不同施工阶段拱肋风荷载特性试验研究

王云峰, 郑云飞, 李君君, 战启芳, 庞同军

(1.中铁十六局集团 第五工程有限公司，河北 唐山 064000；
2. 石家庄铁路职业技术学院 铁道工程系，河北 石家庄 050041)

随着拱桥跨度的逐渐增大，以及新结构、新材料的应用，使得拱桥的阻尼和刚度降低，从而使其在风荷载的作用下容易发生振动[1]，特别是在施工阶段拱肋缺少必要约束，容易发生振动，为了减少风荷载对拱桥的影响，研究人员从拱桥的气动力特征以及风振特性开展了相关研究。

郑史雄等[2]研究了矩形截面拱肋在二维和三维状态下气动力的分布特征，研究结果表明,二维状态下拱肋的阻力系数偏小，而规范中的取值过于保守，应该按照三维状态下的阻力系数进行设计。晏致涛等[3]采用风洞试验和数值模拟的方法，分析了单拱和双拱状态下拱肋的三分力系数、风压系数，结果表明,双拱肋状态下受到下游拱肋的影响，上游拱肋阻力系数略有减小。当两拱肋间的距离超过一定程度以后阻力系数不再发生明显改变。楼小峰等[4]采用数值模拟的方法研究了哑铃型拱肋的阻力系数和斯托罗哈数的分布规律。研究结果表明,双拱肋状态下，上游拱肋的阻力系数和斯托罗哈数与单拱肋状态下一致。杨詠昕等[5]等通过风洞试验节段测力试验提出了拱肋静力风荷载的预测方法，并提出对于包含圆截面构件的拱肋结构需要考虑雷诺数效应的影响。

郑史雄等[6]通过气弹模型试验研究了施工中刚构桥的风致振动，发现其横风向振动为主，可以通过增加横向连接提高其抗风安全度。李先进等[7]分析了三主桁拱肋的气动稳定性，发现拱顶横风向位移较大。涂俊等[8]对大跨钢箱拱-波形钢-桁架组合梁拱桥进行了气弹模型振动试验研究，得到了涡振和抖振响应的分布规律。

施工过程中钢拱肋往往采用节段拼装的施工工艺，不同施工阶段拱肋之间存在强烈的气流干扰现象，因此需要根据实际施工阶段，建立三维模型才能更准确地模拟拱肋的绕流场和风载系数。冯家江大跨度拱桥为下承式钢-混叠合梁简支钢拱桥，桥面板采用分块预制，预制板间采用现浇湿接缝连接。拱肋采用分段预制，采用吊车吊装的施工方式。针对不同施工阶段拱肋的受力特性，通过风洞试验刚性模型测压的方法，分析了不同施工阶段拱肋阻力系数、体型系数的分布规律，为大跨度拱桥矩形拱肋风荷载的准确取值提供参考。

1.1 模型参数介绍

试验在石家庄铁道大学风工程研究中心大气边界层风洞低速试验段内进行。试验中通过粗糙元和尖劈模拟桥梁所在地A类地貌大气边界层风场。试验模型采用1∶100的缩尺比，分别在前、后拱肋的20个断面布置了测点，纵向测点布置如图1所示。每个断面布置20个测点，测点布置示意图见图2。本项目测点总数为400个。本次试验中风速为16 m/s，采样频率为330 Hz，采样点数为9 900个。研究中考虑了8种施工状态。不同施工状态下结构图如图3所示。

图1 拱肋测点布置图

图2 拱肋测点周向布置图

图3 拱肋不同施工状态

1.2 试验参数定义

对于试验模型的结构外表面都布置了测点，得到的是结构上各测点的体型系数。对于结构外表面来说风压沿结构表面法向指向结构时为正值，远离结构时为负值。

采用无量纲风压系数来描述结构表面的风压

(1)

式中，Cpi,θ为i点在θ风向角下的风压系数；
Pi,θ为测点i在θ风向角下总压；
Ps为参考点静压平均值；
Pt为参考高度h处总压；
ρ为空气密度；
Vh为参考高度h处的平均风速。

体型系数可由测点的平均风压系数计算得到

(2)

(3)

式中，ρ为空气密度；
U为风速；
FH为拱肋横桥向受到的力，即阻力；
H为拱肋的高度；
CH为阻力系数。

2.1 不同风向角下拱肋阻力系数分布

工况1下WA位置处拱肋阻力系数随风向角的变化规律如图4(a)所示。总体而言在只有单边存在拱肋时，拱肋不同位置处的阻力系数随着风向角的增大呈现先减小后增大的趋势。在风向角0°～40°之间变化时减小较为缓慢，在50°～110°之间时减小趋势明显，在120°～170°之间时阻力系数在-0.85左右变化。在180°～200°之间时阻力系数虽然较为稳定，但是相较120°～170°时阻力系数减小了1倍。在210°～350°之间时逐渐增大，阻力系数与风向角之间为线性关系。

工况7下WE位置处拱肋阻力系数随风向角的变化规律如图4(b)所示。在0°～140°之间时随着风向角的增大阻力系数减小趋势明显，从2.12减小到-1.07；
在140°～160°之间时阻力系数基本稳定在-1.02左右；
在160°～190°之间时阻力系数略有减小；
在200°～240°之间时阻力系数基本稳定；
在250°～350°之间时随着风向角的增大阻力系数逐渐增大。

从图4中可以看出,不同位置阻力系数整体规律基本相同，具体数值存在明显差异，特别是位置较低时受到主梁的影响，但是阻力系数的最大绝对值基本在2左右。

图4 阻力系数随风向角的变化规律

2.2 不同施工阶段拱肋阻力系数分布

不同施工阶段WA位置处阻力系数的变化规律如图5所示。从图5可以看出,当施工阶段达到一定程度后，其阻力系数不发生改变。当施工完成第2阶段后，在160°～200°风向角之间变化时，由于另一拱肋的遮挡效应导致其阻力系数的绝对值有明显的减小。施工状态3完成后，由于WA位置远离了端部，端部的流体分离不再对其产生影响，所以各风向角下阻力系数不再发生改变。

图5 WA位置阻力系数随风向角的变化规律

为了明确不同施工状态下阻力系数的变化规律，对每种施工状态下所有位置的阻力系数的最大值、最小值进行统计，得到了不同施工状态下，阻力系数极值的变化规律如图6所示。从图6可以看出不同施工状态下，其阻力系数差异明显。在工况1和工况8状态下，按照文献[9]提供的阻力系数计算，结果偏于保守。但是其余施工状态下，受三维状态及斜风向的影响，阻力系数绝对值超过了2.2，特别是在工况4状态下，阻力系数绝对值达到2.61，比规范中的建议值增大了19%，需要重点关注。

图6 不同工况下阻力系数极值分布规律

3.1 不同风向角下拱肋体型系数分布

工况7不同风向角下WE位置处的体型系数分布状态如图7所示，图7方块表示此风向角下5个测点的体型系数均值，线段表示5个点的波动范围。从图7可以看出，风向角的变化对各面上的体型系数均有较大的影响。

图7 工况7不同风向角下WE位置处体型系数分布

迎风面在0°～180°风向角之间变化时，测点体型系数均值逐渐由正值变为负值，从0.67减小到-0.76。在190°～350°风向角之间变化时，随着风向角的增大，体型系数从-0.86增到0.67。

上表面体型系数均值在试验风向角范围内均为负值。在0°～90°风向角之间变化时，测点体型系数均值从-1.04增大到-0.13。100°～170°风向角下体型系数从-0.16减小到-1.08。190°～270°风向角下上表面各位置的体型系数较为一致，体型系数从-1.02增到-0.11。280°～360°风向角下随着风向角的增大体型系数逐渐减小，从-0.13减小到-1.05。

背风面体型系数在0°～180°风向角之间变化时，各个位置的体型系数基本相等，体型系数从-0.99增大到0.62。190°～360°风向角下背风面，随着风向角增大，体型系数逐渐减小从0.49减小到-0.99。

下表面测点体型系数变化规律与上表面相似，但受主梁的影响导致负向极值更小。在0°～90°风向角之间变化时，随着风向角增加，体型系数逐渐增大，均值从-1.24增大到-0.07。在100°～170°风向角下体型系数逐渐减小，均值从-0.11减小到-1.02。在190°～270°风向角下体型系数均值从-1.08增大到-0.07。在280°～360°风向角下表面体型系数均值从-0.08减小到-1.24。

3.2 不同施工阶段拱肋体型系数分布

0°风向角下，WA位置处不同工况下体型系数的分布规律如图8所示。图8中横坐标采用无量纲间距，分别以4个面中心点为零点，迎风面和背风面采用测点间距与拱肋高度H的比值，上表面和下表面采用测点间距与拱肋宽度B的比值。从图8可以看出,拱肋4个面受到不同施工阶段影响变化趋势存在一定的差别。不同施工阶段对迎风面体型系数的影响可以忽略，以中间测点为例在0.84～0.87之间波动。

图8 0°风向角下WA位置处不同工况下体型系数分布

上表面测点体型系数随着施工阶段的进行体型系数逐渐减小，在工况1和工况2时，测点体型系数为-0.99，工况3、4时体型系数为-1.03，工况7、8时体型系数为-1.11。

下表面测点体型系数随着施工阶段的进行体型系数逐渐减小，在工况1和工况2时，测点体型系数为-1.35，工况3时体型系数为-1.39，工况8时体型系数为-1.49。

背风面测点体型系数随着施工阶段的进行体型系数逐渐减小，在工况1和工况2时，测点体型系数为-0.95，工况3、4时体型系数为-0.99，工况8时体型系数为-1.10。

通过风洞试验的方法，研究了主拱肋的风荷载分布特征，得到了主拱肋不同位置、不同风向角和不同施工阶段下风荷载特性的分布规律，得到如下结论：

(1)不同位置阻力系数随风向角的变化规律基本一致，先减小后增大，但是具体数值存在明显差异。

(2)当施工进行到一定阶段后，靠近拱脚位置的阻力系数不再发生明显改变。

(3)随着施工进行，拱肋迎风面的体型系数未发生明显改变，其余3个面体型系数逐渐减小。