斜拉索阻力系數(shù)的風(fēng)洞試驗研究

斜拉索阻力系數(shù)的風(fēng)洞試驗研究

0斜拉索上的風(fēng)荷載大交叉斜拉橋傾向于采用近畿平流和薄索系統(tǒng)。傾斜橋的跨度越大，風(fēng)荷載的影響越大。斜拉橋的跨度也對斜拉橋和主梁的風(fēng)負(fù)荷的影響有很大影響。例如，在1000米的傾斜橋上，斜拉橋的風(fēng)負(fù)荷與主梁的風(fēng)荷載相同，斜拉索的風(fēng)負(fù)荷也傾向于變得更大。因此，正確確定斜拉索的風(fēng)負(fù)荷和主梁的風(fēng)負(fù)荷具有相同的重要性。過去，斜拉索風(fēng)負(fù)荷沒有得到充分的研究，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中往往進(jìn)行得很好地預(yù)測。《道路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》規(guī)定，當(dāng)電纜連接的中心距離超過4m時，應(yīng)獨立考慮每根電纜的風(fēng)負(fù)荷，其阻力系數(shù)為0.7。當(dāng)主電纜中心距離不到直徑的4倍時，無需加載兩根電纜，但根據(jù)阻力系數(shù)為1.0的電纜進(jìn)行計算。這無法滿足斜率橋的設(shè)計要求。因此，有必要研究斜率提升橋的風(fēng)負(fù)荷。在本文中，我們使用風(fēng)洞測試方法研究了四種不同的表面措施，包括光束、三種抗風(fēng)振動措施（2種螺旋線提升法和1種凹形提升法），包括20、40、60和90的阻力系數(shù)。阻力系數(shù)Cd的計算公式如下:Cd(α)=Fx12ρU2DL(1)Cd(α)=Fx12ρU2DL(1)式中:Fx為天平測得的x方向上(來流方向)的氣動力;ρ和U分別為空氣密度和來流速度;L和D分別為模型的長度和直徑.通過試驗確定了拉索的阻力系數(shù),則由式(1)通過簡單變換可以計算出作用于拉索上的靜風(fēng)荷載.1試驗?zāi)Ｐ偷慕⒃囼炘谕瑵?jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室TJ-2風(fēng)洞中進(jìn)行.該風(fēng)洞試驗段長15m、寬3m、高2.5m.空風(fēng)洞風(fēng)速1.0～68m/s連續(xù)可調(diào),紊流度ε<0.8%.風(fēng)洞距進(jìn)口2.15m和10.5m處分別設(shè)有可變換轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)盤,該試驗在第一轉(zhuǎn)盤處進(jìn)行.測力系統(tǒng)由1臺浮框式六分量應(yīng)變天平、1臺框式六分量應(yīng)變天平、應(yīng)變放大器、A/D轉(zhuǎn)換器和微機(jī)組成.其中浮框式天平阻力方向的最大量程為100kg,框式天平阻力方向最大量程為50kg.圖1(a)給出了試驗裝置安裝示意,圖1(b)為風(fēng)洞中的試驗裝置照片.本試驗采用了拉索兩端測力的外式天平測力方案,下端天平在風(fēng)洞底板下方,上端天平置于風(fēng)洞內(nèi).為避免風(fēng)場干擾,上端天平及其支撐機(jī)構(gòu)用擋風(fēng)罩與風(fēng)場隔離.為了保證測量的精度,被測拉索的兩端設(shè)置了形狀相同的補(bǔ)償模型.拉索模型由薄壁鋼管外擠PE形成,包括1種光面、1種壓痕凹坑、2種螺旋線索.其中螺旋線索采用雙螺旋線,順時針繞向,螺距為8倍拉索直徑,螺旋線直徑分別為2mm和4mm.壓痕凹坑索為在拉索表面按照一定的排列方式布置壓痕凹坑,本試驗中壓痕凹坑的覆蓋率為5%左右.由于圓形截面阻力系數(shù)具有明顯的雷諾數(shù)Re效應(yīng),為了消除這一影響,拉索模型的直徑為139mm,與實索直徑相當(dāng).模型長度根據(jù)不同的傾角有所不同,隨著傾角的增加分別為3.2m、2.2m、1.7m和2.2m.2索、1種凹坑索和索共進(jìn)行了4種拉索模型,(1種光索、2種螺旋線索、1種凹坑索)在傾角20°,40°,60°和90°下的風(fēng)洞測力試驗.風(fēng)速范圍15～55m/s,間隔5m/s.試驗工況如表1所示.3陸相傾角為基礎(chǔ)的螺旋線拉索模型和螺旋線模型的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化情況下,一般通過模型結(jié)構(gòu)參數(shù)不斷地試驗結(jié)果見圖2～圖5.由以上結(jié)果可以看出,直立拉索模型,即傾角90°拉索模型的阻力系數(shù)具有明顯的雷諾數(shù)效應(yīng).但加了表面措施的拉索模型與光面拉索模型相比,雷諾數(shù)效應(yīng)已經(jīng)不是那么顯著.而且隨著模型傾角的降低,阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化也逐漸趨于平緩.當(dāng)雷諾數(shù)大于4.6×105時,阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化已經(jīng)很小.同時可以看出,在多數(shù)情況下,光面拉索模型的阻力系數(shù)比加了表面措施的拉索模型阻力系數(shù)要小.螺旋線拉索模型,在相同的條件下,即相同的螺距和傾角下,螺旋線直徑越大,阻力系數(shù)也越大.凹坑拉索模型的阻力系數(shù)在多數(shù)情況下比螺旋線索模型略小.以上結(jié)果為來流指向拉索上升方向.同時還進(jìn)行了來流指向拉索下降方向的試驗.試驗結(jié)果表明,兩種情況下拉索的阻力系數(shù)相差很小.限于篇幅不再給出來流指向拉索下降方向的試驗結(jié)果.4拉索傾角隨相轉(zhuǎn)移的特性假設(shè)拉索傾角為0°時,斜拉索的阻力系數(shù)Cd≈0,根據(jù)傾角為20°,40°,60°,以及90°的試驗結(jié)果,可以進(jìn)行曲線擬合,從而推算斜拉索在各種傾角下的阻力系數(shù).考慮到阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化規(guī)律,選取風(fēng)速為55m/s,相應(yīng)的雷諾數(shù)為5.1×105的試驗數(shù)據(jù),這在工程應(yīng)用上更有意義.試取擬合公式:Cd=Asin2α(2)式(2)與采用多項式擬合及其他擬合公式相比,能更好地反映阻力系數(shù)隨拉索傾角變化的規(guī)律.其中,A為拉索的表面參數(shù),其取值為:光索A=0.6;螺旋線索1,A=0.7;螺旋線索2,A=0.8;凹坑索,A=0.65.α為斜拉索傾角.由所取的擬合公式(2),可以得到如圖6～圖9所示的結(jié)果.可以看出,除了光索由于雷諾數(shù)效應(yīng)而在超臨界區(qū)偏大外,對于螺旋線索和凹坑索均擬合很好.所給出擬合結(jié)果是偏于安全的.所給擬合結(jié)果的值在拉索傾角小于60°時與《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》中規(guī)定的阻力系數(shù)Cd相比要小很多.而大跨度斜拉橋小傾角拉索長度大,所占的數(shù)量多,采用本文試驗結(jié)果計算出的拉索風(fēng)荷載要比采用《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》中所規(guī)定阻力系數(shù)計算出的拉索風(fēng)荷載減小50%左右.5試驗結(jié)果的工程應(yīng)用(1)阻力系數(shù)隨斜拉索傾角的變化明顯,隨著傾角的增大,阻力系數(shù)增大,具有單調(diào)性.(2)拉索阻力系數(shù)具有明顯的雷諾數(shù)效應(yīng),但加了抗風(fēng)雨振表面措施的拉索阻力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)已經(jīng)沒有光面拉索那么顯著.而且隨著傾角的變小,阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化也趨于緩和.(3)在螺距相同的情況下,螺旋線索的阻力系數(shù)隨著螺旋線直徑的增加而增加.(4)凹坑拉索的阻力系數(shù)在多數(shù)情況下比螺旋線拉索的阻力系數(shù)小,與2mm螺旋線拉索的阻力系數(shù)相差不大.(5)