大跨徑橋梁風(fēng)洞試驗技術(shù)探討

連宇 胡波 靳衛(wèi)恒

0 引言

風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害中發(fā)生最頻繁的一種,也是給人類生命財產(chǎn)帶來巨大危害的自然災(zāi)害。1940年美國舊塔科馬橋(Old Tacoma Narrows Bridge)因在8級大風(fēng)(17 m/s～20 m/s)作用下發(fā)生強烈的風(fēng)致振動后破壞而引起世人的重點關(guān)注,并最終在橋梁工程師與空氣動力學(xué)專家密切合作下形成了一門新興的邊緣分支學(xué)科——橋梁風(fēng)工程學(xué)。橋梁風(fēng)工程研究在橋址處各種可能的風(fēng)場條件下,橋梁結(jié)構(gòu)的靜力效應(yīng)與動力響應(yīng),為新建橋梁的設(shè)計、施工提供解決方案。大跨柔性橋梁如懸索橋和斜拉橋、剛性橋梁中的柔性構(gòu)件,如拱橋的吊桿等,都必須進(jìn)行橋梁風(fēng)工程的研究。針對研究內(nèi)容,橋梁風(fēng)工程的研究方法主要有三種:理論分析、風(fēng)洞試驗與現(xiàn)場觀測以及數(shù)值模擬,本文將關(guān)于風(fēng)洞試驗的理論及發(fā)展現(xiàn)狀展開闡述。

1 橋梁風(fēng)洞的用途及橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗主要儀器設(shè)備

橋梁風(fēng)洞的主要用途就是為大跨徑橋梁的抗風(fēng)設(shè)計提供參考,又是橋梁風(fēng)致振動研究的主要試驗工具。具體來說橋梁風(fēng)洞具有如下用途:節(jié)段模型試驗、拉條模型試驗、全橋氣動彈性模型試驗、橋位風(fēng)場風(fēng)環(huán)境試驗。橋梁節(jié)段模型試驗可以測得橋梁斷面的三分力系數(shù)、氣動導(dǎo)數(shù)等氣動參數(shù);同時通過節(jié)段模型試驗對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行二自由度的顫振臨界風(fēng)速試驗實測和渦激振動響應(yīng)。在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)初步設(shè)計階段一般都要通過節(jié)段模型試驗來進(jìn)行氣動選型;對于一般大跨度橋梁結(jié)構(gòu)也要通過節(jié)段模型試驗來檢驗其氣動性,因此橋梁結(jié)構(gòu)節(jié)段模型試驗是十分重要的橋梁結(jié)構(gòu)模型試驗,也是應(yīng)用最為廣泛的風(fēng)洞試驗。全橋氣動彈性模型試驗可更為充分的模擬邊界層的紊流,更為直接地模擬橋梁結(jié)構(gòu)在紊流風(fēng)作用下的氣動響應(yīng)。全橋氣動彈性模型試驗可以更為真實地反映橋梁結(jié)構(gòu)在實際大氣層邊界層中的氣動穩(wěn)定性和風(fēng)致振動響應(yīng),對于特別重要的大跨徑橋梁一般都要進(jìn)行全橋模型的風(fēng)洞試驗來檢驗。拉條模型試驗主要作為節(jié)段模型試驗的補充,以測定橋梁主梁在均勻流及紊流下的渦激共振、抖振響應(yīng)和顫振。橋梁風(fēng)洞也可進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)測壓試驗、測振試驗、汽車模型的測力試驗、測壓試驗及流譜觀測試驗。為實現(xiàn)風(fēng)洞試驗的這些功能,必須配備相應(yīng)的試驗設(shè)備:

1)風(fēng)速測量儀器。目前風(fēng)洞試驗中進(jìn)行風(fēng)速測量的主要儀器設(shè)備有皮托管、熱線(膜)風(fēng)速儀等。2)測力試驗設(shè)備。風(fēng)洞天平是風(fēng)洞試驗的主要測力裝置,用于測量作用在試驗?zāi)Ｐ蜕系目諝鈩虞d荷(力的力矩)的大小、方向和作用點。風(fēng)洞天平按其工作原理的不同可分為機(jī)械天平、應(yīng)變天平、壓電天平與磁懸掛天平等。

測壓試驗的主要目的就是通過風(fēng)洞試驗測量結(jié)構(gòu)模型的表面壓力。測壓試驗設(shè)備主要有測壓傳感器、壓力掃描閥系統(tǒng)(機(jī)械、墊子)。

2 測振試驗設(shè)備

橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗除了要檢驗橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的經(jīng)歷效應(yīng),還要進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)致振動效應(yīng)測試。通過對橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的風(fēng)致振動響應(yīng)的實測來檢驗其風(fēng)致振動效應(yīng),相應(yīng)的風(fēng)洞試驗設(shè)備主要有加速傳感器、位移傳感器、高頻動態(tài)測力天平等。

3 數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)

風(fēng)洞試驗要求測量大量的參數(shù),這些參數(shù)包括壓力、力、力矩、位移、加速度等。這些物理量通過各種傳感器輸出電流和頻率等信號,把傳感器送出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,輸入到計算機(jī)存儲,這個過程稱為數(shù)據(jù)采集;把所有采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析、計算、濾波、壓縮、擴(kuò)展和評估以及提取數(shù)據(jù)中包含的信息,并以文字、圖表、圖形或圖像等方式來表達(dá),這個過程統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)是橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗的軟件,其功能直接決定風(fēng)洞試驗的時間。智能化的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)對縮短風(fēng)洞試驗時間,提高試驗準(zhǔn)確性和效率方面具有十分重要的意義。

4 橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)工程試驗新技術(shù)與研究課題

隨著計算機(jī)科學(xué)的發(fā)展,計算流體動力學(xué)(Computation Fluid Dynamics,CFD)在橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)工程的應(yīng)用越來越廣,并在大跨度橋梁的方案設(shè)計中嶄露頭角,但大跨度橋梁的設(shè)計仍然離不開風(fēng)洞試驗,對于特別重要的橋梁還要進(jìn)行風(fēng)洞試驗來檢驗其抗風(fēng)安全性。如下歸納了在這一學(xué)科領(lǐng)域中的熱點、難點、重點的技術(shù)與課題:

1)橋梁斷面氣動導(dǎo)數(shù)的識別是橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的一個熱點問題。橋梁截面因荷載與施工方法不同而有變化不同的多樣形狀,如箱梁、桁架、開口邊主梁等。這些截面因風(fēng)向有多向性和多變性,而不能制成完全流線型截面,甚至是完全的鈍體。因此,橋梁截面的顫振導(dǎo)數(shù)識別仍有許多問題有待研究和解釋,例如,顫振導(dǎo)數(shù)識別結(jié)果呈現(xiàn)較大的波動性,試驗重復(fù)性也不好等等。用顫振導(dǎo)數(shù)表示氣動自激力的基本假定是氣動自激力是顫振導(dǎo)數(shù)的線性函數(shù)或非常近乎線性函數(shù)。在節(jié)段模型風(fēng)洞強迫振動試驗中發(fā)現(xiàn),即使在小幅振動下,鈍體橋梁截面的氣動自激力也已呈現(xiàn)出非常明顯的非線性性質(zhì)。對這樣的截面,用一個顫振導(dǎo)數(shù)的線性函數(shù)去逼近真實的氣動力,自然有本質(zhì)上的困難,容易導(dǎo)致識別結(jié)果的不穩(wěn)定以及不同識別方法之間的顯著差別。截至目前為止,仍只有理想平板斷面的顫振導(dǎo)數(shù)具有理論解。近年發(fā)展起來的計算流體力學(xué)(CFD)技術(shù),已經(jīng)可以用數(shù)值模擬手段計算出一些斷面的顫振導(dǎo)數(shù),但離實際應(yīng)用仍有一定距離。因此,獲取橋梁斷面顫振導(dǎo)數(shù)的主要途徑仍是節(jié)段模型風(fēng)洞試驗。2)橋梁斷面的氣動導(dǎo)納識別試驗研究是一個十分難的課題,而且氣動導(dǎo)納識別對于分析橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)又十分重要,其目前是橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的一個熱點,也是一個難點。橋梁斷面氣動導(dǎo)納是反映橋梁結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的風(fēng)速與作用于其上的抖振力之間關(guān)系的函數(shù),受橋梁斷面形狀、氣流分離以及來流脈動等因素影響,同時如果從風(fēng)洞試驗實測氣動導(dǎo)納,則還與模型自身的振動頻率有關(guān)。3)橋梁斷面的雷諾數(shù)效應(yīng)試驗所研究的雷諾數(shù)效應(yīng)在大跨度橋梁抗風(fēng)設(shè)計中影響氣動參數(shù),需要重點考慮。國內(nèi)外的研究表明,近流線型閉口扁平箱形斷面的風(fēng)洞試驗結(jié)構(gòu)受到雷諾數(shù)效應(yīng)的影響。同濟(jì)大學(xué)在對近流線型和∏型斷面的系列研究中發(fā)現(xiàn),無論是近流線型還是鈍體斷面都存在雷諾數(shù)效應(yīng),不同形狀斷面的雷諾數(shù)效應(yīng)的規(guī)律是不同的。4)橋梁抗風(fēng)設(shè)計的主要目標(biāo)就是確保橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全,而由于影響橋梁結(jié)構(gòu)開放性能的諸多因素具有不確定性,所以橋梁斷面氣動參數(shù)的不確定性實驗研究就顯得十分重要了。而其中,關(guān)于風(fēng)與結(jié)構(gòu)相互作用的不確定性主要可以從結(jié)構(gòu)的三分力系數(shù)、斯托羅哈數(shù)(St)以及氣動導(dǎo)數(shù)幾個方面來考慮。對于大跨度橋梁而言,主梁三分力系數(shù)、橋塔阻力系數(shù)以及主纜(或斜拉索)阻力系數(shù)對橋梁的安全性與經(jīng)濟(jì)性具有重要的影響,影響橋梁與其他結(jié)構(gòu)空氣力系數(shù)的因素和涉及面較廣,與結(jié)構(gòu)的型體、姿態(tài)、氣流和構(gòu)造物的狀態(tài)有關(guān)。通過風(fēng)洞試驗來研究橋梁結(jié)構(gòu)的氣動參數(shù)的變異性對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)設(shè)計十分重要,是橋梁抗風(fēng)設(shè)計方法由確定性向不確定性過渡的基礎(chǔ),也是橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)研究的一個重要課題。

5 結(jié)語

本文主要就橋梁風(fēng)工程風(fēng)洞試驗的理論基礎(chǔ)、設(shè)備和數(shù)值分析的發(fā)展現(xiàn)狀作了介紹;最后就橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)工程試驗新技術(shù)與研究課題簡要作了歸納。隨著我國交通事業(yè)的迅速發(fā)展,大跨徑橋梁的建設(shè)已是今后我國橋梁工程發(fā)展的動向之一。至今我國已修建了為數(shù)甚多的各種類型的大跨徑橋梁,其中也包括不少世界級水平的長橋大橋,但與國外相比,在抗風(fēng)制振措施上還考慮得有限。大跨徑橋梁的建設(shè)將不可能回避也必須慎重考慮抗風(fēng)設(shè)計及制振措施。特大跨度橋梁風(fēng)致振動控制技術(shù)將成為研究的熱點,試驗仍將以風(fēng)洞為依托,隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷更新、進(jìn)步,數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)可望有新的突破。

[1] 項海帆.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南[M].北京:人民交通出版社,1996.

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