大跨径桥梁风洞试验技术探讨

连宇 胡波 靳卫恒

0 引言

风灾是自然灾害中发生最频繁的一种,也是给人类生命财产带来巨大危害的自然灾害。1940年美国旧塔科马桥(Old Tacoma Narrows Bridge)因在8级大风(17 m/s～20 m/s)作用下发生强烈的风致振动后破坏而引起世人的重点关注,并最终在桥梁工程师与空气动力学专家密切合作下形成了一门新兴的边缘分支学科——桥梁风工程学。桥梁风工程研究在桥址处各种可能的风场条件下,桥梁结构的静力效应与动力响应,为新建桥梁的设计、施工提供解决方案。大跨柔性桥梁如悬索桥和斜拉桥、刚性桥梁中的柔性构件,如拱桥的吊杆等,都必须进行桥梁风工程的研究。针对研究内容,桥梁风工程的研究方法主要有三种:理论分析、风洞试验与现场观测以及数值模拟,本文将关于风洞试验的理论及发展现状展开阐述。

1 桥梁风洞的用途及桥梁结构风洞试验主要仪器设备

桥梁风洞的主要用途就是为大跨径桥梁的抗风设计提供参考,又是桥梁风致振动研究的主要试验工具。具体来说桥梁风洞具有如下用途:节段模型试验、拉条模型试验、全桥气动弹性模型试验、桥位风场风环境试验。桥梁节段模型试验可以测得桥梁断面的三分力系数、气动导数等气动参数;同时通过节段模型试验对桥梁结构进行二自由度的颤振临界风速试验实测和涡激振动响应。在大跨度桥梁结构初步设计阶段一般都要通过节段模型试验来进行气动选型;对于一般大跨度桥梁结构也要通过节段模型试验来检验其气动性,因此桥梁结构节段模型试验是十分重要的桥梁结构模型试验,也是应用最为广泛的风洞试验。全桥气动弹性模型试验可更为充分的模拟边界层的紊流,更为直接地模拟桥梁结构在紊流风作用下的气动响应。全桥气动弹性模型试验可以更为真实地反映桥梁结构在实际大气层边界层中的气动稳定性和风致振动响应,对于特别重要的大跨径桥梁一般都要进行全桥模型的风洞试验来检验。拉条模型试验主要作为节段模型试验的补充,以测定桥梁主梁在均匀流及紊流下的涡激共振、抖振响应和颤振。桥梁风洞也可进行建筑结构测压试验、测振试验、汽车模型的测力试验、测压试验及流谱观测试验。为实现风洞试验的这些功能,必须配备相应的试验设备:

1)风速测量仪器。目前风洞试验中进行风速测量的主要仪器设备有皮托管、热线(膜)风速仪等。2)测力试验设备。风洞天平是风洞试验的主要测力装置,用于测量作用在试验模型上的空气动载荷(力的力矩)的大小、方向和作用点。风洞天平按其工作原理的不同可分为机械天平、应变天平、压电天平与磁悬挂天平等。

测压试验的主要目的就是通过风洞试验测量结构模型的表面压力。测压试验设备主要有测压传感器、压力扫描阀系统(机械、垫子)。

2 测振试验设备

桥梁结构风洞试验除了要检验桥梁结构在风作用下的经历效应,还要进行桥梁结构的风致振动效应测试。通过对桥梁结构关键部位的风致振动响应的实测来检验其风致振动效应,相应的风洞试验设备主要有加速传感器、位移传感器、高频动态测力天平等。

3 数据处理分析系统

风洞试验要求测量大量的参数,这些参数包括压力、力、力矩、位移、加速度等。这些物理量通过各种传感器输出电流和频率等信号,把传感器送出的模拟信号转换成数字信号,输入到计算机存储,这个过程称为数据采集;把所有采集到的数据进行整理、分析、计算、滤波、压缩、扩展和评估以及提取数据中包含的信息,并以文字、图表、图形或图像等方式来表达,这个过程统称为数据处理。数据处理和分析系统是桥梁结构风洞试验的软件,其功能直接决定风洞试验的时间。智能化的数据采集和处理系统对缩短风洞试验时间,提高试验准确性和效率方面具有十分重要的意义。

4 桥梁结构风工程试验新技术与研究课题

随着计算机科学的发展,计算流体动力学(Computation Fluid Dynamics,CFD)在桥梁结构风工程的应用越来越广,并在大跨度桥梁的方案设计中崭露头角,但大跨度桥梁的设计仍然离不开风洞试验,对于特别重要的桥梁还要进行风洞试验来检验其抗风安全性。如下归纳了在这一学科领域中的热点、难点、重点的技术与课题:

1)桥梁断面气动导数的识别是桥梁结构抗风研究的一个热点问题。桥梁截面因荷载与施工方法不同而有变化不同的多样形状,如箱梁、桁架、开口边主梁等。这些截面因风向有多向性和多变性,而不能制成完全流线型截面,甚至是完全的钝体。因此,桥梁截面的颤振导数识别仍有许多问题有待研究和解释,例如,颤振导数识别结果呈现较大的波动性,试验重复性也不好等等。用颤振导数表示气动自激力的基本假定是气动自激力是颤振导数的线性函数或非常近乎线性函数。在节段模型风洞强迫振动试验中发现,即使在小幅振动下,钝体桥梁截面的气动自激力也已呈现出非常明显的非线性性质。对这样的截面,用一个颤振导数的线性函数去逼近真实的气动力,自然有本质上的困难,容易导致识别结果的不稳定以及不同识别方法之间的显著差别。截至目前为止,仍只有理想平板断面的颤振导数具有理论解。近年发展起来的计算流体力学(CFD)技术,已经可以用数值模拟手段计算出一些断面的颤振导数,但离实际应用仍有一定距离。因此,获取桥梁断面颤振导数的主要途径仍是节段模型风洞试验。2)桥梁断面的气动导纳识别试验研究是一个十分难的课题,而且气动导纳识别对于分析桥梁结构抖振响应又十分重要,其目前是桥梁结构抗风研究的一个热点,也是一个难点。桥梁断面气动导纳是反映桥梁结构所对应的风速与作用于其上的抖振力之间关系的函数,受桥梁断面形状、气流分离以及来流脉动等因素影响,同时如果从风洞试验实测气动导纳,则还与模型自身的振动频率有关。3)桥梁断面的雷诺数效应试验所研究的雷诺数效应在大跨度桥梁抗风设计中影响气动参数,需要重点考虑。国内外的研究表明,近流线型闭口扁平箱形断面的风洞试验结构受到雷诺数效应的影响。同济大学在对近流线型和∏型断面的系列研究中发现,无论是近流线型还是钝体断面都存在雷诺数效应,不同形状断面的雷诺数效应的规律是不同的。4)桥梁抗风设计的主要目标就是确保桥梁结构的抗风安全,而由于影响桥梁结构开放性能的诸多因素具有不确定性,所以桥梁断面气动参数的不确定性实验研究就显得十分重要了。而其中,关于风与结构相互作用的不确定性主要可以从结构的三分力系数、斯托罗哈数(St)以及气动导数几个方面来考虑。对于大跨度桥梁而言,主梁三分力系数、桥塔阻力系数以及主缆(或斜拉索)阻力系数对桥梁的安全性与经济性具有重要的影响,影响桥梁与其他结构空气力系数的因素和涉及面较广,与结构的型体、姿态、气流和构造物的状态有关。通过风洞试验来研究桥梁结构的气动参数的变异性对大跨度桥梁结构的抗风设计十分重要,是桥梁抗风设计方法由确定性向不确定性过渡的基础,也是桥梁结构抗风研究的一个重要课题。

5 结语

本文主要就桥梁风工程风洞试验的理论基础、设备和数值分析的发展现状作了介绍;最后就桥梁结构风工程试验新技术与研究课题简要作了归纳。随着我国交通事业的迅速发展,大跨径桥梁的建设已是今后我国桥梁工程发展的动向之一。至今我国已修建了为数甚多的各种类型的大跨径桥梁,其中也包括不少世界级水平的长桥大桥,但与国外相比,在抗风制振措施上还考虑得有限。大跨径桥梁的建设将不可能回避也必须慎重考虑抗风设计及制振措施。特大跨度桥梁风致振动控制技术将成为研究的热点,试验仍将以风洞为依托,随着计算机技术的不断更新、进步,数值风洞技术可望有新的突破。

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