厦漳大桥钢箱梁外表面点风压实测
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摘要：为了现场实测天气良好状态下风对扁平钢箱梁外表面的压力大小。在厦漳大桥――斜拉桥跨中沿主梁横截面桥面、风嘴和梁底三个位置，布置风压传感器。根据采集数据，得到了箱梁表面风压的分布规律。与苏通大桥现场实测数据进行对比，发现二者风压分布规律具有很大相似性，并对造成其不同之处的原因进行了初步推测。结果表明，箱梁上的构件对箱梁表面风场分布影响很大,风压值分布符合伯努利方程。
中图分类号：TU文献标识码：A
0 引言
尽管近十几年来，国内外学者对风对人造构筑物外表面的压力大小及分布规律进行了很多现场实测实验与研究【1-3】，并从中取得了大量显著的成果和结论。但这些测量大都集中在台风作用下高、低层建筑物上，对于桥梁主梁表面，尤其是加劲梁为扁平钢箱梁外表面风压现场实测还很少。作为桥梁抗风理论的一个补充，测量方案基于桥型为斜拉桥的福建厦漳跨海大桥，在其跨中钢箱梁横截面上布置了38个风压传感器，现场实测良态天气条件下自然风对钢箱梁外表面的压力大小。从所有实测数据中选择两种不同风向下的风压值采集样本，进行了分析与研究。重点观测了桥面、风嘴、梁下这三个位置的风压大小及其分布规律。节选了西南交通大学陶奇博士【4】在与厦漳大桥属同一桥型，加劲梁同为带风嘴的流线型扁平钢箱梁的苏通大桥上的实测结果进行了比较，着重分析了造成两部分测量结果的不同之处的原因。实测方案所采用的测量方法、传感器的布置方案以及实测结果作为第一手资料都具有代表性。
1 工程概况
厦漳跨海大桥位于福建省厦门市与漳州市东部，横跨九龙江出海口，桥梁总长约9.3km。该桥海门岛以北连接厦门海沧区的为北汊桥，北汊主桥主跨780m，采用双塔双索面五跨连续半漂浮斜拉桥形式，加劲梁采用了空气动力性能良好的流线型扁平钢箱梁，梁宽38米，双向六车道。由于大桥位于沿海出海口，受海风影响较大，即使是良态天气条件下，瞬时风速也可达到7级以上。
从风压现场实测的角度来看，大桥位于大海上，其桥位地理环境是平坦的海平面，地表粗糙度为Ⅰ类【5】。桥梁本身结构属于斜拉桥，柔度大，易受风的影响，其主梁为扁平钢箱梁，表面光滑，构件少，对流场的分布影响因素少。风场分布具有很强的规律性，采集数据更具代表性。这些客观条件都利于计算机建模进行分析，所采集的数据和计算机模型的分析结果进行比较研究，相互佐证，促进诸如CFD、Float等流体分析软件发展，并为进一步桥梁风压现场实测的发展提供理论支持。
图1 厦漳跨海大桥北汊主桥总体布置图
2 实测系统
测量方案采用38个专门从西安新敏电子科技有限公司定制的CYB21-J03-C1-M4-F2风压变送器，量程：-1000Pa―1000Pa，精度：±0.3%F.S，输出信号：4～20mA，响应时间：≤1ms。该型传感器为压阻式压力传感器，其工作原理是利用固体本身的压阻效应将引起同体阻值变化的压力转变为电信号。结构简单、频响高、体积小、灵敏度高、输出电平大，且能测量负压【6】，符合采集精度、量程等各方面参数要求。
传感器布置于北汊桥的跨中位置，原则为转角处等典型部位布设稠密，开阔部位布设稀疏，以加劲梁中线为对称轴对称布置。由于厦漳大桥已通车，为了不影响交通，且保证传感器安全，放弃了在行车道上布置风压传感器。重点布置在三个部位：
桥面上（栏杆和钢护拦之间的检修道）
风嘴
梁底
其中，桥面6个，风嘴上部4个，风嘴下部14个，梁底14个。每个传感器高压端接0.5m长软管，进风口口径6mm，垂直于箱梁表面向外；所有传感器低压端通过气密性良好的三通连接在一起，端口置于一个盒子里，保证所有的传感器的参考压力相同，且不受温度影响。这样能得出比较精确的风压分布规律。
采用USB2.0-48-16AD 数据采集控制系统，进行数据采集，采样频率为4HZ。该控制系统内嵌USB数据采集模块，可直接连接到电脑上，实时采集数据并保存。保存方式是在信号调节器中加采样保持器的方法，在同步信号的控制下，把同一时刻的电流信号存入采样保持器，再顺序由一个A/D在极短的时间内将电流信号转换为风压值【4】，几乎可以满足同步采集的要求。
图2跨中箱梁截面传感器布置图、通道编号及风向
3 数据采集
数据采集选择在天气良好的条件下，由人工操作。与自动采集相比，人工采集有以下优势：可有针对性的采集典型风况下，箱梁表面的压力值；避免了自动采集所采集的大量重复或无效的数据，减少了数据处理的工作量；可实时监控数据采集系统和传感器的工作情况，对出现的异常数据及损坏的传感器进行及时处理。
由于分析数据时，所采用的平均风速为传统的10分钟平均风速，所以风压数据采集也选择10分钟为一组输出数据，风压值为10分钟平均风压值。
4 数据处理与分析
从所有采集数据中选择两种比较典型的不同风向数据样本进行分析：①1―6号传感器为迎风面，以下简称：风向A；②33―38号传感器为迎风面，以下简称：风向B。为了更为清晰地表达各测点的风压值及其分布规律，使用绘图工具将钢箱梁外表面轮廓和各测点的风压值绘制出来。
风向A：10分钟内最高风速10.1m/s,平均风速8.6m/s，平均温度28.0℃。
图3风压分布图 单位：Pa
从图中可得出，在同一个部位迎风面风压绝对值远大于背风面，其背风面风压积分值约为迎风面风压积分值的15.3%，说明由迎风面向背风面，静风压对箱梁影响程度越来越小。
梁底风压值出现突变，风压值由负突然变为正或由正突然变为负，是因为位于梁底14号和15号以及24号和25号之间的两条钢箱梁维护车轨道改变了光滑箱梁底的风场分布，使此处生成涡流。
分析箱梁所受静力三分力：阻力由迎风面指向背风面；升力在桥面上的指向向上，在梁底的指向向下，二者存在相互抵消作用；升力矩方向梁顶和梁底存在相互抵消作用。
在迎风面，风嘴上部风压值为正，桥面和风嘴下部为负值，这是由于风嘴上部正对来流方向，流体用较高速度以几乎垂直的速度，进入传感器高压端进风口，在高压端形成流体压力，此压力高于低压端的参考压力。而在桥面和风嘴下部，流体附着在箱梁表面以与进风口成九十度高速流过，根据伯努利方程：
（1）
式中p、ρ、v分别为流体的压强、密度和线性速度；h为铅垂高度；g为重力加速度；c为常量。
其中，对于气体可忽略重力，即（1）式中第三项，原式变为
（2）
当流体速度增大时，即（2）式中v增大时，在密度ρ、常量c不变的情况下，压强p减小，这时高压端进风口压强低于低压端参考压强，从而出现桥面、风嘴下部和梁底风压值为负值的现象。
风向B：10分钟内最高风速8.4m/s,平均风速5.6m/s，平均温度27.4℃。
图压分布图 单位：Pa
比较两次不同风向的数据采集样本，风从箱梁不同侧面吹来，梁底和风嘴表面风压值分布规律基本一致，说明实验准确性较高。其中，桥面风压值正负正好相反，推测是由于厦漳大桥已通车，桥面流场受护栏、检修道、斜拉索和钢护栏等构件的影响，发生了不确定性的流场分布变化所致。
图3和图4位于同一位置的传感器所采集风压值，相差较大，除了因为两组采集样本的风速不同外，初步推断还因为风攻角不同，有待更多数据采集、积累与研究分析。
苏通实测：
图5苏通实测平均压力系数分布
与苏通大桥实测结果相比较，迎风面：桥面上、风嘴上部及梁底风压分布规律相似，但风嘴下部不同。实验所测为负值，苏通实测为正值，初步推断原因为风攻角不同所致。
就梁底风压值分布来看，厦漳大桥梁底风压值分布没有苏通大桥梁底风压值分布规律性强。这主要因为厦漳大桥梁底有维护车轨道影响其风场分布，苏通大桥为则不存在这种影响。
厦漳大桥箱梁上背风面风压积分值与迎风面的风压积分值的比值为15.3%，远小于苏通实测70.5%的比值。
通过本实验两种不同风向、不同风速的实测值以及苏通大桥实测值的比较与分析，得出以下结论。
5 结论
梁上构件对钢箱梁表面风场分布影响很大，梁截面上的每一个转角，每一个突出于梁外表面的构件都会改变风对箱梁的压力。
两种不同风向下，背风面的风压值在大小和正负上都存在很大差异，原因尚不明确。
风对厦漳大桥钢箱梁上压力大小的影响，由迎风面到背风面衰减速度要远远大于在苏通大桥。这其中的原因尚待进一步的实验与资料积累。
参考资料
[1] 李秋胜,胡尚瑜,戴益民,李正农.低矮房屋屋面实测峰值风压分析[J]湖南大学学报（自然科学版）,2010,第37卷(第6期):11-16
[2] 戴益民,李秋胜,李正农.低矮房屋屋面风压特性的实测研究[J]土木工程学报,2008,第41卷(第6期):9-13
[3] 史文海,李正农.台风作用下厦门某超高层建筑的风场和风压特性实测研究[A]. 第十五届全国结构风工程会议论文集[C].杭州:人民交通出版社,2011, 242-245.
[4] 陶奇.大跨斜拉桥施工状态抖振响应现场实测研究与分析[D].西南交通大学:陶奇,2010.
[5] 陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社,2005.5.47-47.
[6] 申建红,李春祥.土木工程结构风场实测及新技术研究的进展[J]振动与冲击,2008,第27卷(第6期)：115-120
作者简介：郭龙,男,硕士研究生在读,研究方向桥梁抗风