孫遠(yuǎn)+馬人樂+邱旭

摘 要：應(yīng)用高頻測力天平技術(shù)，分別對有附屬結(jié)構(gòu)和無附屬結(jié)構(gòu)的三邊形桅桿桿身進(jìn)行了均勻流和兩種紊流下的風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了桅桿的平均風(fēng)力系數(shù)、均方根力系數(shù)和順風(fēng)向、橫風(fēng)向及扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載譜.分析了雷諾數(shù)、紊流度、風(fēng)向角、附屬結(jié)構(gòu)等對風(fēng)荷載系數(shù)的影響，對比了試驗(yàn)體型系數(shù)和不同國家規(guī)范關(guān)于桅桿及其附屬結(jié)構(gòu)體型系數(shù)的規(guī)定.譜分析結(jié)果表明，順風(fēng)向風(fēng)荷載譜和脈動風(fēng)速譜的基本特征相同，橫風(fēng)向、扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載譜主要由低頻部分的紊流激勵(lì)譜和高頻部分的旋渦脫落激勵(lì)譜組成，無附屬結(jié)構(gòu)模型旋渦脫落譜有一個(gè)峰，峰值折減頻率在1.8左右，帶附屬結(jié)構(gòu)模型在90°風(fēng)向角下出現(xiàn)兩個(gè)明顯的旋渦脫落譜峰，峰值折減頻率分別在0.9和2.2左右，探討了格構(gòu)式塔架旋渦脫落譜的特性以及附屬結(jié)構(gòu)對其的影響機(jī)理.

關(guān)鍵詞：桅桿；高頻測力天平；風(fēng)洞試驗(yàn)；風(fēng)荷載特性

中圖分類號：TU312.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

桅桿結(jié)構(gòu)是由矗立的細(xì)長桿身和數(shù)層斜拉的纖繩組成的一種高柔結(jié)構(gòu)，在橫向荷載作用下存在大變形，具有強(qiáng)非線性[1].通常每層纖繩于空間相交于一點(diǎn)，且各層交點(diǎn)連成一線，整體結(jié)構(gòu)是一個(gè)瞬變體系，初始抗扭剛度為零.桅桿結(jié)構(gòu)的這些特點(diǎn)使其在風(fēng)荷載作用下易產(chǎn)生各種復(fù)雜的風(fēng)效應(yīng)，除順風(fēng)向風(fēng)振響應(yīng)外，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)風(fēng)振響應(yīng)同樣不可忽視.由于桅桿結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載非常敏感，在風(fēng)振響應(yīng)分析中，應(yīng)盡量精確地考慮外加風(fēng)荷載.順風(fēng)向風(fēng)荷載通?；跍?zhǔn)定常假定計(jì)算，而橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載的形成機(jī)理非常復(fù)雜，同紊流和尾流激勵(lì)都有關(guān)系，且受結(jié)構(gòu)形式的影響很大，很難找到統(tǒng)一的表達(dá)式和計(jì)算方法，一般需要通過風(fēng)洞試驗(yàn)測得.桅桿桿身通常為等截面的格構(gòu)式塔架結(jié)構(gòu)，桿件多、截面小，廣泛應(yīng)用于高層建筑、大屋蓋結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載測試的多點(diǎn)測壓方法[2]并不適用，因此，高頻天平測力是確定格構(gòu)式塔架風(fēng)荷載的主要風(fēng)洞試驗(yàn)手段.Carril[3]等對不同擋風(fēng)系數(shù)的塔架模型的平均風(fēng)力系數(shù)和均方根力系數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，考慮了微波天線盤的影響.張慶華、顧明等[4]對格構(gòu)式輸電塔進(jìn)行了不同紊流度下的風(fēng)洞試驗(yàn)，對測得的順風(fēng)向、橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載進(jìn)行了譜分析和相干性分析.梁樞果等[5]基于高頻天平測力風(fēng)洞試驗(yàn)，分析了3種格構(gòu)式塔架的風(fēng)荷載特征，并建立了廣義荷載譜解析模型.

目前，對格構(gòu)式塔架橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載的研究主要集中在對風(fēng)荷載譜的認(rèn)識上，研究對象多為四邊形塔架結(jié)構(gòu)，對三邊形塔架風(fēng)荷載特性的研究還很不足.本文通過高頻動態(tài)天平試驗(yàn)得到了三邊形桅桿桿身模型的平均風(fēng)力系數(shù)、均方根力系數(shù)以及風(fēng)荷載譜，分析了風(fēng)荷載的構(gòu)成機(jī)理和影響因素.

1 風(fēng)洞試驗(yàn)簡介

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

剛性模型測力試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ2水平回流式邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為3 m寬、2.5 m高、15 m長.試驗(yàn)原型取自典型的三邊形桅桿桿身結(jié)構(gòu)，如圖1所示，桿身邊寬1 m，且沿高度不變.為滿足使用功能要求，此類結(jié)構(gòu)通常帶有天線、饋線和爬梯等附屬結(jié)構(gòu)，其中天線通常安裝在指定高度，而饋線和爬梯沿桅桿高度分布.因此，試驗(yàn)時(shí)考慮饋線和爬梯分別制作無附屬結(jié)構(gòu)（模型A）和有附屬結(jié)構(gòu)（模型B）的兩種模型.

1.2 風(fēng)場模擬

試驗(yàn)采用的桅桿桿身節(jié)段原型高度不大，可以認(rèn)為在高度范圍內(nèi)平均風(fēng)速和紊流度基本不變.作為一般性研究，試驗(yàn)在均勻流場和紊流度分別為8%，15%的兩種均勻紊流場中進(jìn)行，通過格柵被動紊流發(fā)生裝置建立均勻紊流場.采用眼鏡蛇脈動風(fēng)速測試儀對風(fēng)場環(huán)境進(jìn)行了測試，表1給出了不同流場的平均風(fēng)速和紊流度.模擬紊流場脈動風(fēng)譜如圖4所示，圖中，f為頻率，Su（f）為脈動風(fēng)速譜，σ2為方差，Lxu為紊流積分尺度，U為平均風(fēng)速.從圖4可以看出，VonKarman譜和歐洲規(guī)范譜因隱含了紊流積分尺度，和試驗(yàn)風(fēng)速譜擬合較好，相比來說，Karman譜在低頻區(qū)擬合效果更好，而歐規(guī)范譜在慣性子區(qū)更接近樣本譜.

3 結(jié) 論

通過高頻動態(tài)天平測力試驗(yàn)，對三邊形桅桿桿身平均風(fēng)力系數(shù)、均方根力系數(shù)和風(fēng)荷載譜特性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠字Z數(shù)在臨界范圍內(nèi)，增大紊流度可以達(dá)到較高雷諾數(shù)的效果，阻力系數(shù)隨紊流度增大略有增大，無附屬結(jié)構(gòu)模型升力系數(shù)和扭矩系數(shù)很小，增加附屬結(jié)構(gòu)后，升力系數(shù)明顯增大.試驗(yàn)所得兩種模型的體型系數(shù)和我國規(guī)范GB50009-2012相比略小，比歐洲規(guī)范略大，日本規(guī)范取值最大，表明按GB50009-2012取值可以保證三邊形桅桿結(jié)構(gòu)的安全性.

2）均方根力系數(shù)隨紊流度的增大而增大，增加附屬結(jié)構(gòu)后阻力系數(shù)和升力系數(shù)均方根值有明顯增大，扭矩系數(shù)均方根值受附屬結(jié)構(gòu)的影響則不明顯.

3）桅桿桿身順風(fēng)向風(fēng)荷載譜是一種典型的順風(fēng)向風(fēng)湍流譜，橫風(fēng)向和扭轉(zhuǎn)向風(fēng)荷載譜由紊流作用和旋渦脫落激勵(lì)兩部分構(gòu)成.無附屬結(jié)構(gòu)模型旋渦脫落折減頻率在1.8左右，90°風(fēng)向角下帶附屬結(jié)構(gòu)模型有兩個(gè)旋渦脫落譜峰，峰值折減頻率分別在0.9和2.2左右.旋渦脫落激勵(lì)受構(gòu)件尺寸、間距等多種因素影響，規(guī)則的無附屬結(jié)構(gòu)模型旋渦脫落頻率集中在一個(gè)頻段范圍內(nèi)，形成一個(gè)整體譜峰，附屬結(jié)構(gòu)的干擾使得特定風(fēng)向角下結(jié)構(gòu)的旋渦脫落激勵(lì)存在兩個(gè)主頻率，從而形成兩個(gè)譜峰，對格構(gòu)式桅桿結(jié)構(gòu)，構(gòu)件布置越不規(guī)則，旋渦脫落譜越復(fù)雜.

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