不同施工階段拱肋風(fēng)荷載特性試驗研究

王云峰, 鄭云飛, 李君君, 戰啟芳, 龐同軍

(1.中鐵十六局集團 第五工程有限公司，河北 唐山 064000；
2. 石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 鐵道工程系，河北 石家莊 050041)

隨著(zhù)拱橋跨度的逐漸增大，以及新結構、新材料的應用，使得拱橋的阻尼和剛度降低，從而使其在風(fēng)荷載的作用下容易發(fā)生振動(dòng)[1]，特別是在施工階段拱肋缺少必要約束，容易發(fā)生振動(dòng)，為了減少風(fēng)荷載對拱橋的影響，研究人員從拱橋的氣動(dòng)力特征以及風(fēng)振特性開(kāi)展了相關(guān)研究。

鄭史雄等[2]研究了矩形截面拱肋在二維和三維狀態(tài)下氣動(dòng)力的分布特征，研究結果表明,二維狀態(tài)下拱肋的阻力系數偏小，而規范中的取值過(guò)于保守，應該按照三維狀態(tài)下的阻力系數進(jìn)行設計。晏致濤等[3]采用風(fēng)洞試驗和數值模擬的方法，分析了單拱和雙拱狀態(tài)下拱肋的三分力系數、風(fēng)壓系數，結果表明,雙拱肋狀態(tài)下受到下游拱肋的影響，上游拱肋阻力系數略有減小。當兩拱肋間的距離超過(guò)一定程度以后阻力系數不再發(fā)生明顯改變。樓小峰等[4]采用數值模擬的方法研究了啞鈴型拱肋的阻力系數和斯托羅哈數的分布規律。研究結果表明,雙拱肋狀態(tài)下，上游拱肋的阻力系數和斯托羅哈數與單拱肋狀態(tài)下一致。楊詠昕等[5]等通過(guò)風(fēng)洞試驗節段測力試驗提出了拱肋靜力風(fēng)荷載的預測方法，并提出對于包含圓截面構件的拱肋結構需要考慮雷諾數效應的影響。

鄭史雄等[6]通過(guò)氣彈模型試驗研究了施工中剛構橋的風(fēng)致振動(dòng)，發(fā)現其橫風(fēng)向振動(dòng)為主，可以通過(guò)增加橫向連接提高其抗風(fēng)安全度。李先進(jìn)等[7]分析了三主桁拱肋的氣動(dòng)穩定性，發(fā)現拱頂橫風(fēng)向位移較大。涂俊等[8]對大跨鋼箱拱-波形鋼-桁架組合梁拱橋進(jìn)行了氣彈模型振動(dòng)試驗研究，得到了渦振和抖振響應的分布規律。

施工過(guò)程中鋼拱肋往往采用節段拼裝的施工工藝，不同施工階段拱肋之間存在強烈的氣流干擾現象，因此需要根據實(shí)際施工階段，建立三維模型才能更準確地模擬拱肋的繞流場(chǎng)和風(fēng)載系數。馮家江大跨度拱橋為下承式鋼-混疊合梁簡(jiǎn)支鋼拱橋，橋面板采用分塊預制，預制板間采用現澆濕接縫連接。拱肋采用分段預制，采用吊車(chē)吊裝的施工方式。針對不同施工階段拱肋的受力特性，通過(guò)風(fēng)洞試驗剛性模型測壓的方法，分析了不同施工階段拱肋阻力系數、體型系數的分布規律，為大跨度拱橋矩形拱肋風(fēng)荷載的準確取值提供參考。

1.1 模型參數介紹

試驗在石家莊鐵道大學(xué)風(fēng)工程研究中心大氣邊界層風(fēng)洞低速試驗段內進(jìn)行。試驗中通過(guò)粗糙元和尖劈模擬橋梁所在地A類(lèi)地貌大氣邊界層風(fēng)場(chǎng)。試驗模型采用1∶100的縮尺比，分別在前、后拱肋的20個(gè)斷面布置了測點(diǎn)，縱向測點(diǎn)布置如圖1所示。每個(gè)斷面布置20個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖2。本項目測點(diǎn)總數為400個(gè)。本次試驗中風(fēng)速為16 m/s，采樣頻率為330 Hz，采樣點(diǎn)數為9 900個(gè)。研究中考慮了8種施工狀態(tài)。不同施工狀態(tài)下結構圖如圖3所示。

圖1 拱肋測點(diǎn)布置圖

圖2 拱肋測點(diǎn)周向布置圖

圖3 拱肋不同施工狀態(tài)

1.2 試驗參數定義

對于試驗模型的結構外表面都布置了測點(diǎn)，得到的是結構上各測點(diǎn)的體型系數。對于結構外表面來(lái)說(shuō)風(fēng)壓沿結構表面法向指向結構時(shí)為正值，遠離結構時(shí)為負值。

采用無(wú)量綱風(fēng)壓系數來(lái)描述結構表面的風(fēng)壓

(1)

式中，Cpi,θ為i點(diǎn)在θ風(fēng)向角下的風(fēng)壓系數；
Pi,θ為測點(diǎn)i在θ風(fēng)向角下總壓；
Ps為參考點(diǎn)靜壓平均值；
Pt為參考高度h處總壓；
ρ為空氣密度；
Vh為參考高度h處的平均風(fēng)速。

體型系數可由測點(diǎn)的平均風(fēng)壓系數計算得到

(2)

(3)

式中，ρ為空氣密度；
U為風(fēng)速；
FH為拱肋橫橋向受到的力，即阻力；
H為拱肋的高度；
CH為阻力系數。

2.1 不同風(fēng)向角下拱肋阻力系數分布

工況1下WA位置處拱肋阻力系數隨風(fēng)向角的變化規律如圖4(a)所示?？傮w而言在只有單邊存在拱肋時(shí)，拱肋不同位置處的阻力系數隨著(zhù)風(fēng)向角的增大呈現先減小后增大的趨勢。在風(fēng)向角0°～40°之間變化時(shí)減小較為緩慢，在50°～110°之間時(shí)減小趨勢明顯，在120°～170°之間時(shí)阻力系數在-0.85左右變化。在180°～200°之間時(shí)阻力系數雖然較為穩定，但是相較120°～170°時(shí)阻力系數減小了1倍。在210°～350°之間時(shí)逐漸增大，阻力系數與風(fēng)向角之間為線(xiàn)性關(guān)系。

工況7下WE位置處拱肋阻力系數隨風(fēng)向角的變化規律如圖4(b)所示。在0°～140°之間時(shí)隨著(zhù)風(fēng)向角的增大阻力系數減小趨勢明顯，從2.12減小到-1.07；
在140°～160°之間時(shí)阻力系數基本穩定在-1.02左右；
在160°～190°之間時(shí)阻力系數略有減??；
在200°～240°之間時(shí)阻力系數基本穩定；
在250°～350°之間時(shí)隨著(zhù)風(fēng)向角的增大阻力系數逐漸增大。

從圖4中可以看出,不同位置阻力系數整體規律基本相同，具體數值存在明顯差異，特別是位置較低時(shí)受到主梁的影響，但是阻力系數的最大絕對值基本在2左右。

圖4 阻力系數隨風(fēng)向角的變化規律

2.2 不同施工階段拱肋阻力系數分布

不同施工階段WA位置處阻力系數的變化規律如圖5所示。從圖5可以看出,當施工階段達到一定程度后，其阻力系數不發(fā)生改變。當施工完成第2階段后，在160°～200°風(fēng)向角之間變化時(shí)，由于另一拱肋的遮擋效應導致其阻力系數的絕對值有明顯的減小。施工狀態(tài)3完成后，由于WA位置遠離了端部，端部的流體分離不再對其產(chǎn)生影響，所以各風(fēng)向角下阻力系數不再發(fā)生改變。

圖5 WA位置阻力系數隨風(fēng)向角的變化規律

為了明確不同施工狀態(tài)下阻力系數的變化規律，對每種施工狀態(tài)下所有位置的阻力系數的最大值、最小值進(jìn)行統計，得到了不同施工狀態(tài)下，阻力系數極值的變化規律如圖6所示。從圖6可以看出不同施工狀態(tài)下，其阻力系數差異明顯。在工況1和工況8狀態(tài)下，按照文獻[9]提供的阻力系數計算，結果偏于保守。但是其余施工狀態(tài)下，受三維狀態(tài)及斜風(fēng)向的影響，阻力系數絕對值超過(guò)了2.2，特別是在工況4狀態(tài)下，阻力系數絕對值達到2.61，比規范中的建議值增大了19%，需要重點(diǎn)關(guān)注。

圖6 不同工況下阻力系數極值分布規律

3.1 不同風(fēng)向角下拱肋體型系數分布

工況7不同風(fēng)向角下WE位置處的體型系數分布狀態(tài)如圖7所示，圖7方塊表示此風(fēng)向角下5個(gè)測點(diǎn)的體型系數均值，線(xiàn)段表示5個(gè)點(diǎn)的波動(dòng)范圍。從圖7可以看出，風(fēng)向角的變化對各面上的體型系數均有較大的影響。

圖7 工況7不同風(fēng)向角下WE位置處體型系數分布

迎風(fēng)面在0°～180°風(fēng)向角之間變化時(shí)，測點(diǎn)體型系數均值逐漸由正值變?yōu)樨撝?，?.67減小到-0.76。在190°～350°風(fēng)向角之間變化時(shí)，隨著(zhù)風(fēng)向角的增大，體型系數從-0.86增到0.67。

上表面體型系數均值在試驗風(fēng)向角范圍內均為負值。在0°～90°風(fēng)向角之間變化時(shí)，測點(diǎn)體型系數均值從-1.04增大到-0.13。100°～170°風(fēng)向角下體型系數從-0.16減小到-1.08。190°～270°風(fēng)向角下上表面各位置的體型系數較為一致，體型系數從-1.02增到-0.11。280°～360°風(fēng)向角下隨著(zhù)風(fēng)向角的增大體型系數逐漸減小，從-0.13減小到-1.05。

背風(fēng)面體型系數在0°～180°風(fēng)向角之間變化時(shí)，各個(gè)位置的體型系數基本相等，體型系數從-0.99增大到0.62。190°～360°風(fēng)向角下背風(fēng)面，隨著(zhù)風(fēng)向角增大，體型系數逐漸減小從0.49減小到-0.99。

下表面測點(diǎn)體型系數變化規律與上表面相似，但受主梁的影響導致負向極值更小。在0°～90°風(fēng)向角之間變化時(shí)，隨著(zhù)風(fēng)向角增加，體型系數逐漸增大，均值從-1.24增大到-0.07。在100°～170°風(fēng)向角下體型系數逐漸減小，均值從-0.11減小到-1.02。在190°～270°風(fēng)向角下體型系數均值從-1.08增大到-0.07。在280°～360°風(fēng)向角下表面體型系數均值從-0.08減小到-1.24。

3.2 不同施工階段拱肋體型系數分布

0°風(fēng)向角下，WA位置處不同工況下體型系數的分布規律如圖8所示。圖8中橫坐標采用無(wú)量綱間距，分別以4個(gè)面中心點(diǎn)為零點(diǎn)，迎風(fēng)面和背風(fēng)面采用測點(diǎn)間距與拱肋高度H的比值，上表面和下表面采用測點(diǎn)間距與拱肋寬度B的比值。從圖8可以看出,拱肋4個(gè)面受到不同施工階段影響變化趨勢存在一定的差別。不同施工階段對迎風(fēng)面體型系數的影響可以忽略，以中間測點(diǎn)為例在0.84～0.87之間波動(dòng)。

圖8 0°風(fēng)向角下WA位置處不同工況下體型系數分布

上表面測點(diǎn)體型系數隨著(zhù)施工階段的進(jìn)行體型系數逐漸減小，在工況1和工況2時(shí)，測點(diǎn)體型系數為-0.99，工況3、4時(shí)體型系數為-1.03，工況7、8時(shí)體型系數為-1.11。

下表面測點(diǎn)體型系數隨著(zhù)施工階段的進(jìn)行體型系數逐漸減小，在工況1和工況2時(shí)，測點(diǎn)體型系數為-1.35，工況3時(shí)體型系數為-1.39，工況8時(shí)體型系數為-1.49。

背風(fēng)面測點(diǎn)體型系數隨著(zhù)施工階段的進(jìn)行體型系數逐漸減小，在工況1和工況2時(shí)，測點(diǎn)體型系數為-0.95，工況3、4時(shí)體型系數為-0.99，工況8時(shí)體型系數為-1.10。

通過(guò)風(fēng)洞試驗的方法，研究了主拱肋的風(fēng)荷載分布特征，得到了主拱肋不同位置、不同風(fēng)向角和不同施工階段下風(fēng)荷載特性的分布規律，得到如下結論：

(1)不同位置阻力系數隨風(fēng)向角的變化規律基本一致，先減小后增大，但是具體數值存在明顯差異。

(2)當施工進(jìn)行到一定階段后，靠近拱腳位置的阻力系數不再發(fā)生明顯改變。

(3)隨著(zhù)施工進(jìn)行，拱肋迎風(fēng)面的體型系數未發(fā)生明顯改變，其余3個(gè)面體型系數逐漸減小。