风洞试验在大跨度公路桥梁抗风性能研究中的应用

引言

为避免风荷载作用给大跨度公路桥梁的可靠性造成影响，需要对公路桥梁的抗风性能做进一步研究，其中风洞试验是目前较为有效的研究手段，能够对公路桥梁模型的各类风荷载、风场进行模拟，获取有关公路桥梁模型的气动特性、风振响应等相关数据，为公路桥梁抗风性能提供科学数据支持。

一、风洞试验原理与类型

1. 风洞试验原理

根据相似性理论，风洞模拟实际大气边界层风场，将按相似比例建造的桥梁缩比模型置于风场中，施加气动，以气动力矩及模型振动响应为参数，对桥梁受风作用进行分析。风洞试验应遵循几何相似、运动相似、动力相似原则，确保风洞试验结果能够反映大桥风阻的实际情况。

2. 风洞类型

（1）低速风洞

低速风洞是目前研究桥梁风阻最常用的风洞类型，试验断面风洞的风速在0-100m/s 范围内。对于低速风洞根据其分类，分为开路式风洞和闭环式风洞，开路式风洞的试验段内结构简单明了，空气通过后直接吸收排放到大气中；闭环式风洞的循环风洞使得气流保持流动，进一步保证了气流的均匀性以及稳定性。在公路桥梁的风阻性能的研究中，多采用低速风洞模拟自然风对桥梁的气动性能以及振动性能。

（2）高速风洞

其中试验范围内的风速都是大于 100m ／ s，可以进一步地得到桥梁极端风速或特殊风状态下的风阻特性，例如台风、龙卷风等强风对桥梁的影响。高速风洞要求设施较高，需要有高动力系统和高精度仪器才能满足大风状态下进行试验。

（3）边界层风洞

边界层风洞模拟大气边界层风速场与紊流条件，更加真实的还原了风场对桥梁的实际情况，试验段入口处设置的边界层风洞中尖劈、以及粗糙元的作用在于改变气流的紊流度及风速梯度使其更贴近于真实的大气边界层风场，在研究大跨度公路桥梁的抗风性能时，边界层风洞被广泛的利用在了复杂地形以及不同风攻角下桥梁的抗风性能研究上。

二、风洞试验在大跨度公路桥梁抗风性能研究中的应用

1. 桥梁气动力参数测定

对大跨径公路桥梁风阻特性研究，风洞试验是测定桥梁气动力参数的重要试验方法，风洞试验能够模拟不同风力大小和风向情况下气流对桥梁的作用进行桥梁的动态加载，进而测定桥梁阻力系数、升力系数、扭矩系数等重要气动力参数。在风荷载的作用下，桥梁阻力系数、升力系数、扭矩系数等重要气动力参数是评价桥梁是否稳定的重要参数，能够对桥梁的受力情况和桥梁的可能的振动响应起到决定作用。风洞试验还能够掌握桥梁截面形状气流作用下的受力规律，对桥梁进行气动设计，减小桥梁的风阻使其更加节约能源和更加安全。

2. 桥梁颤振特性研究

颤振是大跨度公桥在强风作用时所出现的一种自激振动，具有很强的破坏性。风洞实验通过模拟不同风速、风向来更全面地研究桥梁的颤振特性，包括测定桥梁的颤振临界风速，分析其颤振模式、频率等，对桥梁极端气候环境的稳定性预报具有十分重要的意义。通过改变桥梁的结构参数或采用控制手段( 如安装桥梁的颤振阻尼器 ) 来增加桥梁的颤振稳定性，确保其在恶劣环境下能够安全工作。

3. 桥梁抖振响应分析

抖振以局部随机振动的方式，由风引起的，对大跨径公路桥的长期使用性能影响比较严重。风洞试验可以模拟风场脉动，根据风洞模拟数据，可以得出该桥在不同风速、不同风向角下的振动特性，包括位移、加速度、应力等多个参数，对桥梁的抖振响应数据做统计分析，建立桥梁抖振响应模型，以此预测桥梁的长期性能。通过气动弹性模型试验，测试各类气动控制措施（如挡风屏、质量阻尼器等）的减振效果，为桥梁风阻设计提供科学的依据。

4. 桥梁涡激振动研究

关于大跨度公路桥梁的风致响应研究，风洞试验是测试桥梁 VIV 的重要手段。涡激振动是由于流体的脱离作用使得桥梁表面旋涡脱落，从而引起桥梁疲劳或破坏，属于疲劳的一种振动，具有周而复始的振动特征。在风洞试验中通过模拟不同的风速、风向，对桥梁的振动响应进行测试观测，通过尖端的传感器以及测量的手段对桥梁的幅值、频率、相位等进行测量，从而对桥梁的涡激振动特性进行研究。可以通过改变桥梁的几何外形以及设置导流板、改变桥面铺装的方法来对风洞试验中减小涡振的幅度进行方法探究，对于实际的工程项目建设有一定借鉴意义。

5. 抗风措施的效果评估

面对跨度较大的公路桥梁风险灾害问题，风洞试验可作为检测不同抗风措施的依据。例如，通过架设风障或改变桥梁断面形式、采用调谐质量阻尼器或其他被动控制装置等抗风措施，通过风洞试验检测这些方法下的桥梁振动响应，以定量分析各种抗风措施的减阻、减振、增稳作用。按照模型桥梁断面的形式变化对桥梁抗风荷载进行分析；为研究最优的抗减震性能可以设置多组不同的配置和参数调谐质量阻尼器；强度较大的试验数据为工程设计师提供了科学的指导，有利于他们从众多方案中选择最经济、有效的抗风方案，保证大跨径公路桥梁结构在不良天气条件下的稳定性和安全性。

结语

总之，风洞试验是大跨径公路桥梁风阻力研究的重要方法，对公路桥梁的研究起到了很大的促进作用，既为公路桥梁的设计提供了数据支持，又促进了设计理念和技术的进步，风洞试验的方法对今后大跨径公路桥梁风阻力的研究设计起到了科学的指导作用，让公路桥梁在风荷载的作用下可以稳定、安全的运行，促进我国交通事业的发展。

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