山区单悬臂廊桥结构抖振响应及等效风荷载

苏益; 李明水; 杨阳; 段青松

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20170647

山区单悬臂廊桥结构抖振响应及等效风荷载

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20170647

苏益^1,2,,
李明水^1,2, ,,
杨阳^1,2,
段青松^1,2

基金项目: 国家自然科学基金资助项目（51478402）

详细信息

作者简介:
苏益（1992—），男，博士研究生，研究方向为桥梁与结构风工程，E-mail： suyi8@my.swjtu.edu.cn

通讯作者:
李明水（1966—），男，教授，研究方向为桥梁与结构风工程，E-mail： lms_rcwe@126.com

中图分类号: U448.11
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出版历程
- 收稿日期: 2017-08-30
- 修回日期: 2018-05-31
- 网络出版日期: 2018-12-22
- 刊出日期: 2019-02-01

Buffeting Response and Equivalent Wind Load of Single Cantilever Corridor Bridge in Mountainous Areas

SU Yi^{1,2
,},
LI Mingshui^{1,2
, ,},
YANG Yang^1,2,
DUAN Qingsong^1,2

摘要

摘要: 为研究山区风环境下悬挑式人行桥梁抖振响应及风荷载，以某单悬臂观景廊桥为背景，通过风洞试验对结构的静力三分力系数以及不同风参数下的抖振响应进行了测量，并将结构横桥向最大等效风荷载规范计算值与试验值进行比较. 结果表明：山体地形对结构三分力系数及抖振响应影响较大，二者最大值均未出现在常规风向角；结构抖振响应随风速的增大而增大，受小幅风攻角的影响较小；横向抖振响应受一定程度紊流度变化的影响不敏感，但竖向及扭转响应整体随紊流度的增加呈明显增大趋势，在紊流度增大约40%的情况下二者均增大15%左右；竖向抖振响应随紊流积分尺度的增大（增幅约20%）而增大，增幅在9%左右，但积分尺度对横向抖振响应几乎无影响，对扭转响应的影响随风攻角的不同有较大差异，随着积分尺度的增大，3° 攻角下扭转响应增幅约为8%，0° 攻角其受积分尺度的变化影响较小；相比横桥向最大等效风荷载试验值，利用桥梁规范计算的结果偏于保守，静阵风系数的取值有待修正.
- 山区风环境 /
- 三分力系数 /
- 抖振响应 /
- 等效风荷载 /
- 悬挑结构 /
- 风洞试验
Abstract: In order to study the buffeting response and the wind loading of a cantilevered pedestrian bridge in windy mountainous, a corridor bridge model was put in a wind tunnel to obtain its aerostatic force coefficients and buffeting responses. The maximum equivalent wind load in the transverse direction was calculated according to the bridges structural code and compared to the experimental results. The complex mountainous terrain has a significant influence on the structural aerostatic force coefficients and the buffeting responses, although neither of their maximums arises due to the general wind yaw. The structural buffeting responses increase with higher wind speeds, while are affected little by the wind attack angles in a small range. The lateral buffeting response is neither sensitive to turbulence intensity nor the turbulence integral scale. The vertical and torsional responses show an uptrend with increasing turbulence intensity, and both increase by around 15% when the turbulence intensity increases by around 40%. The vertical responses increase by about 9% if the turbulence integral scale increases by about 20%, while the lateral responses are affected little by a change in integral scale. In spite of the small influence of the turbulence integral scales on the lateral responses, the torsional responses vary greatly at different wind attack angles. At an attack angle of 3°, the torsional responses increase by around 8% with the increased integral scale, but they are influenced little by the change in integral scale at a 0° attack angle. Compared with the lateral wind loading found in the wind tunnel, the maximum equivalent calculated from the bridges structural code seems too conservative, and hence the code’s static gust factor should be further investigated.
- wind environment in mountainous areas /
- aerostatic force coefficient /
- buffeting response /
- equivalent wind load /
- cantilevered structure /
- wind tunnel test

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图 1 模型风洞试验示意

Figure 1. Schematic of model and wind tunnel test

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图 2 风洞试验风向角及风攻角示意

Figure 2. Diagram of wind direction and angle of attack

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图 3 三分力系数曲线

Figure 3. Curves of aerostatic force coefficients

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图 4 各风场抖振响应变化曲线

Figure 4. Structural buffeting responses in different wind fields

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图 5 各抖振响应随紊流度改变的增幅

Figure 5. Increments of buffeting responses with the variation of turbulence intensity

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图 6 各抖振响应随紊流积分尺度改变的增幅

Figure 6. Increments of buffeting responses with the variation of turbulence integral scale

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表 1 各类风场特性参数

Table 1. Characteristic parameters of wind fields

风场类别	${U_{\rm{m}}}$ /（m•s^–1）	${U_{\rm{f}}}$ /（m•s^–1）	${I_u}$	${I_w}$	${L_u}$ /m	${L_w}$ /m
风场I	6.87	48.58	0.117 7	0.098 4	1.023 2	0.431 3
风场I	4.65	32.88	0.108 4	0.098 5	0.850 3	0.367 8
风场II	6.87	48.58	0.069 8	0.052 7	1.082 8	0.452 4
风场II	4.68	33.09	0.068 9	0.051 1	0.939 4	0.417 4
风场III	6.85	48.44	0.065 0	0.049 9	1.300 2	0.556 5
风场III	4.68	33.09	0.063 1	0.050 1	1.096 0	0.448 8

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表 2 紊流度的变化对结构抖振响应的影响

Table 2. Effects of variation of turbulence intensity on the structural buffeting responses

结构抖振响应	$I$ 对结构抖振响应的影响
${\sigma _x}$	随着 $I$ 的增大 ${\Delta \sigma_{Ix}}$ 较小，大体均在5%以内，甚至有些工况响应减小. $I$ 对 ${\sigma _x}$ 影响较小
${\sigma _y}$	随着 $I$ 的增大各风向角响应值均明显增大， + 3° 攻角下整体 ${\Delta \sigma_{Iy}}$ 最大，各风向角响应 ${\Delta \sigma_{Iy}}$ 平均达到24.1%左右，0° 攻角 ${\Delta \sigma_{Iy}}$ 平均约为13.7%，–3° 攻角约为13.6%
${\sigma _\theta }$	随着 $I$ 的增大各风向角响应值均明显增大，–3° 攻角 ${\Delta \sigma_{I\theta}}$ 平均约为14.9%，0° 攻角约为14.4%， + 3° 攻角约为17.1%

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表 3 紊流积分尺度的变化对结构抖振响应的影响

Table 3. Effects of variation of turbulence integral scale on the structural buffeting responses

结构抖振响应	$L$ 对结构抖振响应的影响
${\sigma _x}$	所有工况各 ${\Delta \sigma_{Lx}}$ 不超过 $\pm$ 5%， $L$ 的变化几乎无影响
${\sigma _y}$	随着 $L$ 的增大各风向角响应值均呈现增大趋势，–3° 攻角各风向角 ${\Delta \sigma_{Ly}}$ 平均约为10.4%，0° 攻角 ${\Delta \sigma_{Ly}}$ 平均约为7.8%， + 3° 攻角 ${\Delta \sigma_{Ly}}$ 平均约为8.8%
${\sigma _\theta }$	± 3° 攻角下，随着 $L$ 的增大各风向角响应值大体均增大，个别风向角出现减小的情况且减幅较小，除去个别响应值随L减小的工况， + 3° 和 – 3° 攻角下各风向角响应值 ${\Delta \sigma_{L\theta}}$ 平均分别约为9.4%、7.8%. 在0°攻角下随着 $L$ 的增大响应没有统一的变化规律，增量有正有负，且 ${\Delta _{L\theta }}$ 较小， $L$ 影响较小

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表 4 等效风荷载计算结果

Table 4. Results of equivalent wind loading

计算方法	静阵风系数	等效风荷载/N	计算误差值
《桥规》	1.325	24 361.55	38.5%
风洞试验		17 582.98

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施引文献

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