采用氣動措施對拉索表面壓力分布試驗研究

宮賽　唐鵬（南陽理工學院，河南　南陽　473004）

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采用氣動措施對拉索表面壓力分布試驗研究

宮賽唐鵬
（南陽理工學院，河南南陽473004）

摘要：基于斜拉橋拉索風雨激振理論，制作了用于測壓試驗的拉索模型，分析了不同氣動措施的三維拉索表面風壓系數(shù)分布以及不同表面狀態(tài)的拉索氣動力系數(shù)的變化規(guī)律，為斜拉索氣動抑振措施的研究提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：斜拉橋，拉索，風雨激振，氣動措施，風壓系數(shù)

0　引言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，斜拉橋作為具有大跨度橋梁能力之一，跨度越來越大，但是在特殊條件下，例如在風雨共同作用下，作為斜拉橋主要受力部件之一——拉索會產(chǎn)生劇烈的振動。國內(nèi)外許多學者對拉索風雨激振的機理及抑振措施研究往往是在二維拉索模型上獲得試驗結果［1］。而從三維空間關系出發(fā)的研究較少，雖然可以通過對拉索纏繞螺旋線降低拉索的風雨條件下的振動，但拉索的表面被螺旋線纏繞而發(fā)生改變，將會對拉索的氣動性能產(chǎn)生一定的影響。因此，有必要從三維拉索模型的風洞測壓試驗出發(fā)，對風阻系數(shù)與氣動抑振措施螺旋線參數(shù)的關系進行研究［2，3］。

1　試驗模型、工況

試驗模型及參數(shù)如下：拉索節(jié)段模型采用軸向長64 cm、直徑200 mm、壁厚5 mm的塑料管材。拉索一端固定在可以自由水平轉(zhuǎn)動的β機構上，另一端自由。拉索存在傾角和風向角［5］，是其在風雨作用下產(chǎn)生振動的必要條件，但是在這種作用下，傾角與風向角對拉索的振動相比，墻角可以忽略不計［6］，在進行試驗時，固定拉索傾角在35°，使風向角在0°～90°之間變化。模型傾角α和風向角β見圖1。

圖1　斜拉索傾角α和風向角β示意圖

為研究風荷載作用在拉索上的分布特性，在φ200斜拉索每個斷面設置31個測壓孔，有4個斷面，共124個測壓孔，其弧向間距為20 mm（見圖2）。測壓孔的每個斷面距模型自由端面依次為0 cm，15.5 cm，21 cm，26.5 cm；拉索表面纏繞螺旋線是現(xiàn)有抑制風雨激振的氣動的一種常用措施［7］，本試驗采用圓形PE膠管粘貼在拉索表面的雙螺旋纏繞。螺旋線線徑分別為2 mm，4 mm，6 mm，螺距為400 mm，500 mm，600 mm（見圖3）；為研究水線對拉索的影響，在試驗中計入模擬水線，使其水線位置在10°～80°之間變化，步長為10°，水線斷面設計成高1 mm寬12 mm的矩形截面。模型安裝見圖4。

圖2　拉索測壓孔的布置（單位：mm）

圖3　帶螺旋線和水線的拉索模型

圖4　模型安裝圖

由圖5可以看出，在風向角、風速不同的條件下，各個斷面上的平均風壓分布趨勢基本一致。三圍流對模型的影響可以通過采用距離模型節(jié)段自由端1 cm的端板而較好的消除。與其他斷面的平均風壓分布系數(shù)變化比較，第一個測壓斷面變化劇烈，而二、三斷面變化較居中。

2　風壓、動力系數(shù)定義

其中，風壓值以風壓受力面受壓為正，反則為負。ρ為空氣密度；U0為風速；p - p0為測點的風壓值與來流靜壓之差。通過Matlab和Origin軟件分析對原始數(shù)據(jù)進行處理。

通過各測壓點的風壓系數(shù)式（2）和式（3）計算得到拉索氣動力系數(shù)Cx和Cy：

其中，F(xiàn)x，F(xiàn)y分別為X和Y方向的氣動力；Cpi為第i個測點的風壓系數(shù)；R為拉索模型半徑；Δφi為第i與i + 1個測點間的交角；φi為第i個測壓點的位置角（見圖6，圖7）。

圖5　β=30°各測壓斷面的平均風壓分布

圖6　測點位置角φ與水線位置角θ

圖7　φ200 mm拉索模型測壓點布置圖

3　氣動力系數(shù)分析

針對拉索在不同表面狀態(tài)下的風壓系數(shù)，采用光面拉索，纏繞螺旋線，同時有水線、纏繞螺旋線的模型表面研究。

3.1光面拉索的靜氣動力系數(shù)分析

φ200 mm光面拉索的Cx和Cy示意圖見圖8。

圖8　φ200 mm光面拉索的Cx和Cy

在風向角變化的條件下，模型的靜氣動力系數(shù)也隨之產(chǎn)生變化，當風向角在25°～40°之間變化時，系數(shù)的這種變化就變得更為強烈，所以風向角的確定對拉索模型表面的風壓系數(shù)以及氣動力系數(shù)有較大的影響。

3.2拉索纏繞螺旋線的氣動力系數(shù)分析

研究螺旋線氣動措施的主要目的是確定拉索風阻系數(shù)小的螺旋線參數(shù)［8］，圖9，圖10是φ200拉索對氣動系數(shù)在采用不同螺旋線參數(shù)下的影響。其中K1，K2表示螺旋參數(shù)。

圖9　K1不同的拉索氣動力系數(shù)Cx和Cy

圖10　K2不同的拉索氣動力系數(shù)Cx和Cy

從圖9，圖10可以看出，當K1值在0.625和0.781范圍內(nèi)時Cx與Cy相當，當K1值在0.938時Cy較小；K2在0.01和0.02范圍內(nèi)時Cx和Cy比較接近，但K2值為0.02時，模型Cx和Cy影響較小［9］。

3.3同時有水線、纏繞螺旋線的拉索靜氣動力系數(shù)分析

拉索表面水線的振動會使其氣動力也產(chǎn)生變化［2］。在試驗中采用K1值為0.938，K2值為0.03時的參數(shù)進行計算（見圖11）。

圖11　Cx和Cy在同風向角時隨水線角度的變化

4　結語

通過試驗對斜拉橋拉索模型的表面受纏繞螺旋線、水線以及風向角等參數(shù)計入的研究，從而得出其風壓以及氣動力系數(shù)變化規(guī)律。風向角的選擇，水線的位置的確定，纏繞螺旋線參數(shù)，同時有水線、纏繞螺旋線參數(shù)的模型氣動參數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，在其余參數(shù)相同的前提下，從抗風角度出發(fā)，螺旋線參數(shù)的取值應選擇K1較大的值，而K2的選取范圍在0.02左右較為合適。

參考文獻：

［1］杜曉慶.斜拉橋拉索風雨激振研究［D］.上海：同濟大學博士學位論文，2003：12.

［2］杜曉慶，顧明.斜拉索上雨線的氣動力特性的試驗研究［J］.同濟大學學報（自然科學版），2005，33（5）：585-589.

［3］Y.Hikami，N.Shiraish.Rain-wind induced vibration of cables in cable stayed bridges［J］.J.of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1988（29）：409-418.

［4］顧明，杜曉慶.模擬降雨條件下斜拉索風雨激振及控制的試驗研究［J］.土木工程學報，2004，37（7）：101-104.

［5］李文勃.斜拉橋拉索三維風雨激振及靜風荷載研究［D］.上海：同濟大學博士學位論文，2007.

［6］顧明，杜曉慶.不同風向角下斜拉橋拉索模型測壓試驗研究［J］.振動與沖擊，2005，24（6）：5-20.

［7］顧明，杜曉慶.帶人工雨線的斜拉橋拉索模型測壓試驗研究［J］.空氣動力學學報，2005，23（4）：419-424.

［8］Yamaguchi H.Analytical study on growth mechanism of rain vibration of cables［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990（33）：73-80.

［9］陳政清.橋梁風工程［M］.北京：人民交通出版社，2005.

Study on surface pressure distribution test of stayed-cable using aerodynamic measure

Gong Sai Tang Peng
（Nanyang Institute of Technology，Nanyang 473004，China）

Abstract：The theoretical basis of the thesis is oblique stayed bridge rain wind induced vibration of stay cable theory，design and make the cable model for pressure test，analysis in different aerodynamic measures dimensional cable surface wind pressure coefficient distribution and variation law of different surface state of cable aerodynamic coefficients，cable and gas dynamic anti vibration measures the next step of the research provides a theoretical support.

Key words：cable-stayed bridge，cable，wind rain induced vibration，aerodynamic measure，wind pressure coefficient

中圖分類號：U448.27

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0165-03

收稿日期：2015-12-02

作者簡介：宮賽（1986-），女，碩士，講師；唐鵬（1987-），男，碩士，講師