長江公路大橋位于湖北省黃石江路上游。該橋是一座傾斜的傾斜鋼混凝土橫截面，長926米，屬于公里級斜壩橋。在大跨橋的設(shè)計步驟中，在確定橋的位置和軸的走向時，通常會故意使橋的法律方向盡可能偏離主風(fēng)的方向。因此，風(fēng)的方向通常由一個特定的角度來確定，這被一些大橋場的實測結(jié)果所證實?？紤]到鄂東長江公路大橋的較大橫跨，有必要在設(shè)計階段獲得提升斜風(fēng)的三個力系數(shù)，并計算靜風(fēng)風(fēng)荷載。目前，除朱樂東外，中國學(xué)術(shù)界還采用了一種類似的處理方法，即斜風(fēng)分解法。斜風(fēng)分解法將斜風(fēng)分解為與橋跨的法向角和橋跨的平行分量。對于大跨橋，斜風(fēng)分解法對靜風(fēng)荷載的計算沒有影響；然而，在大的交叉橋上，靜風(fēng)負荷通常是設(shè)計的主要控制負荷之一。斜風(fēng)分解法可能不適合進行。在這種情況下，本工作中制作了一套測量系統(tǒng)，通過風(fēng)洞試驗，在湖北東部的長江公路上的風(fēng)角為0、15、30和45。斜風(fēng)下主梁的三個力系數(shù)，并將獲得的結(jié)果與傳統(tǒng)的斜風(fēng)分解法獲得的結(jié)果進行了比較。1風(fēng)洞測試總結(jié)1.1大橋總體布置和結(jié)構(gòu)布置擬建的鄂東長江公路大橋是滬蓉國道主干線湖北省東段和國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中大慶至廣州公路湖北段共同跨越長江的通道.大橋主跨為926m,跨徑布置為:72.5m+3×67.5m+926m+3×67.5m+72.5m=1476m,其主跨僅次于目前正在建設(shè)的蘇通長江公路大橋(主跨為1088m)和香港昂船洲大橋(主跨為1018m),主梁斷面采用分離雙箱斷面,邊跨主梁為混凝土,主跨主梁為鋼.橋塔為鉆石型,浠水側(cè)塔高為242.5m,黃石側(cè)塔高為236.5m,圖1和圖2分別為大橋的總體布置和主梁截面.1.2試驗架和模型如圖3所示,測力系統(tǒng)由試驗?zāi)Ｐ秃驮囼灱軆刹糠纸M成.與傳統(tǒng)的直立模型測力不同,試驗?zāi)Ｐ褪撬椒胖迷谠囼灱苌系?縮尺比為1∶50,分為3段,中間段為測力模型,長度為1m,兩側(cè)為補償模型,長度均為0.5m.補償模型與測力模型凈間距約為5mm.補償模型的作用是減輕測力模型端部繞流及端部風(fēng)阻力的影響,提高測定結(jié)果的精度.試驗架分上中下3部分,上面部分通過螺釘穿孔可把試驗架和木質(zhì)模型固接;中間部分為直徑稍小的圓鋼管,其頂端通過螺栓與上面部分連接,底端插入下面部分圓鋼管中并通過套環(huán)與之固緊,通過控制插入深度可以調(diào)節(jié)模型和來流風(fēng)的相對位置以改變風(fēng)攻角;下面部分為直徑較大的圓鋼管和鋼條的組合構(gòu)架,通過螺栓和風(fēng)洞底板轉(zhuǎn)盤固接.中間的試驗架與底板中央的小轉(zhuǎn)盤連接,兩側(cè)的試驗架與大轉(zhuǎn)盤連接.試驗過程中3個試驗架及其上面的試驗?zāi)Ｐ涂赏ㄟ^計算機終端控制繞小轉(zhuǎn)盤中心同步轉(zhuǎn)動,以達到調(diào)節(jié)風(fēng)偏角的目的.測力天平置于小轉(zhuǎn)盤下面并與之剛性固接,可測得風(fēng)對上面構(gòu)件各個方向的作用力.本套測力系統(tǒng)構(gòu)造簡單,最大的一個特點就是在測力過程中可以迅速地實現(xiàn)風(fēng)攻角和風(fēng)偏角的改變,給風(fēng)洞試驗帶來方便.1.3三大因素的定義和數(shù)據(jù)分析的變化1.3.1主梁高度、寬度和長度斜風(fēng)下橋梁主梁所受的按風(fēng)軸坐標(biāo)系定義的三分力系數(shù)的定義如下:CD=2FD/ρU2DL;(1)CL=2FL/ρU2BL;(2)CM=2M/ρU2B2L.(3)式中:D,B,L分別為橋梁主梁的高度、寬度和長度;U為來流風(fēng)速;ρ為空氣密度;取2.225kg/m3;三分力FD,FL,M分別為平行橋跨法向的阻力、垂直橋面向上的升力和由二者產(chǎn)生的力矩.風(fēng)攻角α是指來流的平均風(fēng)方向與橋面之間的夾角,風(fēng)偏角β是指來流的平均風(fēng)方向與橋跨的法向之間的水平夾角.1.3.2試驗過程中測力模型的建立鄂東長江公路大橋斜風(fēng)下主梁三分力系數(shù)測定試驗在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心HD-2風(fēng)洞高速段進行,試驗風(fēng)速為15m/s,順風(fēng)向紊流度約為0.4%,風(fēng)攻角α為-5°～5°,間隔為1°,風(fēng)偏角β為0°,15°,30°和45°.試驗分兩個大步驟:首先使試驗架與試驗?zāi)Ｐ凸探?如圖4(a)所示,測定中間試驗架與測力模型在各風(fēng)攻角、風(fēng)偏角下共同所受的三分力,設(shè)分別為F1DD1,F1LL1,M1.然后使試驗架與試驗?zāi)Ｐ吞摻佑|,如圖4(b)所示,測定中間試驗架在試驗?zāi)Ｐ透蓴_下各風(fēng)攻角、風(fēng)偏角對應(yīng)的三分力,設(shè)分別為F2DD2,F2LL2,M2.完成以上兩步驟后,實際所需的的測力模型在各風(fēng)攻角、風(fēng)偏角下所受的三分力FD,FL,M則可由式(4)得到:(FD,FL,M)T=(F1DD1,F1LL1,M1)T-(F2DD2,F2LL2,M2)T-(0,0(F2DD2-F2DD2)×H)T.(4)式中最后一項(0,0(F2DD2-F2DD2)×H)T是考慮模型水平放置時天平所測的升力矩不是以測力模型形心為軸而進行的修正.H為測力模型形心到天平中心的垂直高度,在試驗過程中可以很方便地測量.得到了測力模型在各風(fēng)攻角、風(fēng)偏角下所受的三分力FD,FL和M,就可以由公式(1)～(3)很方便地得到主梁的三分力系數(shù).1.4實驗設(shè)計結(jié)果考慮到用本風(fēng)洞試驗中的測力系統(tǒng)得到的最終結(jié)果實際上是試驗架干擾下的主梁的三分力,因此十分有必要對測力系統(tǒng)的可靠性進行檢驗,以確保試驗架的干擾對結(jié)果的影響可以忽略.為此制作了縮尺比為1∶50,長度為2m的測力模型,用直立模型的傳統(tǒng)方法測定了風(fēng)偏角β=0°時鄂東長江公路大橋主梁的三分力系數(shù),試驗風(fēng)速為15m/s,風(fēng)攻角α為-5°～5°,間隔為1°.模型直立照片及風(fēng)偏角β=0°時模型直立測定結(jié)果與測力系統(tǒng)水平放置模型測定結(jié)果的對比見圖5.從圖中可以看到,用2種方法所得到的三分力系數(shù)除升力系數(shù)稍有差別外均吻合得很好,這說明試驗架的干擾對主梁三分力的影響非常小,用測力系統(tǒng)得到的測定結(jié)果是可靠的.2斜風(fēng)分解法的試驗和試驗2.1斜風(fēng)下風(fēng)偏角鄂東長江公路大橋斜風(fēng)下主梁的三分力系數(shù)結(jié)果如圖6所示,可以看到:斜風(fēng)下的三分力系數(shù)較風(fēng)垂直橋梁軸線作用時的三分力系數(shù)有所減小,風(fēng)偏角越大,減小得越多.隨著風(fēng)偏角的增大,呈U形的阻力系數(shù)曲線開口越來越大,升力系數(shù)曲線和升力矩系數(shù)曲線的斜率越來越小.2.2斜風(fēng)下主梁的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析為了更好地把用測力系統(tǒng)得到的三分力系數(shù)與用傳統(tǒng)的斜風(fēng)分解法得到的三分力系數(shù)進行對比,特定義以下3個系數(shù)比:Ri(α,β)=Ci(α,β)/(Ci(α,0)cos2β),i=D,L,M.(5)式中:Ci(α,β)和Ci(α,0)分別是用測力系統(tǒng)得到的風(fēng)攻角為α風(fēng)偏角為β時的三分力系數(shù)和風(fēng)攻角為α風(fēng)偏角為0°時的三分力系數(shù).圖7給出的是3個系數(shù)比隨風(fēng)偏角的變化曲線.風(fēng)攻角α選取0°,3°,-3°,5°和-5°.根據(jù)斜風(fēng)分解法,斜風(fēng)下主梁的三分力系數(shù)與風(fēng)垂直橋梁軸線作用下主梁的三分力系數(shù)存在以下關(guān)系:(CD,CL,CM)T(α,β)=(CD,CL,CM)T(α,0)cos2β.(6)式中:CD,CL,CM分別為阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù);α,β分別為風(fēng)攻角和風(fēng)偏角.因此,任一風(fēng)攻角、風(fēng)偏角對應(yīng)3個系數(shù)比都應(yīng)該為1.然而,從圖中可以看到,實際得到的3個系數(shù)比卻不為1,風(fēng)偏角越大,偏離1的幅度越大,到β=45°時個別攻角下的阻力系數(shù)比、升力系數(shù)比和升力矩系數(shù)比甚至達到了1.5,0.6和3.5.以上的對比分析說明基于用傳統(tǒng)的斜風(fēng)分解法得到的三分力系數(shù)進行斜風(fēng)下大跨度橋梁主梁風(fēng)荷載計算是不合適的,必須通過風(fēng)洞試驗實測斜風(fēng)下主梁的三分力系數(shù).3梁高梁主梁自適應(yīng)斜風(fēng)下主梁自適應(yīng)本文制作了一套測力系統(tǒng),測定了主跨為926m的鄂東長江公路大橋在風(fēng)偏角為0°,15°,30°和45°斜風(fēng)下