不同宽高比的桥梁断面upc效应研究

不同宽高比的桥梁断面upc效应研究

在桥抗风研究中，三力系数是振动振动分析、振动稳定性分析、静风负荷和稳定性分析的重要参数。三大因素的值直接影响桥的抗风分析的精度。长期以来，桥段第三大负荷系数的雷诺数效应一直受到重视。人们普遍认为，在桥的锋利斜面上，三个大倾角的桥段的o效应是忽略不计的。schewe等人在压力梯度下测量了海岸带桥的领导桥段的三大负荷系数，发现雷诺数为7.104的阻力系数比雷诺数为3.106的阻力系数大14%。徐志浩等人测量了香港昂洲桥的三大挑战系数。结果表明，随着零度攻击角的梯度系数随着雷诺数的增加而增加。因此，对三个大因素的雷诺数效应的研究对于提高抗风分析非常重要。在rano数以外的8.13和3.105之间测量了两种典型桥梁截面的三个大倾角。通过研究三个大倾角的共同力系数，我们研究了三个大倾角的共同力系数的雷诺数效应。1试验模型和试验模型试验在TJ-2风洞中进行,风洞试验段长15m、宽3m、高2.5m.空风洞最高风速为68m·s-1,紊流度ε<0.8%.测力用的是TJ-2风洞的汽车天平测力系统,该测力系统由浮框式六分量应变天平、应变放大器、A/D转换器和微机组成.该天平阻力方向最大量程为100kg,升力方向为±60kg,升力矩为±10kg·m.试验模型有近流线型和Π型断面2类,每类模型有4个宽高比.模型骨架由型钢制作,外衣为优质三合板,三合板外用胶纸包裹,以便降低表面的粗糙度.图1为模型在风洞中安装示意图.近流线型模型的梁高为100mm,Π型断面梁高为86mm.试验风速变化范围为5~50m·s-1.2试验结果2.1抗阻系数的雷诺效应2.1.1不同高比的近流力系阻力系数的变化图2a为宽高比(B/H)为12∶1近流线型桥梁断面模型的阻力系数(CD)的雷诺数效应曲线.在低雷诺数区(Re<6×104),CD减小幅度比高雷诺数区缓慢.越过Re=1×105后,阻力系数下降的速度明显加快.在保证下降曲线光滑的前提下,以最保守的下降速率,将图2a中曲线延伸到雷诺数Re=8×106(实桥雷诺数),则不难发现低雷诺数(以梁高为特征尺寸,Re=4×104)节段模型风洞试验时,将会导致CD测量值比实桥阻力系数可能大将近1倍.图2b为不同宽高比近流线型断面CD—Re变化曲线,随着宽高比的增加,阻力系数变化的范围拉大,且曲线的曲率增加.宽高比B/H=6时,阻力系数CD—Re变化平缓.4个模型表现出相同规律:高雷诺数区,阻力系数变化剧烈;低雷诺数区,阻力系数变化相对平缓;高雷诺数区,宽高比越大,阻力系数减小的速度越快.2.1.2阻力系数变化图3a为宽高比B/H=12的Π型断面模型阻力系数CD—Re变化曲线.Π型断面的CD随雷诺数Re增加而增加.Re>1×105时,阻力系数变化平缓;Re<1×105时,阻力系数递增明显.这一变化规律表明:低雷诺数风洞试验得到的数据用于桥梁抗风设计或抗风分析可能是不安全的.图3b为不同宽高比Π型断面CD—Re的曲线,阻力系数随着宽高比的增加而增加,Re<1×104时,实验得到的阻力系数明显偏小,当Re>1×105时,测得的阻力系数基本不变.2.2立力系数的雷诺数效应2.2.1不同高比的近农村热计量模型升力系数对雷诺数的影响近流线型断面升力系数(CL)的雷诺数效应比阻力系数的雷诺数效应复杂得多.图4a为宽高比B/H=12∶1近流线型断面升力系数的雷诺数效应曲线.CL由Re=8×103时的CL=0一直减小,直到Re=2×105附近升力系数达到最小值(CL=-0.1),Re>2×105后,升力系数随雷诺数增加而增加.图4b为不同宽高比的近流线型模型升力系数对雷诺数Re的变化规律.宽高比B/H对升力系数达到最小值时对应的雷诺数没有多大影响,除宽高比B/H=6的模型外,其他的升力系数随雷诺数变化规律相似.宽高比B/H=6的模型升力系数几乎不随雷诺数增加而变化.由此推定,随着宽高比的减小,近流线型断面逐渐表现出钝体断面的某些特性.2.2.2升力系数试验图5a为宽高比B/H=12时,Π型断面的CL—Re曲线,Π型断面升力系数变化比近流线型断面小.图5b为Π型断面不同宽高比的模型升力系数CL—Re曲线.CL在试验雷诺数范围内变化较小,与近流线型断面Re=2×105附近的明显峰谷相比,变化明显小得多.2.3不同高比近深入接触型断面的升力系数cm—升力矩系数雷诺数效应图6a为宽高比B/H=12近流线型断面CM—Re曲线,雷诺数介于4×103~3×105,CM随雷诺数Re变化不明显.图6b为不同宽高比近流线型升力矩系数CM—Re曲线,宽高比对升力矩系数的雷诺数效应没有多大影响.近流线型桥梁断面的升力矩系数雷诺数效应不明显,而且宽高比对升力矩系数雷诺数效应没有影响.抗风设计、分析不考虑升力矩系数雷诺数效应得到的结果是正确的.Π型断面规律类似,不再列举.3紊流场均匀紊流由格栅产生,改变格栅的栅格尺寸与栅格间距得到不同紊流度ε的均匀紊流场.格栅下游断面紊流度随断面距格栅的距离增加而迅速减小,随试验风速的增加而减小.格栅存在导致风洞阻塞严重,能量损失大,文中没有选择更多紊流场.3.1紊流度图7a为近流线型宽高比B/H=12断面的阻力系数—雷诺数曲线,可见来流中引入紊流度明显减小了阻力系数,而且紊流度越大,阻力系数越小.在Re=5×104附近,阻力系数下降的速度开始减小,并进入平台区.在平台区,3个紊流度测得的阻力系数相近,而此处紊流度对阻力系数的影响较小.由此可见,紊流度可以作为减缓雷诺数效应的有效措施之一.格栅的存在造成风洞阻塞度太大(最小的为24%),试验风速很难提高,紊流场中模型的雷诺数范围没能与均匀流一致.图7b为Π型断面模型CD—Re曲线.来流的紊流度增加,Π型断面模型在低雷诺数的阻力系数也增加,另外,Π型断面模型阻力系数在低雷诺数区缓慢增加的趋势被抑制,取而代之的是阻力系数近乎常数,使阻力系数提前达到稳定状态.总之,紊流减小了近流线型断面的阻力系数,但增加了Π型断面模型的阻力系数.看来紊流作为控制这2类断面阻力系数雷诺数效应措施是有效的.3.2自适应因素试验条件图8a为紊流对近流线型断面升力系数影响.由图可见,紊流的确稳定了升力的波动,而且3个不同紊流度对升力系数的影响似乎是相同的.因此,只要来流中引入适当的紊流,如紊流度ε>0.04,就可以抑制升力系数随雷诺数的波动.紊流并没有大幅度减小升力系数,而只是改变升力系数随雷诺数的波动,这与试验的本意不谋而合.图8b为Π型断面在紊流场及均匀流场中升力系数随雷诺数的变化,可见紊流场对Π型断面升力系数的影响与近流线型断面相似.紊流同样稳定了升力系数随雷诺数的波动,但紊流度也改变了升力系数的大小.因试验条件所限,升力系数出现波动的地方没有数据补充.同样,紊流可以有效减小近流线型断面升力系数—雷诺数曲线的波动,改善升力系数雷诺数效应.4低雷诺数风洞实验的未尽事宜(1)近流线型桥梁断面,阻力系数的雷诺数效应非常显著;Π型断面的阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反,Π型断面阻力系数随着雷诺数增加而增加.低雷诺数风洞试验得到的Π型断面阻力系数代替实桥断面阻力系数进行抗风设计、分析时偏于危险;近流线型断面的结果用于桥梁断面抗风设计、分析时则偏于保守.必须谨慎对待低雷诺数风洞试验得到的结果.(2)近流线型断面的升力系数雷诺数效应显著.低雷诺数风洞实验得到的升力系数不可以代替实桥断面的升力系数,否则得到的误差是难以预料的;Π型断面的升力系数雷诺数效应不明显,在抗风设计、分析中可以忽略升力系数的雷诺数效应.近流线型断面以及Π型断面升力矩系数雷诺数效应不明显.(3)宽高比对近流线型断面阻力系数下降速度有一定的影响.同为近流线型断面桥梁,宽桥比窄桥的阻力系数雷诺数效应显著;宽高比对Π型断面的阻力系数雷诺数效应影响小,宽高比仅仅影响阻力系数的大小,桥面越宽,阻力系数越大.宽高比对