周傲秋 宋洪芳 孫傳智

(1.宿遷學院建筑工程學院 宿遷 223800； 2.營口市海洋預警監(jiān)測中心 營口 115007)

管道橋用于運輸天然氣，石油或水，途中常需跨越江河、峽谷深溝等阻礙。管道懸索橋體系受力合理、跨越能力強，且施工方便，因此被廣泛運用于油氣輸運工程中[1]。與公路懸索橋相比，管道懸索橋主梁寬跨比小、剛度低，因此對風荷載較為敏感。若管道遭強風損壞，引起石油或天然氣發(fā)生泄漏，可能導致火災或爆炸，造成人員傷亡和環(huán)境污染。因此保證管道跨越工程的安全運營具有重大意義。

在未來20年內，我國將持續(xù)推進中國西南地區(qū)油氣管網建設[2]。管道懸索橋構造復雜，包括加勁梁、管道、篦子板和欄桿等，國內外學者對其氣動特性進行了廣泛的研究。段銀龍等[3]利用風洞試驗得到怒江管道橋的靜三分力系數，通過ANSYS研究風纜傾角、風纜索力、管道位置、輸送介質質量對結構靜動力特性的影響，并給出了主索、橋塔和管道安裝的設計優(yōu)化方法；方國輝[4]以瀾滄江管道懸索橋為工程背景，對其顫振臨界風速、靜風穩(wěn)定性，以及顫振臨界風速影響因素等方面進行分析，結果表明，結構布置形式、主梁截面形狀、風纜夾角α、主纜風力，以及風攻角均是影響靜風穩(wěn)定性的重要因素；王凱等[5]通過風洞試驗研究了中緬油氣管道懸索橋風致振動響應，結果表明，跨度300 m以下的桁架管道橋具有很好的抗風穩(wěn)定性。

以往研究一般針對某座懸索管道橋的振動進行分析,而未進行該類橋梁的分類研究。管道作為管道懸索橋的核心構件之一，需滿足工程所需的不同設計要求，如管道直徑、管道數量、管道橫向間距等，上述因素均可能影響管道懸索橋的抗風性能。因此，有必要研究管道布置形式對管道懸索橋氣動特性的影響，為有效完善管道懸索橋的抗風設計規(guī)范提供可靠的參考依據。

1 靜風荷載

平均風流經結構斷面時，會在結構上施加靜力風荷載。靜力風荷載包含阻力、升力和扭矩3個分量。阻力由斷面迎風面與背風面的壓力差形成，升力由斷面上、下表面的壓力差形成，扭矩由兩者合力偏心作用在斷面形成。靜三分力坐標系表示方法分為體軸坐標系——沿截面形心主軸建立和風軸坐標系——坐標系沿風向建立[6]，靜三分力坐標系見圖1。

圖1 靜三分力坐標系

體軸三分力[7]計算方法見式(1)～(3)。

(1)

(2)

(3)

式中：U為試驗風速；ρ為空氣密度；L為節(jié)段模型長度；B為模型寬度；H為模型高度；FH(α)、FV(α)和MZ(α)分別為攻角α下的阻力、升力和扭矩，α為風攻角。

風軸與體軸的三分力換算關系見式(4)～(5)。

FD(α)=FH(α)cosα+FV(α) sinα

(4)

FL(α)=FV(α)cosα-FH(α) sinα

(5)

則風軸三分力系數見式(6)～(8)。

(6)

(7)

(8)

2 風洞試驗

2.1 試驗設備

該風洞為全鋼結構單回流閉口式邊界層風洞，風洞試驗段尺寸長18 m、寬3 m、高2.5 m，阻塞率小于5%，可進行小尺寸模型的風洞模擬試驗，模擬精度良好，設計最大風速50 m/s，配備可以旋轉0°～360°的β機構轉盤，其旋轉最小間隔0.1°。測力天平系統采用日本NITTA公司六分量高頻測力天平，量程FX=FY=315 N，FZ=630 N，MX=MY=MZ=63 N·m，精度0.06%，天平采樣時間為30 s，數據采樣頻率為200 Hz。

2.2 試驗工況

在管道懸索橋設計時，需考慮油氣需求量、能源需求種類與檢修通道的位置及尺寸等因素，其分別影響著管道直徑、管道數量與管道間距等參數，上述參數的改變可能會對懸索橋靜氣動性能產生不利影響，故有必要研究其對斷面靜三分力系數的影響。

風洞測力試驗以某管道懸索橋為研究對象，實橋斷面寬B=2 680 mm，高T=1 680 mm，受風洞尺寸限制，試驗制作縮尺比為1∶5的節(jié)段模型，縮尺后的橋梁斷面寬B=536 mm，高T=336 mm，模型節(jié)段長取1 000 mm。管道、篦子板及欄桿均采用PVC材料加工。模型的桁架采用鋁材制作，模型底部與測力天平通過多個螺栓連接，避免模型與天平產生相對滑動而產生附加慣性力。模型頂部懸掛一塊1.2 m×1.2 m的端板用于滿足結構周圍的二元流動假設。斷面示意圖見圖2。

圖2 模型斷面示意圖

試驗共分3種類型。選取D=70、160、250 mm的管道，分析管道直徑對橋梁斷面靜三分力系數的影響；選取D=70 mm和D=160 mm的管道，分析管道數量對橋梁斷面靜三分力系數的影響；選取D=70 mm的管道，改變管道橫向間距L=120，170，220，245，270 mm，分析管道橫向間距對橋梁斷面靜三分力系數的影響。

以上試驗工況均在均勻流場中進行，攻角α在-12°～12°范圍內變化，增量為1°。需要注意的是，縮尺后的橋梁斷面可能存在雷諾數效應，故試驗選取10級風速，通過風速變化，研究雷諾數對斷面靜三分力系數的影響。雷諾數試驗在均勻流場中進行，試驗攻角α=0°。

試驗工況表見表1，模型風洞試驗圖略。

表1 試驗工況

2.3 試驗結果與分析

2.3.1管道直徑的影響

試驗結果見圖3。

圖3 考慮管道直徑的靜三分力系數(15.51 m/s)

由圖3可知：

1) 在試驗攻角范圍內，隨著攻角增大，斷面阻力系數CD均先減小后增大，且極小值對應的攻角α隨直徑增大而增大，分別為3°，4°，9°，11°；當斷面無管道和D=250 mm時，斷面升力系數CL基本不變，D=70 mm和160 mm時的斷面升力系數CL隨α的增加而增大；隨著攻角增大，斷面扭矩系數CM均先增大后減小，且極大值對應攻角隨直徑增大而增大，分別為-1°、1°、7°、12°。

2) 管道的設置顯著增大了斷面的阻力系數和升力系數，且阻力系數值CD和升力系數值CL均隨著D的增大而增大；在α=-12°～7°范圍內，斷面扭矩系數CM隨著D的增大而增大，在α=7°～12°范圍內則相反。

總的來說，管道直徑D的增大，大幅增大了斷面的靜三分力系數，原因是由于試驗攻角α改變后，氣流在主梁下風側產生更大的漩渦，而上風側氣流變化不大，從而產生較大幅度的壓力差變化。故在設計階段應充分考慮管道直徑D對斷面靜三分力系數的影響。

2.3.2管道數量的影響

試驗結果見圖4。

圖4 考慮管道數量的靜三分力系數(15.51 m/s)

由圖4可知：

1) 當D=70 mm時，隨著攻角α增大，斷面阻力系數CD均先減小后增大，且極小值對應的攻角α隨管道數量的增加而增大，分別為3°、4°、5°，斷面升力系數CL均先增大后減小，極大值對應的攻角α分別為-1°、10°、4°，斷面扭矩系數CM均先減小后增大，且極小值對應的攻角α隨管道數量的增大而增大，分別為-1°、1°、3°；當D=160 mm時，隨著攻角α增大，斷面阻力系數CD均先減小后增大，且極小值對應的攻角α隨管道數量的增加大而增大，分別為3°、7°、10°，斷面升力系數CL均先增大后減小，極大值對應的攻角α分別為-1°、5°、2°，斷面扭矩系數CM均先減小后增大，且極小值對應的攻角α隨管道數量的增大而增大，分別為-1°、8°、11°。

2) 管道的設置顯著增大了斷面的靜三分力系數，該結論再次得到驗證；且隨著管道數量的增加，2種直徑管道的斷面靜三分力系數均隨之增大。

總的來說，管道數量的增加引起了斷面靜三分力系數顯著增大，這是因為管道數量越多，氣流透過桁架越困難，導致迎風面積的增大，從而引起靜三分力系數的增大。故在管道直徑的設計中應充分考慮管道數量對斷面靜三分力系數的影響。

2.3.3管道橫向間距影響

試驗結果見圖5。

圖5 考慮管道橫向間距的靜三分力系數(15.51 m/s)

由圖5可知：

1) 隨著攻角α的增加，阻力系數CD值均先減小后增大，在α=6°時均達到極小值；升力系數CL均先增大后減小，均在α=5°左右達到極大值；扭矩系數CM均先減小后增大，均在α=3°左右達到極小值。

2) 通過幾種工況的對比，再次得出結論：管道的設置會引起斷面靜三分力系數的顯著增大；且斷面靜三分力系數受管道橫向間距的影響均很小。

總的來說，管道橫向間距L對斷面靜三分力系數的影響幾乎可以忽略不計，這是因為管道數量相同的情況下，調整管道橫向間距不會改變迎風面積，氣流透過桁架的能力不發(fā)生改變，因此管道橫向間距對靜三分力系數影響很小。故在管道橋的設計階段，可根據實際情況靈活調整管道橫向間距。

2.3.4雷諾數效應

3種直徑管道斷面對應的雷諾數Re范圍分別為0.37×105～1.42×105、0.89×105～3.4×105、1.39×105～5.3×105，測力試驗結果見圖6。

圖6 考慮雷諾數效應的靜三分力系數曲線

由圖6可知，當配置D=160、250 mm單管道時，橋梁斷面靜三分力系數變化幅度不大；當配置D=70 mm單管道時，橋梁斷面阻力系數CD隨雷諾數Re增大而減?。簧ο禂礐L在U<18.5 m/s時基本不變，在U>18.5 m/s時隨Re的增大而減??；扭矩系數CM在U<18.5 m/s時基本不變，在U>18.5 m/s時隨Re的增大而增大。當配置D=70、160 mm雙管道時，橋梁斷面阻力系數CD與升力系數CL均在U<10.4 m/s時隨Re的增大而減小，當U>10.4 m/s后基本不變；2種橋梁斷面的扭矩系數CM均基本不變。總的來說，D越小，雷諾數效應越明顯。

3 結語

本文以某管道懸索橋為研究背景，制作縮尺節(jié)段模型進行風洞測力試驗，研究風攻角、管道直徑、管道數量、管道橫向間距對靜三分力系數的影響，并評估靜三分力系數雷諾數效應，得到結論如下。

1) 管道直徑的增大導致斷面的阻力系數和扭矩系數值隨之增大，同時引起升力系數值的大幅改變，在設計階段應選擇合適的管道尺寸。

2) 管道數量的增加導致斷面的靜三分力系數值隨之增大，在設計階段應選擇合適的管道數量。

3) 管道橫向間距對靜三分力系數的影響幾乎可以忽略不計，在設計階段可靈活布置管道橫向間距。

4) 相比大直徑管道，無論橋梁設置單管或雙管，小直徑管道的橋梁斷面雷諾數效應均更明顯。

5) 需要注意的是，本文選擇跨度較大的管道直徑與間距的目的在于能全面模擬實際工程中不同管道直徑、管道間距對斷面靜氣動性能的影響，但本文僅初步分析了管道直徑和間距的影響大小，截面優(yōu)化及精度還有待進一步研究。