基于常规和低速增压风洞试验的大跨度桥梁雷诺数问题研究

Wind resistant design and research of long-span bridges are based on wind tunnel tests. With restriction of conventional low speed wind tunnel condition, it is very difficult to meet the similarity criteria of Reynolds number. Recent researches have shown that the Reynolds number effect is not negligible on wind force coefficients and strouhal number, even if main girder has distinct edges, and it will cause design deviation if Reynolds number effect is neglected. In this research, by means of conventional low speed wind tunnel test (several hundred thousand Reynolds number) and low speed pressurized wind tunnel test (Reynolds number of bridge calculated by static gust velocity), taking wind force coefficients and strouhal number of typical girder section of long-span bridges, wind force coefficients of stay-cables with countermeasures(helical line) for wind-induced vibration as research objects, in the range from low Reynolds number to the high Reynolds number of bridge calculated by static gust velocity, research work will be carried out on the following problems: Reynolds number effect on wind force coefficients and strouhal number; Mechanism of occurrence of Reynolds number effect; Relation between the two types of parameters in low and high Reynolds number respectively; Rectification method from parameters obtained in low Reynolds number tests to real parameters value of bridge; Calculating method of maximum wind load in the whole Reynolds number range. Test and theory reference for increasing the accuracy of wind resistant design of long-span bridges will be provided.

大跨度桥梁的抗风设计和研究主要以风洞试验为基础。受常规低速风洞条件的限制，试验中满足雷诺数相似准则十分困难，而最近的研究发现即使是棱角分明的主梁，雷诺数对气动力系数和斯特罗哈数也有不可忽视的影响，忽略这些参数的雷诺数效应将导致结果的偏差。本项目通过常规低速风洞试验（几十万雷诺数）和低速增压风洞试验（实桥静阵风风速对应的雷诺数），以大跨度桥梁典型断面的气动力系数和斯特罗哈数、附加抑制风雨振气动措施(各种参数螺旋线)的斜拉索的气动力系数为研究对象，在低雷诺数到静阵风风速对应的实桥构件雷诺数范围内，研究气动力系数和斯特罗哈数的雷诺数效应；研究雷诺数效应发生的机理；研究两参数在低、高雷诺数间数值的对应关系；研究以低雷诺数下的参数为基础，得出实桥雷诺数下两参数真实数值的参数修正和计算方法；研究全雷诺数范围内风荷载最大值的计算方法，为提高大跨度桥梁抗风计算精度提供试验和理论方法。

风荷载是大跨度桥梁设计的重要的荷载。在设计阶段，通过风洞试验或其它方法准确掌握风荷载的大小，对于大桥设计的安全和经济具有重要的意义。常规的风洞试验中，受风洞条件的限制，满足雷诺数相似准则十分困难，而研究发现桥梁的主梁和构件，如主缆和斜拉索等，雷诺数对气动力系数和斯特罗哈数有着不可忽视的影响，忽略这些参数的雷诺数效应将导致结果的偏差。本项目通过不同雷诺数下的风洞试验，以大跨度桥梁典型主梁断面和主要构件的气动力系数和斯特罗哈数、附加抑制风雨振气动措施(各种参数螺旋线)的斜拉索的气动力系数为研究对象，在不同的雷诺数范围内，研究气动力系数和斯特罗哈数的雷诺数效应；研究雷诺数效应发生的机理；研究两参数在低、高雷诺数间数值的对应关系；研究以低雷诺数下的参数为基础，得出实桥雷诺数下两参数真实数值的参数修正和计算方法；研究全雷诺数范围内风荷载最大值的计算方法，为提高大跨度桥梁抗风计算精度提供试验和理论方法。通过研究，获得了既具有抑制风雨振效果、又具有良好气动力的斜拉索气动抑振措施的参数，完成了斜拉桥斜拉索风雨振气动抑振措施的参数优化；获得了缠绕螺旋线、表面粗糙度、表面变形、表面损伤情况下的斜拉索在亚临界、临界、超临界雷诺数范围内的气动力计算方法、气动振动特性；获得了湍流度、端部条件等对气动力和振动的影响；获得了斜风下斜拉索气动力和风致振动的规律和机理；获得了并列斜拉索的气动力和风致振动规律；以虎门二桥为研究对象，获得了主梁断面的气动力、风压分布、斯特罗哈数等随雷诺数的变化规律，以及雷诺数效应的发生机理；获得了并列桥梁断面的气动力和风致振动规律。以上研究结果阐述了雷诺数效应的机理，获得的不同雷诺数下的气动力和风致振动特性为下一步的研究以及桥梁设计提供了依据和参考。