大跨悬索桥扁平箱梁气动力展向相关性研究

崔彦， 栗莎， 周军伟

（1.河北工程技术学院土木工程学院，石家庄 050091；2.中国铁路北京局集团有限公司天津车辆段，天津 300012）

0 引言

随着桥梁技术的不断发展，悬索桥的跨度越来越大，而大跨桥梁最典型的特点是柔、长，桥梁本身受风的影响比较大，而跨度的大幅度增加又降低了桥梁的结构刚度，从而对风荷载的作用更加敏感，因此在对大跨悬索桥进行结构设计时必须要考虑其风致振动问题［1，2］。大跨桥梁结构的低频率和小阻尼导致结构在低风速下非常容易发生涡激振动现象［3，4］，而涡激振动的基础是气动力，因此要研究大跨悬索桥涡激振动问题必须先研究其主梁气动力特性。虽然前人对大跨悬索桥主梁的气动力研究也很多，并取得一定成果［5，6］，但对其的研究大部分集中在气动力及风压分布规律上面，而展向相关性方面的研究相对不多。显然气动力对于实际桥梁主梁为空间力系，并沿着主梁展向方向会不同程度相互影响，而非完全相关。目前对于节段模型风洞试验的气动力评估中，通常会忽略气动力沿主梁展向相关性，采用的涡激振动半经验教学模型也未考虑气动力展向相关性的影响，这很容易导致涡激响应与计算结果不一致。因此对大跨度桥梁主梁气动力展向相关性研究非常有必要，这对于桥梁主梁涡激振动振幅的准确预测有着及其重要的意义。

文中通过节段模型风洞试验对大跨悬索桥扁平箱梁进行了气动力特性研究，着重分析了均匀流场下扁平箱梁静止而风攻角变化和展向间距变化时，气动三分力的相关性及模型上表面测点压力与总气动力的相关性。

1 风洞试验概况

风洞试验在石家庄铁道大学风工程研究中心高速试验段进行，该流场可以满足此次节段模型的试验要求。模型采用刚性杆与高速试验段连接，试验风速为10m/s，由梁宽B得到的雷诺数为2.47×105，风攻角范围为-9°～9°，每3°为一个间隔。

扁平箱梁节段模型由ABS板制作，采用1：50的缩尺比，具体尺寸：长2000mm，宽370mm，高64mm，沿着模型展向布置8圈测压孔，模型正中截面的测压孔定义为为第5圈，第1圈测压孔到第5圈测压孔的距离为800mm，用D1表示，依次类推，D2=400mm；D3=200mm；D4=50mm；D5=0；D6=100mm；D7=300mm；D8=800mm，这样设置的目的是可以得到不同的展向间距，如表1所示。每圈测压孔总共60个，由于流动参数在尖角处比较敏感，故在模型尖角处对测压孔进行了加密［7］，测压孔位置见图1。

表1 不同测点位置组合所得无量纲展向间距

图1 模型测压孔布置图（单位：mm）

2 风洞试验结果分析

2.1 气动力展向相关性

对置于流场中的梁而言，气动力的相关程度可以用相关系数来描述［8，9］，如式1。

式中，Fi（t）、Fj（t）为不同展向位置的气动力（阻力、升力、扭矩）时程；δ为不同展向间距的长度；B为主梁断面宽度，为使计算简单化，采用无量纲展向间距，用δ/B表示。改变风攻角时，气动力的展向相关系数曲线变化图，如图2～图4所示。

图2 阻力展向相关性

图3 升力展向相关性

图4 扭矩展向相关性

由图2可知，试验风攻角下，展向间距增大阻力的相关性减小，负攻角时，其值在展向间距δ/B=0～1.892范围内随着攻角的增大先增大后减小，在δ/B=1.892～4.324范围内随着展向间距的增大而增大；而在正攻角时，风攻角越大，阻力的展向相关性越强，并且同一展向间距比负攻角时大。

由图3可知，试验风攻角下，展向间距增大升力的相关性减小，负攻角时，其值在展向间距δ/B=0～4.324范围内随着攻角的增大先增大后减小；而在正攻角时，升力的展向相关系数在δ/B=0～0.405随着风攻角的增大而增大，在δ/B=0.405～4.324随着风攻角的增大先减小再增大，并且同一展向间距时，δ/B=0～1.892范围内正攻角的相关系数比负攻角时大，δ/B=1.892～4.324范围内负攻角的相关系数比正攻角时大。

由图4可知，试验风攻角下，展向间距增大扭矩的相关性减小，负攻角时，其值在展向间距δ/B=0～0.27范围内随着攻角的增大先减小再增大，在δ/B=0.27～4.324范围内随着攻角的增大先增大后减小；而在正攻角时，扭矩的展向相关系数在δ/B=0～1.892范围内随着攻角的增大先增大后减小，在δ/B=1.892～4.324随着风攻角的增大而减小，同一展向间距时δ/B=0～0.27范围内正攻角下的相关系数比负攻角时大，δ/B=0.27～4.324范围内负攻角的比正攻角的大。

2.2 测点压力与总气动力的相关性

测点压力与总气动力的相关程度可以用相关系数来描述［10］，如式2所示。为了方便找出扁平箱梁模型表面测点压力与总气动力的相关性，将距离无量纲化，用定S/B表示，见图5，其中，U为风速，B为断面的宽度，S为从模型的迎风面点1沿模型表面顺时针移动到某测点的真实距离。

图5 模型上表面测点无量纲距离示意图

式中，pi（t）为某个测点参数的压力时程；Fj（t）为该列气动力参数的时程。

图6给出了模型上表面测点压力与升力的相关系数曲线图。由图6可以看出，负攻角时，测点压力与升力负相关，攻角为0°时上表面中游部分测点的相关系数比上下游大，随着攻角增大，相关系数减小；正攻角下，模型上游（S/B=0.08～0.58）范围内的相关系数随着攻角增大呈现先减小后增大再减小的特性，其中攻角为6°时相关性最强，而在模型中游（S/B=0.58～0.89）范围内的相关系数随着攻角的增大而增大，下游范围内相关系数随着攻角增大呈现先增大后减小再增大的特性，其中攻角为6°时，S/B=1以后呈现正相关。

图6 模型上表面测点压力与升力的相关系数

图7给出了模型上表面测点压力与扭矩的相关系数曲线图。由图7可以看出，负攻角时，模型中上游（S/B=0.08～0.0.89）范围内的相关系数负相关，并随着攻角增大呈现先增大后减小的规律，模型下游尾部（S/B=1以后），攻角为-3°时负相关，其余攻角正相关，并随着攻角增大呈现先减小后增大的规律；正攻角下，模型中上游（S/B=0.08～0.75）范围内的相关系数负相关，随着攻角增大呈现先增大后减小的规律，其中攻角为6°时相关性最强，而在S/B=0.75以后相关系数正相关，并随着攻角增大呈现先增强后减小的特性，其中攻角为6°时相关性最强。

图7 模型上表面测点压力与扭矩的相关系数

3 结语

经过对大跨悬索桥扁平箱梁气动力特性的风洞试验研究可得出如下结论：

（1） 展向间距增大时，气动力的展向相关系数均减小，正攻角下的气动力展向相关性更强，同一展向间距下，小攻角时升力的相关性最强，大攻角时升力和阻力的相关性随着展向间距的增大逐渐接近。

（2） 模型上表面测点压力与升力负相关，负攻角时攻角增大相关系数减小；正攻角时，上游部分相关性随着攻角增大先减小后增大，中游部分攻角越大相关性越强，下游部分相关性先增大后减小再增大，说明很可能某个攻角是锁定角度。

（3） 模型上表面测点压力与扭矩负攻角时中上游及下游尾部攻角为-3°时负相关，其余正相关，且上游随着攻角增大相关性先增后减，下游相反；正攻角时，上游正相关下游负相关，并都呈现随着攻角增大，相关性先增后减的规律，说明很可能某个攻角是锁定角度。