大跨徑橋梁風洞試驗技術探討

連宇 胡波 靳衛恒

0 引言

風災是自然災害中發生最頻繁的一種,也是給人類生命財產帶來巨大危害的自然災害。1940年美國舊塔科馬橋(Old Tacoma Narrows Bridge)因在8級大風(17 m/s～20 m/s)作用下發生強烈的風致振動后破壞而引起世人的重點關注,并最終在橋梁工程師與空氣動力學專家密切合作下形成了一門新興的邊緣分支學科——橋梁風工程學。橋梁風工程研究在橋址處各種可能的風場條件下,橋梁結構的靜力效應與動力響應,為新建橋梁的設計、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件,如拱橋的吊桿等,都必須進行橋梁風工程的研究。針對研究內容,橋梁風工程的研究方法主要有三種:理論分析、風洞試驗與現場觀測以及數值模擬,本文將關于風洞試驗的理論及發展現狀展開闡述。

1 橋梁風洞的用途及橋梁結構風洞試驗主要儀器設備

橋梁風洞的主要用途就是為大跨徑橋梁的抗風設計提供參考,又是橋梁風致振動研究的主要試驗工具。具體來說橋梁風洞具有如下用途:節段模型試驗、拉條模型試驗、全橋氣動彈性模型試驗、橋位風場風環境試驗。橋梁節段模型試驗可以測得橋梁斷面的三分力系數、氣動導數等氣動參數;同時通過節段模型試驗對橋梁結構進行二自由度的顫振臨界風速試驗實測和渦激振動響應。在大跨度橋梁結構初步設計階段一般都要通過節段模型試驗來進行氣動選型;對于一般大跨度橋梁結構也要通過節段模型試驗來檢驗其氣動性,因此橋梁結構節段模型試驗是十分重要的橋梁結構模型試驗,也是應用最為廣泛的風洞試驗。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構在紊流風作用下的氣動響應。全橋氣動彈性模型試驗可以更為真實地反映橋梁結構在實際大氣層邊界層中的氣動穩定性和風致振動響應,對于特別重要的大跨徑橋梁一般都要進行全橋模型的風洞試驗來檢驗。拉條模型試驗主要作為節段模型試驗的補充,以測定橋梁主梁在均勻流及紊流下的渦激共振、抖振響應和顫振。橋梁風洞也可進行建筑結構測壓試驗、測振試驗、汽車模型的測力試驗、測壓試驗及流譜觀測試驗。為實現風洞試驗的這些功能,必須配備相應的試驗設備:

1)風速測量儀器。目前風洞試驗中進行風速測量的主要儀器設備有皮托管、熱線(膜)風速儀等。2)測力試驗設備。風洞天平是風洞試驗的主要測力裝置,用于測量作用在試驗模型上的空氣動載荷(力的力矩)的大小、方向和作用點。風洞天平按其工作原理的不同可分為機械天平、應變天平、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洞試驗測量結構模型的表面壓力。測壓試驗設備主要有測壓傳感器、壓力掃描閥系統(機械、墊子)。

2 測振試驗設備

橋梁結構風洞試驗除了要檢驗橋梁結構在風作用下的經歷效應,還要進行橋梁結構的風致振動效應測試。通過對橋梁結構關鍵部位的風致振動響應的實測來檢驗其風致振動效應,相應的風洞試驗設備主要有加速傳感器、位移傳感器、高頻動態測力天平等。

3 數據處理分析系統

風洞試驗要求測量大量的參數,這些參數包括壓力、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換成數字信號,輸入到計算機存儲,這個過程稱為數據采集;把所有采集到的數據進行整理、分析、計算、濾波、壓縮、擴展和評估以及提取數據中包含的信息,并以文字、圖表、圖形或圖像等方式來表達,這個過程統稱為數據處理。數據處理和分析系統是橋梁結構風洞試驗的軟件,其功能直接決定風洞試驗的時間。智能化的數據采集和處理系統對縮短風洞試驗時間,提高試驗準確性和效率方面具有十分重要的意義。

4 橋梁結構風工程試驗新技術與研究課題

隨著計算機科學的發展,計算流體動力學(Computation Fluid Dynamics,CFD)在橋梁結構風工程的應用越來越廣,并在大跨度橋梁的方案設計中嶄露頭角,但大跨度橋梁的設計仍然離不開風洞試驗,對于特別重要的橋梁還要進行風洞試驗來檢驗其抗風安全性。如下歸納了在這一學科領域中的熱點、難點、重點的技術與課題:

1)橋梁斷面氣動導數的識別是橋梁結構抗風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,橋梁截面的顫振導數識別仍有許多問題有待研究和解釋,例如,顫振導數識別結果呈現較大的波動性,試驗重復性也不好等等。用顫振導數表示氣動自激力的基本假定是氣動自激力是顫振導數的線性函數或非常近乎線性函數。在節段模型風洞強迫振動試驗中發現,即使在小幅振動下,鈍體橋梁截面的氣動自激力也已呈現出非常明顯的非線性性質。對這樣的截面,用一個顫振導數的線性函數去逼近真實的氣動力,自然有本質上的困難,容易導致識別結果的不穩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數具有理論解。近年發展起來的計算流體力學(CFD)技術,已經可以用數值模擬手段計算出一些斷面的顫振導數,但離實際應用仍有一定距離。因此,獲取橋梁斷面顫振導數的主要途徑仍是節段模型風洞試驗。2)橋梁斷面的氣動導納識別試驗研究是一個十分難的課題,而且氣動導納識別對于分析橋梁結構抖振響應又十分重要,其目前是橋梁結構抗風研究的一個熱點,也是一個難點。橋梁斷面氣動導納是反映橋梁結構所對應的風速與作用于其上的抖振力之間關系的函數,受橋梁斷面形狀、氣流分離以及來流脈動等因素影響,同時如果從風洞試驗實測氣動導納,則還與模型自身的振動頻率有關。3)橋梁斷面的雷諾數效應試驗所研究的雷諾數效應在大跨度橋梁抗風設計中影響氣動參數,需要重點考慮。國內外的研究表明,近流線型閉口扁平箱形斷面的風洞試驗結構受到雷諾數效應的影響。同濟大學在對近流線型和∏型斷面的系列研究中發現,無論是近流線型還是鈍體斷面都存在雷諾數效應,不同形狀斷面的雷諾數效應的規律是不同的。4)橋梁抗風設計的主要目標就是確保橋梁結構的抗風安全,而由于影響橋梁結構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的不確定性實驗研究就顯得十分重要了。而其中,關于風與結構相互作用的不確定性主要可以從結構的三分力系數、斯托羅哈數(St)以及氣動導數幾個方面來考慮。對于大跨度橋梁而言,主梁三分力系數、橋塔阻力系數以及主纜(或斜拉索)阻力系數對橋梁的安全性與經濟性具有重要的影響,影響橋梁與其他結構空氣力系數的因素和涉及面較廣,與結構的型體、姿態、氣流和構造物的狀態有關。通過風洞試驗來研究橋梁結構的氣動參數的變異性對大跨度橋梁結構的抗風設計十分重要,是橋梁抗風設計方法由確定性向不確定性過渡的基礎,也是橋梁結構抗風研究的一個重要課題。

5 結語

本文主要就橋梁風工程風洞試驗的理論基礎、設備和數值分析的發展現狀作了介紹;最后就橋梁結構風工程試驗新技術與研究課題簡要作了歸納。隨著我國交通事業的迅速發展,大跨徑橋梁的建設已是今后我國橋梁工程發展的動向之一。至今我國已修建了為數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,在抗風制振措施上還考慮得有限。大跨徑橋梁的建設將不可能回避也必須慎重考慮抗風設計及制振措施。特大跨度橋梁風致振動控制技術將成為研究的熱點,試驗仍將以風洞為依托,隨著計算機技術的不斷更新、進步,數值風洞技術可望有新的突破。

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