风-车-桥耦合系统下车辆对桥梁断面分异的影响

风-车-桥耦合系统下车辆对桥梁断面分异的影响

现在，中国在山区峡谷和海上修建了越来越多的桥梁。桥梁结构增大，规模小，风适应性强。此外，随着经济的快速发展，桥梁上的车辆不断增加，速度也在增加。桥梁上的大量车辆改变了桥梁的局部动力特征，更突出的是风-车-桥系统的联合应用。因此,准确预测风—车—桥耦合系统的桥梁风致响应和评价车辆安全、舒适性至关重要。风-车-桥系统的气动特性的准确测量是预测风—车—桥耦合系统风致响应的前提。目前越来越多的学者在研究车辆和桥梁间的相互气动影响。葛玉梅等通过节段模型风洞试验测试了有静止车辆的桥梁断面和列车的气动参数,研究了静止列车和桥梁间相互气动影响。李永乐等等采用交叉滑槽系统,通过组合节段模型试验分别测试了车-桥系统中车辆和桥梁的气动力,并利用线性结构气动力的余弦规则来考虑车辆运动对气动力的影响。李永乐等还研究了车辆和车道间的相对几何关系对车辆和桥梁的气动特性影响。韩艳等采用数值计算方法和风洞试验对风-车-桥耦合系统的车辆和桥梁气动特性进行了研究,分析了静止车辆对桥梁静气动力的影响以及风场的紊流性对车桥静气动力的影响。以上研究虽然都考虑了个别车辆与桥梁间的相互气动影响,但在实际运营状况中,公路桥梁车流荷载具有较强的随机性,受时间、环境及地方经济等众多因素影响。为了考虑实际运营状态下随机车辆对桥梁断面气动力的影响,本文模拟了4种不同车流状态,分别研究了不同车流下车辆对桥梁断面三分力以及局部风压的影响,以便为以后车辆对桥梁三分力影响的修正系数的提供便利。1风洞测试参数1.1典型的车辆管理方式模型缩尺比为1∶60,为了方便测压点的布置,桥梁节段模型由有机玻璃板制作而成,长度为1.54m,如图1所示。选用2种典型的车型(小轿车和大型客车),如图2所示。将模型悬挂于湖南大学开发的强迫振动置上,同时可以利用该装置测试无车时桥梁断面的三分力,风洞中悬挂模型的测试装置示意图如图3所示。1.2桥上无车时桥梁断面气动力为了分离测试桥梁和车辆的气动力,采用测压法测试桥梁的气动力。另外,为了验证测压法的正确性,分别采用测力法和测压法测试了桥上无车时的桥梁断面气动力。桥梁测试模型共布置8个测压断面(A-H断面),每个断面布置54个测孔,如图4所示。1.3确定桥梁断面的质量为了考虑不同车流对桥梁断面气动力的影响,模拟了4种交通状况即自由行驶状态、中等繁忙状态、繁忙状态和堵车状态。由于实验条件以及测点布置等因素的局限,难以完全模拟实际状况中的随机车流状况,各种交通状态的车辆布置如图5所示。针对这4种交通状态,分别测试了-6°,-4°,-2°,0°,2°,4°和6°攻角下的桥梁断面表面风压,具体的测试工况如表1所示。对于桥上无车情况下,桥梁断面的气动力分别通过测力法和测压法测量得到,对于4种交通状态下,桥梁断面的气动力通过测压法测量得到。采用测压法时,通过积分得到每个桥梁断面的体轴坐标系下的气动力为:测力法得到的气动力是风轴坐标系下的气动力,而测压法得到的气动力是体轴坐标系下的气动力,为了使得两种方法的结果统一,将体轴坐标系下的结果转化为风轴坐标系下的结果,转化公式为:式中:Dj,Lj和Mj分别为风轴坐标系下作用于第i桥梁断面形心的阻力、升力和升力矩,其方向如图6所示;α为风攻角,如图6所示。将每个桥梁断面的三分力沿桥长方向求和之后取平均即为该节段模型桥梁断面的三分力。由于实验条件的限制,无法测得每一个桥梁断面的三分力,故利用测得的A~H7个断面的三分力根据就近相等原则近似计算作用于桥梁断面形心的阻力D、升力L和升力矩M,也就是靠近布车断面有效范围内按布车断面三分力求和,其余按无车断面三分力求和,然后,在考虑的模型长度上取平均。计算桥梁断面三分力系数时,参考宽度取主梁断面宽度B,则桥梁断面气动力系数定义为:式中:ρ为空气密度;U为平均风速度;α为风攻角;B为桥梁断面宽度;l为考虑的模型长度,对于无车和工况1~3,其为桥梁模型总长1.5m,对于工况4,如果考虑的模型长度为模型总长,那么需要布置更多的测压断面,受试验条件限制,考虑的模型长度只能缩短,取中间布车影响的有效长度;CD,CL和CM分别为桥梁断面的阻力系数、升力系数和升力矩系数;D,L和M分别为风轴坐标系下作用于桥梁断面形心的阻力、升力和升力矩,其方向定义如图6所示。2测力法和测压法的结果对比图7所示为桥上无车情况下分别采用测力法和测压法得到的桥梁断面三分力系数。从图7可看出:采用测压法和测力法得到的升力系数和升力矩系数吻合得较好,而测力法的阻力系数较测压法的系数要大。Ricciardelli等等也曾尝试过用测力法和测压法来测定单幅桥面桥梁的三分力系数,发现2种方法测得的升力系数和升力矩系数吻合得较好;而阻力系数测压法得到的结果只是测力法结果的2/3左右,该误差是桥面栏杆等附属物上无法布置测压孔、压力积分阻力中不包括风对桥面栏杆等附属物的阻力造成的。测力法和测压法的风洞试验结果对比基本上说明了本试验结果的可靠性。图8所示为5种工况下采用测压法得到的桥梁断面三分力系数。表2~4所示为不同工况下桥梁断面三分力系数及对比情况。从图8和表2~4可以看出:不同交通状态下车辆对桥梁断面三分力系数的影响程度不同,在堵车情况下,车辆对其影响最大,使阻力系数和升力矩系数显著减小,尤其在0°攻角时,使阻力系数减小了21%,使升力矩系数减小了11倍。在堵车情况下,车辆使升力系数增大,在2°攻角时,增加将近1倍。由此可见:在风-车-桥耦合振动分析中,车辆对桥梁气动力的影响不容忽视。3e断面的影响利用测压法得到的数据,计算各个截面单个测点平均压力系数,计算公式为Ci=Pi/(0.5ρU2)(10)其中:Ci和Pi分别为第i个测点的平均压力系数值和平均压强,ρ为空气密度,U为平均风速。图9所示为桥梁典型断面测压点与车辆相对位置示意图。图10所示为0°,-6°和6°风攻角下的桥梁典型断面平均压力系数分布图,其中平均压力系数以指向桥面外侧为负,内侧为正。考虑到平均压力系数远小于实际的桥梁断面尺寸,图10中的平均压力系数均乘了1000的放大因子。图10所示是4个典型断面分别为无车、工况1的E断面(布置2辆车)、工况2的A断面(布置4辆车)、工况4的B断面(布置8辆车)。由图10可知:风攻角、桥上无车和有车以及车辆数量和车辆位置对断面测点压力值均有不同程度的影响。在0°风攻角时,无车A断面和工况1E断面顶面测点压力值为负,即测点受拉力,且由迎风侧到背风侧压力值绝对值略有减小。由于工况1E断面车辆布置较少,且相距较远,风车桥耦合效应不明显,车辆对风基本不产生阻碍作用,故此时工况1E断面的压力分布与无车时基本一致。而此时工况2A断面与工况4B断面由于车辆布置较多较密,对顶面迎风侧压力影响较大。由于车体的阻挡,风在车辆底部流动受阻,在车体迎风面一侧的区域短暂聚集并沿车体向上爬升,并在车底形成负压区,故风在流经车辆之前的压力为正值,在车辆处迅速由正变负且其绝对值略大于无车时的压力绝对值,随着距离的增大,车桥耦合风场作用减弱,压力绝对值又逐渐减小并接近无车时的压力绝对值。在-6°风攻角时,风对顶面的压力基本为正。迎风侧顶面压力与0°风攻角时比较均有不同程度的增大,无车A断面和工况1E断面顶面栏杆分布区更是由负压变为正压,幅值变化较大。这是由于0°风攻角时风在桥梁钝体断面迎风侧产生分离,而-6°风攻角时分离点上移,风压直接作用于迎风侧顶面致使该区域压力产生由负到正的剧烈变化。而工况2A断面和工况4B断面由于车辆的阻挡作用,在0°风攻角时与-在6°风攻角时比较迎风侧顶面压力略有增加,但相对无车A断面与工况1E断面变化较小。-6°风攻角时,在迎风侧下部形成了一个较大的负压区,且该区域负压与0°风攻角时比较急剧增大。在6°风攻角时,风在桥梁断面顶面形成一个负压区,故顶面压力均为负,且负值较大。迎风侧下部的压力由-6°风攻角时的较大负压变为正压。4车辆荷载的影响(1)车辆的存在对桥梁气动特性影响显著,在不同交通状态下车辆对桥梁断面三分力系数及风压分布的影响程度不同。(2)在不同交通状况下,车辆与桥道间以及不同行车位置的车辆间存在明显的气动干扰,桥梁断面迎风侧风压变化较大,而背风侧的影响不明显。而堵车时车辆对桥梁断面三分力系数影响最大,使阻力系数和升力矩系数显著减小,升力系数增大。(3)在风—车—桥耦合振动分析中,不同交通状态对桥梁气动力及风压分布的影响不容忽略,故设计中应予以考虑,确保行