通过试验探究风攻角对扁平箱梁气动特性影响

　　下面文章主要是研究风攻角对扁平箱梁气动特性的影响，文章中还进行了扁平箱梁在-10°~10°攻角下的风洞测压试验，并分析风攻角对扁平箱梁的三分力系数、风压系数以及斯托罗哈数的影响，结果发现：随着风攻角的增加升力系数逐渐变大，4°风攻角后趋于平缓，风攻角对阻力系数和扭矩系数影响不大，随着风攻角的增加，扁平箱梁区域一、区域七、区域八的风压系数增大，其他区域随着风攻角增大呈减小趋势，随着风攻角的增大，扁平箱梁的旋涡脱落越来越明显。

　　关键词：风攻角,气动特性,三分力系数,风压系数,斯托罗哈数

　　扁平箱梁断面由于其良好的气动外形，被广泛的应用于大跨度桥梁中[1]。扁平箱梁的气动特性研究对于其抗风设计有着重要意义。杨群采用风洞试验的方法研究了风攻角对宽高比为5的矩形断面梁的其动力特性的影响，风攻角变化范围为0°~6°，得到的结果为不同攻角下的斯托罗哈数、驰振力系数和三分力系数[2]。风攻角对桥梁断面气动性能有重要影响，本文研究了扁平箱梁在不同攻角下的三分力系数、测点风压系数、分块风压系数以及斯托罗哈数并进行了分析，得出风攻角对扁平箱梁气动特性的影响规律，进而指导工程实际应用。

　　1风洞试验概况

　　通过节段风洞测压试验来研究风攻角对扁平气动特性的影响[3]，箱梁模型断面宽370mm，长为2000mm，高为64mm，沿模型长度方向在其中间表面布置一排测压孔，共60个，考虑到横断面尖角位置的流动参数变化比较大，这些位置的测压孔相对较密。《公路桥梁抗风设计规范》中对经历三分力试验建议风攻角的变化范围宜为-10°~10°[4]，本文采用风攻角的变化范围为-10°~10°，每2°一个变化，试验风速为10m/s。

　　在不同攻角下测得扁平箱梁的三分力系数、风压系数，通过对升力系数进行傅里叶变换得到升力系数频谱图，得出斯托罗哈数，并分析攻角对扁平箱梁三分力系数、测点风压系数以及斯托罗哈数的影响并画出影响曲线。

　　2风攻角对扁平箱梁气动特性的影响

　　2.1风攻角对三分力系数的影响

　　风荷载产生的根本原因是桥梁断面的存在改变了流场的分布与特性。在其他条件相同的情况下，形状相似的两个截面的静力风荷载应当与特征尺寸成比例，这样可以引入无量纲的静力力系数。

　　(1)单箱梁的阻力系数变化比较平缓，随着风攻角的增大，大致呈现出先减小后增大的类“U”型变化趋势，在0°风攻角时达到最小值，阻力系数约为0.065，在-10°风攻角下的阻力系数约为0.110，在10°风攻角下达到最大值，阻力系数约为0.110;

　　(2)与阻力系数相比，升力系数的变化幅度相对较大，在-10°~4°的风攻角范围内随着攻角的增大迅速增大，在4°~10°的风攻角范围内随着攻角的增大变化不明显，在-10°风攻角下达到最小值，升力系数约为-0.916;

　　(3)扭矩系数的变化幅度介于阻力系数和升力系数之间，在-10°~2°的风攻角范围内随着攻角的增大而增大，在-10°风攻角下达到最小值，扭矩系数约为-0.173,在2°~10°的风攻角范围内变化很小，扭矩系数在0.06~0.085范围变化。

　　2.2风攻角对风压系数的影响

　　通过分析扁平箱梁表面各测点的风压，可以判断箱梁所受气动力情况，一般用无量纲风压系数来描述模型表面的风压分布特性。箱梁表面风压系数可以表示断面周围气流的分离和再附情况。可以看出测点风压系数在不同攻角下大致呈相近的变化趋势，变化幅度有所不同，区域二、区域八两个区域随着风攻角的不同相同测点的风压系数差别较大;风压系数在区域一、二，区域五、六，区域六、七，区域七、八分界点处测点5、42、46、51均发生了突变，由原来的减小转为增大或者由原来的增大转为减小。

　　风压系数发生突变表明断面周围气流的分离和再附情况发生了改变，且这种情况的发生与风攻角无关与结构的断面外形有关。风攻角从10°~10°风压系数从0.54缓慢增加到0.84;区域二的风压系数从0.29减小到-0.7在缓慢增加到0.59;区域三的风压系数的从0.04减小到-0.61;区域四的风压系数由-0.2缓慢增加到-0.06，再减小到-0.38。风攻角的变化对区域二、三、四的影响整体表现为减小效应，对区域二的减小幅度最大，区域三次之，区域四再次之。

　　风攻角对区域五、区域六的影响趋势几乎相同，呈缓慢减小趋势;区域七的风压系数随着风攻角增大逐渐增大，由-1.04增加到-0.89;区域八的风压系数受风攻角影响较大，随着风攻角的增大由-1.5增加到-0.55，其增加幅度大于区域七。区域一、区域七、区域八的风压系数随着风攻角的增大而增大，区域八增加幅度最大;区域二、区域三、区域四、区域五、区域六风压系数随着风攻角的增大而减小，区域二减小幅度最大。随着风攻角的增大，卓越频率越来越明显，10°风攻角下已经出现明显的卓越频率，此时对应的St为0.6387。

　　3结论

　　(1)风攻角对扁平箱梁的三分力系数均有影响，其中对升力系数影响最大，随着风攻角增大升力系数呈增大趋势;阻力系数随着风攻角增大基本不变;扭矩系数随着风攻角的增加而增大，但2°风攻角后基本不变。

　　(2)风攻角在-10°~6°范围内时，扁平箱梁尾部无明显旋涡脱落;风攻角在6°~10°范围内时，扁平箱梁尾部存在旋涡脱落，且旋涡脱落随着风攻角的增加越来越明显。

　　参考文献：

　　[1]杨阳,张亮亮,吴波,符健.宽体扁平钢箱梁气动力特性及涡振性能研究[J].桥梁建设,2016,46(01):70-75.

　　[2]杨群,刘小兵.风攻角对宽高比为5的矩形断面梁气动力特性的影响[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版),2015(1):6-11.

　　[3]刘庆宽.多功能大气边界层风洞的设计与建设[J].实验流体力学,2011,25(3):66-70.

　　[4]中交公路规划设计院.公路桥梁抗风设计规范[M].人民交通出版社,2005.

　　推荐期刊：《桥梁建设》现由中国铁路工程总公司主管，中铁大桥局集团有限公司主办，中铁大桥局集团武汉桥梁科学研究院有限公司出版。