拉索阻力系数风洞试验研究范文

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《四川建筑科学研究杂志》2014年第三期

1试验内容

根据昂船洲大桥工程实际，分别对中跨与边跨拉索进行了风洞试验，其中来流顺桥向试验中定义沿来流方向拉索升高为顺风向，沿来流方向拉索降低为逆风向。拉索轴线与桥面夹角为α(倾斜角)，拉索所在垂直平面与来流方向的夹角为β(水平偏角)。中跨拉索α=21°，β=7.1°，边跨拉索α=36°，β=9.5°。试验风速从20m/s到50m/s，风速间隔为2m/s。采样频率为1000Hz，每点采集时间约续30s。试验共进行了如下内容:1)光滑表面模型，直径为169mm中跨拉索和直径为139mm的边跨拉索，倾斜角和风偏角按实际工程中跨与边跨拉索的角度定义;2)粘贴螺旋线表面形式拉索，拉索直径为169mm和139mm，螺旋线厚度选取2mm、4mm、6mm，倾斜角和水平偏角同上;3)压花表面形式，拉索直径为169mm及139mm，倾斜角和水平偏角同上。以上各种表面形式的拉索均进行三个来流方向的风洞试验，来流顺桥向试验中拉索顺风向编号为1，逆风向编号为2，来流横桥向时编号为3。

2试验结果与分析

2．1数据处理

由天平测出体轴系下的三分力FX、FY、FZ，可分别得到顺桥向与横桥向的水平阻力。

2．2结果分析

2．2．1风向对阻力系数的影响本试验中，边跨或中跨拉索的倾角固定，来流方向从沿纵桥向往横桥向变化时，拉索的阻力系数逐渐增大，横桥向时阻力系数达到最大值，从图5和图6数据分析，横桥向时的拉索阻力系数可达纵桥向阻力系数的15倍左右。来流沿纵桥向时，在顺风向时拉索将产生向下的压力，逆风向时产生向上的升力，随风速的增加，在这两个风向下阻力系数变化不大，并且两者阻力系数比较接近，顺风向下阻力系数稍大于处于逆风向时的情况。对比中跨和边跨拉索在来流沿纵桥向时的试验数据，边跨拉索阻力系数大于中跨拉索情况，分析其原因，主要是其倾斜角不一致所致，中跨拉索α=21°，边跨拉索α=36°。可见，来流沿纵桥向时，拉索的倾角是影响拉索阻力系数的主要因素。在实桥中，边跨小直径拉索的倾斜角大于中跨的大直径拉索，根据以往的研究成果，倾斜角增大会明显增加阻力系数［5］，本试验符合该现象。

2．2．2表面粗糙度对阻力系数影响同种工况下，螺旋线表面拉索与压花表面拉索阻力系数大于光滑表面情况，这说明随着表面粗糙度的增加，拉索阻力系数也随之增加。对于螺旋线表面，随着螺旋线高度的增加，阻力系数逐步增大，但风速的增大对阻力系数影响并不明显，因此，实际工程中，采用粘贴螺旋线改变拉索的气动特性，是抑制拉索风致振动特别是风雨振动的较好举措。同工况下，压花表面拉索阻力系数小于螺旋线表面情况，但压花表面拉索阻力系数随风速的增大有明显增大，因此，在实际工程中采用压花表面改善拉索气动特性时尤其要注意其引起结构风荷载的增加幅度。各工况下阻力系数分布如图7～14所示。

2．2．3纵桥向试验结果与现行规范的对比我国现行的公路桥梁抗风设计规范［1］根据苏通大桥的斜拉索实验［6］，对斜拉索纵桥向阻力系数进行了定义，规范的取值是根据光滑表面拉索的风洞试验数据得出。规范规定具有一定倾斜角的斜拉索阻力系数可近似按以下公式取值。其中，系数A在风速为25m/s时取值为1，当在设计风速下时取值为0.8;当倾斜角为90°时，Cd=A。对比同工况下阻力系数试验值与上述规范采用的经验公式取值，试验值小于规范取值，规范取值偏于保守。上述经验公式只考虑拉索倾角影响，而实际桥梁拉索与纵桥向一般会有一定偏角，因此，斜拉索倾角和风偏角对其阻力系数的综合影响有待进一步研究。

3结论

根据以上的研究和分析，可以得出以下结论。1)来流方向从顺桥向往横桥向变化时，阻力系数逐渐增大;来流方向沿纵桥向时拉索倾角对阻力系数值影响较大，风速对其影响较小。2)阻力系数随表面粗糙度的增加而增大，螺旋线表面阻力系数大于压花表面阻力系数。3)螺旋线表面拉索阻力系数受风速影响较小，压花表面阻力系数随风速的增大而增大。4)对比试验值与规范公式取值，规范取值偏于保守，斜拉索倾角和风偏角对其阻力系数的综合影响有待进一步研究。

作者：李志国曾加东李明水单位：西南交通大学土木工程学院