大跨度雙幅橋面橋梁的氣動(dòng)干擾效應(yīng)研究

大跨度雙幅橋面橋梁的氣動(dòng)干擾效應(yīng)研究

近年來(lái)，隨著交通量的增加，許多道路都進(jìn)行了擴(kuò)建和擴(kuò)建。在橋梁方面，可以在橋梁附近修建一座橋梁，或直接設(shè)計(jì)一座雙翼橋，以滿(mǎn)足交通量的增加要求。例如，日本的著名跨北丘大橋和美國(guó)的塔科馬大橋是建在橋梁附近的一座類(lèi)似橋梁。1995年，美國(guó)終于建成了一座橫跨波士頓運(yùn)河的紅瑞曼橋。廣州的平勝橋和青島海灣大橋是美國(guó)史蒂文韋勒的意思是一座新的雙橋。隨著雙翼橋的出現(xiàn)，雙橋橋之間的氣干擾問(wèn)題逐漸引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。由于有廣泛的應(yīng)用背景，如航空領(lǐng)域支撐翼的兩座主柱、土木工程中的香煙群和高層建筑的干擾效果一直受到關(guān)注。在20世紀(jì)70年代，由于對(duì)各種地形條件下應(yīng)用氣彈模型的影響研究，高層建筑的聲音干擾效應(yīng)的研究可以追溯到20世紀(jì)30年代。然而，在接下來(lái)的30年里，建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)效率的研究將建筑風(fēng)效率研究放在單個(gè)建筑的研究上幾乎沒(méi)有干預(yù)效果。余大佐明教授的學(xué)科組對(duì)高層建筑的聲音干擾進(jìn)行了系統(tǒng)研究。如上所述，多個(gè)鈍體干擾的研究具有非常重要的理論意義和實(shí)踐價(jià)值。根據(jù)大量研究，動(dòng)態(tài)干擾的影響可以增加建筑結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)平衡效果。此外，從研究方法來(lái)看，目前最重要的研究方法仍然是風(fēng)洞試驗(yàn)，數(shù)值模擬只是輔助手段。羅瓦爾艾因、斯蒂沃森、岡本岡納爾西爾等日本岡本族、新塔科馬橋的動(dòng)態(tài)干擾效應(yīng)是突出的。尤其是，動(dòng)態(tài)干擾效應(yīng)的主梁寬度小于2。采用中央高洞模型和橋梁模擬的方法，日本科學(xué)家研究了主梁的高大喬木的動(dòng)態(tài)干擾效應(yīng)。日本科學(xué)家。在研究中日兩橋的抗風(fēng)性方面，日本科學(xué)家通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流量動(dòng)力學(xué)，研究了主梁的高大喬木的抗風(fēng)性。國(guó)內(nèi)，采用風(fēng)洞試驗(yàn)和計(jì)算流量動(dòng)態(tài)的相結(jié)合的方法，研究了主梁的高大喬木的大傾角橋的抗風(fēng)性。研究結(jié)果表明，如果采用中心曲線的打開(kāi)槽（兩邊之間完全打開(kāi)），無(wú)論是均勻的流場(chǎng)還是峰值流場(chǎng)，如果風(fēng)速為。1試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)研究雙幅橋面三分力系數(shù)的氣動(dòng)干擾效應(yīng),風(fēng)洞試驗(yàn)在湖南大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心HD-2邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行,該風(fēng)洞風(fēng)速的調(diào)節(jié)和控制采用計(jì)算機(jī)終端集中控制的可控硅直流調(diào)速系統(tǒng).該風(fēng)洞的試驗(yàn)段截面尺寸為3.0m(寬)×2.5m(高)×17m(長(zhǎng)),試驗(yàn)風(fēng)速范圍為0.5～58m/s.該試驗(yàn)段的方向不均勻性Δα≤0.5°,Δβ≤0.5°,湍流度ε≤0.2%,速度場(chǎng)不均勻性μ≤1%.圖1為所研究的雙幅橋面主梁斷面圖,測(cè)力模型見(jiàn)圖2,圖3為橋面風(fēng)攻角示意圖.考慮到影響雙幅橋面橋梁三分力系數(shù)的主要因素包括雙幅橋面之間的凈距與梁高之比、風(fēng)攻角等因素,試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1.2雙橋段三個(gè)單元的動(dòng)態(tài)干擾效應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果2.1氣動(dòng)干擾效應(yīng)圖4～圖6分別給出了不同間距下,上、下游橋面三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化曲線,同時(shí)也給出了風(fēng)從單側(cè)橋面上游吹時(shí)和風(fēng)從單側(cè)橋面下游吹時(shí)主梁斷面三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化曲線.從圖4～圖6可以看出,雙幅橋面的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)上下游橋面三分力系數(shù)的影響表現(xiàn)為:雙幅橋面上游橋面阻力系數(shù)與單幅橋面阻力系數(shù)相比略有降低,下游橋面阻力系數(shù)與單幅橋面相比降低較多,存在一定的遮擋效應(yīng);上、下游橋面升力系數(shù)和升力矩系數(shù)也存在一定的氣動(dòng)干擾效應(yīng),但相對(duì)而言影響較小,其影響可以忽略;雙幅橋面三分力系數(shù)隨雙幅橋面之間距離變化而變化;風(fēng)攻角是影響雙幅橋面橋梁三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)的一個(gè)因素.2.2主梁的三個(gè)車(chē)身系數(shù)的動(dòng)能干擾效應(yīng)2.2.1橋面升力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子雙幅橋面橋梁三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)表現(xiàn)為對(duì)上、下游橋面三分力系數(shù)的影響,因此在定義三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子時(shí),分別針對(duì)上、下游橋面三分力系數(shù)進(jìn)行定義:IFSD?SL?SM?XD?XL?XM=雙幅橋面上(下)游橋面三分力系數(shù)上(下)游單幅橋面三分力系數(shù).(1)ΙFSD?SL?SΜ?XD?XL?XΜ=雙幅橋面上(下)游橋面三分力系數(shù)上(下)游單幅橋面三分力系數(shù).(1)式中:SD為上游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子;SL為上游橋面升力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子;SM為上游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子;XD為下游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子;XL為下游橋面升力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子;XM為下游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子.2.2.2氣動(dòng)干擾因子影響雙幅橋面三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)的主要因素包括:雙幅橋面凈間距、風(fēng)攻角等.圖7～圖9分別給出了上、下游橋面三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨雙幅主梁不同間距、風(fēng)攻角變化曲線.從圖7可以看出,雙幅橋面氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)上游橋面阻力系數(shù)的影響表現(xiàn)為:雙幅橋面上游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子約為0.8～1.05;上游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨風(fēng)攻角變化而變化,且在-3°～+3°范圍內(nèi),阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子約為0.80～0.85;上游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比的變化沒(méi)有明顯規(guī)律.雙幅橋面氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)下游橋面阻力系數(shù)的影響表現(xiàn)為:下游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子約為0.40～1.15;下游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨風(fēng)攻角變化而變化,下游橋面阻力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比增加而增加,相應(yīng)氣動(dòng)干擾效應(yīng)減弱.從圖8可以看出,雙幅橋面氣動(dòng)干擾對(duì)上游橋面升力系數(shù)的影響表現(xiàn)為:上游橋面升力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子在風(fēng)攻角為+6°～+9°之間均發(fā)生了由負(fù)向正的突變,且雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比越小,氣動(dòng)干擾因子突變?cè)酱?主要原因是上游橋面的升力系數(shù)在該角度由負(fù)變正,甚至接近于零,因此出現(xiàn)這種突變.雙幅橋面氣動(dòng)干擾對(duì)下游橋面升力系數(shù)的影響表現(xiàn)為:下游橋面升力系數(shù)氣動(dòng)干擾因子在風(fēng)攻角為+6°～+9°之間均發(fā)生了由負(fù)向正的突變,其主要原因是下游橋面升力系數(shù)在該角度附近發(fā)生了由負(fù)變正,甚至接近于零.在其余風(fēng)攻角情況下,上下游橋面升力系數(shù)隨雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比的變化不敏感,即雙幅橋面橋梁上、下游橋面升力系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)不明顯.從圖9可以看出,雙幅橋面氣動(dòng)干擾對(duì)上游橋面升力矩系數(shù)的影響表現(xiàn)為:當(dāng)風(fēng)攻角為-2°～+10°時(shí),上游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比的增加而略有增加,當(dāng)雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比為4.0時(shí),上游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子約為1,表明此時(shí)的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)上游橋面的升力矩系數(shù)的影響已很小;當(dāng)風(fēng)攻角為-10°～-4°時(shí),上游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子隨雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比的增加而減小,當(dāng)雙幅橋面之間凈間距與主梁梁高之比為4.0時(shí),上游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子約為1;當(dāng)風(fēng)攻角為-3°時(shí),上游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子發(fā)生了突變,主要原因是上游橋面升力矩系數(shù)在此由負(fù)變正而引起的.雙幅橋面氣動(dòng)干擾對(duì)下游橋面升力矩系數(shù)的影響表現(xiàn)為:風(fēng)攻角為-1°～+10°時(shí),下游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子大于1,表現(xiàn)為氣動(dòng)干擾而引起的升力矩系數(shù)的增加;風(fēng)攻角為-10°～-2°時(shí),下游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾因子小于1,表現(xiàn)為氣動(dòng)干擾而引起的升力矩系數(shù)的減小.總體而言,雙幅橋面橋梁上、下游橋面升力矩系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)不明顯.3橋梁阻力系數(shù)通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)某在建雙幅橋面橋梁主梁三分力系數(shù)氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究,得到了如下一些結(jié)論:1)雙幅橋面氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)上、下游橋面三分力系數(shù)的影響表現(xiàn)為:上、下游橋面三分力系數(shù)與單幅橋面三分力系數(shù)相比有所變化,表現(xiàn)出一定的遮擋效應(yīng);雙幅橋面之間的凈間距與梁高之比、風(fēng)攻角是影響雙幅橋面主梁三分力系數(shù)的兩個(gè)主要因素.2)上游橋面阻力系數(shù)的氣動(dòng)干擾因子隨風(fēng)攻角的變化而變化,且在-