降雨对桥梁主梁静力特性的影响

辛大波，王 亮，李 惠，欧进萍，2

（1.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090；2.大连理工大学 土木水利学院，辽宁 大连 116024）

0 引 言

桥梁是重要的基础设施工程。随着科学技术的不断进步，桥梁结构呈现长、细、柔、轻的发展趋势，结构刚度和阻尼不断降低，这使得大跨桥梁结构对风的敏感性更加突出。风对桥梁的作用是一个十分复杂的现象，它受到自然风的特性、桥梁主梁断面形状、桥梁结构特性以及风与桥梁结构的相互作用等四个方面的制约［1］，风对桥梁的作用包括静力作用和动力作用，风致静力作用又包括静风荷载作用与风致静力失稳，与动力失稳相比，静力失稳发生前没有任何先兆，突发性强，破坏性更大［2］。因此，风致静力作用具有重要的研究价值。

传统的桥梁结构静力作用的研究都是基于均匀来流风场［3－7］，然而，对于建设在台风频繁侵袭区域的大跨度桥梁结构来说，强风常常伴随着降雨，特别对于台风天气，强风与暴雨耦合更是其主要特征。大跨桥梁结构处于风雨联合作用时，单一考虑风场进行风致作用分析得出的结论与实际有一定的偏差，其原因在于雨场的存在以及雨场和风场的相互耦合作用。因此，风雨联合作用构成了大跨桥梁的最不利荷载环境，在进行桥梁风致静力作用分析时考虑降雨的影响更符合客观实际。同时，考虑降雨作用对于精细化分析大跨桥梁风致作用至关重要。同济大学葛耀军等进行了风雨共同作用下结构荷载与响应的理论分析及试验研究［8］。研究表明，降雨对模型受到的定常气动力有一定影响。目前，如何评价降雨对桥梁主梁风致静力作用的影响规律尚不清楚。

本文针对大跨桥梁主梁风雨联合作用现象，从静力学角度出发，分析风雨联合作用下桥梁主梁荷载的三个组成成分，即风雨致静力三组分，以及桥梁主梁风雨致静力相对纯风作用下的风致静力增量，并给出了测试方法，通过在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统，以一开槽双箱桥梁主梁为研究对象，完成主梁节段模型在风雨耦合场作用下的静力特性试验，进而研究降雨对桥梁主梁风致静力作用的影响规律。

1 风雨致静力三组分

参照桥梁风致静力模型，风雨联合作用下桥梁主梁风雨致静力荷载模型仍采用风致静力三分力模型，如图1所示。

图1 桥梁主梁风雨致静力三分力Fig.1 Wind－rain－induced three dimensional static component forces of bridge section

在风轴坐标系下，主梁风雨致静力三分力可由无量纲的三分力系数表达为：

式中ρ——来流密度（kg／m3）；

U——来流速度（m／s）；

B——桥梁主梁宽度（m）；

L——桥梁主梁长度（m）。

风雨联合作用下桥梁主梁风雨致静力主要包括以下三个组成部分（三组分）：

（1）雨的质量引起的桥梁主梁静力。

（2）雨的冲击力引起的桥梁主梁静力。

（3）风雨联合作用下桥梁主梁风致静力。此时的风致静力相对于纯风作用下的风致静力变化由风场改变决定，该风场改变源自两个影响因素，即空间雨滴引起的风场改变以及桥梁主梁上的水膜附着引起的风场改变。

风雨联合作用下桥梁主梁风雨致静力三组分可以表达为：

降雨对桥梁主梁风致静力作用的影响可以通过风雨联合作用下桥梁主梁风雨致静力相对于纯风作用下桥梁主梁风致静力的增量来表达：

式中ΔFD、ΔFL、ΔMT——风雨联合作用下桥梁主梁风雨致阻力、风雨致升力、风雨致扭矩相对纯风作用下桥梁主梁风致阻力、风致升力、风致扭矩的增量。

将上述三分力用相应的无量纲系数来表达，风雨联合作用下桥梁主梁风雨致静力相对纯风作用下桥梁主梁风致静力增量的三分力系数为：

风雨联合作用下雨的质量引起的桥梁主梁三分力系数分别为：

风雨联合作用下雨的冲击力引起的桥梁主梁三分力系数为：

风雨联合作用下桥梁主梁风致阻力、风致升力、风致扭矩相对纯风作用下桥梁主梁风致阻力、风致升力、风致扭矩增量的无量纲系数为：

薪酬与绩效管理是人力资源管理的重要组成部分。因此，做好人力资源管理的关键是薪酬与绩效管理。薪酬与绩效管理是一种将考核结果与加薪、晋升、奖金、评优、转岗以及裁员等相挂钩的管理制度[2]。薪酬与绩效管理是薪酬和绩效其实是人力资源管理的两个方面，其主要目的在于激励员工。绩效薪酬管理更为注重的是绩效工资和远期报酬。绩效薪酬管理的制度也更具有灵活性和弹性[3]。总之，薪酬与绩效管理是具有重要的优势的。薪酬与绩效管理对人力资源管理是具有重要的作用的。

2 桥梁主梁风雨致静力相对风致静力增量的测试方法

桥梁主梁风雨致静力系数与桥梁主梁风致静力系数的测试方法差别在于其三分力系数是在风雨联合作用环境中测得的。为了测量桥梁主梁风雨致静力相对风致静力增量，提出以下假设：

（1）在有风环境下，主梁节段模型表面的积水量及水膜形状不因风速改变而改变；

（2）雨的质量对桥梁主梁阻力无影响；

（3）对于桥梁主梁处于正负对称的两个来流风攻角位置，雨的质量对桥梁主梁的静力作用相同。

在风雨联合试验环境中采用力传感器采集桥梁主梁节段模型的阻力、升力、扭矩，具体测量过程如下：

（1）将节段模型放置于降雨影响范围中，且不在降雨器的正下方，如图2所示。

图2 试验装置相对位置图Fig.2 Relative position of experiment device

（2）水平来流风相对于桥梁主梁模型攻角α的桥梁主梁位置，保持风速U＝0不变，给定雨强I，持续降雨一分钟，将雨强快速降至零，在雨强降至零的瞬间，通过力传感器采集模型荷载F1K（K＝D、L、T），这里F1T即为M1T。此时节段模型受到雨的质量作用而没有受到风的作用，雨的质量作用于节段模型上的力为FGK，在雨停的瞬间虽还有少量雨滴从降雨器喷出，但不会降落到节段模型上，如图3所示。

图3 试验装置相对位置图Fig.3 Relative position of experiment device

（3）保持雨强I＝0时吹风，给定某一风速U，通过力传感器采集模型荷载。此时节段模型受风的作用而不受到雨的作用，所受力为，相当于纯风作用荷载。

图4 风雨联合作用下节段模型测试示意图Fig.4 Schematic map of test of section model subjected to wind and rain

此时节段模型受雨的质量作用、雨的冲击力作用以及风雨联合作用下的风致静力作用，所受力分别为

（6）选取不同攻角、风速、雨强重复以上过程，即可以得到不同攻角、风速、雨强下的、。

3 开槽双箱梁桥梁主梁节段模型风雨致静力试验

3.1 试验模型

试验选取开槽双箱梁桥梁主梁节段模型为研究对象，模型截面如图5所示。

图5 开槽双箱梁主梁节段模型断面（单位：mm）Fig.5 Cross section of a bridge deck model（unit：mm）

3.2 试验环境及设备

通过在闭口回流大气边界层风洞中安装降雨系统，进而实现风雨联合作用环境，如图6所示。

风雨联合作用系统中的降雨系统的模拟雨强连续变化范围为10～200mm／h，降雨面积为4×5m2，雨滴直径为0.1～6mm，降雨调节精度为7mm／h。用于桥梁主梁节段模型静力测量的力传感器型号为SML－200以及SML－1000，其量程分别为890N、4450N，精度为2.07648‰。

图6 风雨联合作用实测图Fig.6 Test chart of wind and rain actions

3.3 试验工况

试验中通过设定不同来流风速、攻角、降雨强度等参数交叉组成多种试验工况。具体参数如表1所示。

表1 来流风速、攻角、降雨强度数据Table 1 Data of inflow wind velocity，rainfall intensity and angle of attack

3.4 试验结果及分析

3.4.1 阻力

桥梁主梁风雨致阻力相对纯风作用下风致阻力增量包含两个部分，即风雨联合作用下雨的冲击力引起的桥梁主梁阻力、风雨联合作用下桥梁主梁风致阻力相对纯风作用下桥梁主梁风致阻力增量。以上两个部分所占比重分别记为不同攻角下，桥梁主梁阻力增量及其分量百分比如图7所示。

从图7可以看出，该开槽双箱梁桥梁主梁节段模型在风雨联合作用下，随来流风攻角由负方向至正方向连续变化过程中，雨的冲击力引起的主梁阻力先减小后趋于平缓，该主梁节段模型在风雨联合作用下的风致阻力相对于纯风作用下的风致阻力增量先增大后趋于平缓。攻角为－3°时以上两个阻力分别达到最小值和最大值，且以上两个阻力随来流风攻角的变化，呈现出相反的变化规律。从图7还可看出，当来流风攻角在－7.5°至－12°之间时，风雨联合作用下雨的冲击力引起的模型阻力增量所占比重较大；当来流风攻角在－7.5°至12°之间时，风雨联合作用下桥梁主梁模型风致阻力相对纯风作用下桥梁主梁模型风致阻力增量在模型阻力增量中所占比重较大。因此，针对开槽双箱梁桥梁主梁风雨致阻力相对于风致阻力变化，在较大的负攻角下雨的冲击力作用占主导；在较小的负攻角及正攻角下，空间雨滴以及主梁表面水膜附着引起的风场改变作用占主导。

图7 桥梁主梁阻力增量Fig.7 Drag increment of bridge deck section

3.4.2 升力

桥梁主梁风雨致升力相对纯风作用下风致升力增量包含三个部分，即风雨联合作用下雨的质量引起的桥梁主梁升力，风雨联合作用下雨的冲击力引起的桥梁主梁升力，以及风雨联合作用下桥梁主梁风致升力相对纯风作用下桥梁主梁风致升力增量。以上三个部分所占比重分别记为不同攻角下，桥梁主梁升力增量及其分量百分比如图8所示。

从图8可以看出，该主梁节段模型在风雨联合作用下随远端来流风攻角由负方向至正方向连续变化过程中，雨的质量引起的主梁升力先增大后减小，随后又增大再减小，沿攻角大致呈对称分布；雨的冲击力引起的主梁升力随攻角变化呈现波动特性；模型在风雨联合作用下的风致升力相对纯风作用下风致升力增量随攻角变化也呈现波动特性。从图8中还可看出，雨的质量、冲击力、空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变三个因素对桥梁主梁升力影响所占比重比较接近。

图8 桥梁主梁升力增量Fig.8 Lift increment of bridge deck section

3.4.3 扭矩

桥梁主梁风雨致扭矩相对纯风作用下风致扭矩增量包含三个部分，即风雨联合作用下雨的质量引起的桥梁主梁扭矩，风雨联合作用下雨的冲击力引起的桥梁主梁扭矩，风雨联合作用下桥梁主梁风致扭矩相对纯风作用下桥梁主梁风致扭矩增量。以三两个部分所占比重分别记为不同攻角下，桥梁主梁扭矩增量分量百分比如图9所示。

图9 桥梁主梁扭矩增量Fig.9 Torque increment of bridge deck section

从图9可以看出，该主梁节段模型在风雨联合作用下随来流风攻角由负方向至正方向变化连续变化过程中，雨的质量引起的主梁扭矩大致呈减小趋势，雨的冲击力引起的主梁扭矩先减小后增大，模型在风雨联合作用下风致扭矩相对于纯风作用下风致扭矩增量呈波动变化。从图9中还可看出，空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致扭矩影响最大，然后依次为雨的质量作用、雨的冲击力作用。

4 结 论

针对大跨桥梁断面风雨联合作用现象，本文从静力学角度出发，分析了桥梁主梁风雨致静力的三个组成部分，以及桥梁主梁风雨致静力相对于纯风作用下风致静力的增量，给出了测试方法，并通过在大气边界层风洞中搭建的风雨联合作用试验系统，以一开槽双箱梁桥梁主梁节段模型为试验研究对象，完成节段模型在风雨联合作用下的静力特性试验，进而获取降雨对桥梁主梁风致静力作用的影响规律，试验结论如下：

（1）针对开槽双箱梁桥梁主梁风雨致阻力相对于风致阻力增量，在较大的负攻角下雨的冲击力作用占主导；在较小的负攻角及正攻角下，空间雨滴以及主梁表面水膜附着引起的风场改变作用占主导。

（2）针对开槽双箱梁桥梁主梁风雨致升力相对于风致升力增量，雨的质量、冲击力、空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变三个因素对桥梁主梁升力影响所占比重比较接近。

（3）针对开槽双箱梁桥梁主梁风雨致扭矩相对于风致扭矩增量，空间雨滴和主梁表面水膜附着引起的风场改变对桥梁主梁风致扭矩影响最大，然后依次为雨的质量作用、雨的冲击力作用。

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