單管塔塔頭模型風洞試驗

唐 峰，張 帆，屠海明，周志勇

(1.土木工程防災國家重點實驗室(同濟大學), 上海 200092；2.中國鐵塔股份有限公司, 北京 100142； 3.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司, 上海 200092)

隨著通信行業的大規模發展，移動式通信塔的數量逐年增多，塔的形式也從傳統的空間桿系結構向多種形式發展，主要分為角鋼塔、多管塔、單管塔三種[1]。單管塔由于具有占地面積小、結構自重輕、施工速度快、人工要求低等優點，在國外被廣泛使用。近幾年單管塔在國內的使用也日益增多，但由于其在國內應用時間較短，還未形成一套關于單管塔的荷載取值、設計方法、制作要求等內容的完整體系。風荷載作為通信塔結構設計過程中的主要控制荷載，其設計取值主要參照《高聳結構設計規范》[2]和《建筑結構荷載規范》[3]，對于典型的圓柱和簡易幾何外形所受阻力也可參照大多數的風荷載設計規范[4-5]，不過由于單管塔的塔身直徑、天線尺寸、外挑距離在實際應用中需要根據不同功能需求進行調整，如果直接參考規范取值可能存在較大誤差。因此研究單管塔結構關鍵參數變化對所受風荷載及其變化規律影響能夠為單管塔設計提供重要依據。

目前通信塔抗風研究的主要實現手段仍以風洞試驗方法為主。張慶華等[6-7]通過高頻測力天平對格構式塔架和典型輸電塔塔頭靜氣動力特征進行了研究，研究結論表明格構式輸電塔頭靜氣動力主要以順風向阻力為主，紊流場對塔頭模型平均力系數影響較??；Carril等[8]研究了風向角、遮蔽效應等對阻力系數的影響，也得到了紊流場對于平均氣動力系數影響較小的結論；Martín等[9]基于高頻測力天平風洞試驗研究了微波天線數量及位置對格構式塔架所受風荷載的影響；鄧洪洲等[10]通過高頻測力天平技術得到了作用在模型上的平均風荷載和體型系數；Jatulis等[11]針對格構式塔架(格構件為圓鋼)的靜力風荷載進行了最優設計研究，給出了設計參考的優化建議；虞德群等[12]通過風洞試驗對單管塔塔體美化外罩的體型系數進行了研究。近年來，國內外學者也開始通過CFD方法對此類結構的抗風性能進行研究。Naeeni等[13]通過二維CFD方法研究了太陽能發電設備的拋物型收集器在不同風速及風向角下的流場形態，并從微觀角度解釋了組成構件對拋物型收集器受力性能的影響。Pezo等[14]通過數值方法，采用三種不同湍流模型對不同雷諾數范圍和不同攻角下拉索桅桿節段的阻力系數進行了測定。Fabre等[15]通過風洞試驗及CFD方法對帶有外挑結構的三角形格構式測風塔外部復雜流場結構進行了研究，數值計算結果與試驗結構吻合較好。

Prud′homme等[16]選取格構式塔架結構上的單一遮蔽角鋼構件為研究對象，通過風洞試驗研究了雷諾數、構件外形、湍流度等對遮蔽角件上所受風荷載的影響，研究結果表明雷諾數取1.4×104與3.81×104對遮蔽角件的阻力系數和升力系數的影響幾乎可以忽略不計。Schewe[17]通過風洞試驗研究了Re=104～107范圍內圓柱、梯形橋梁斷面、翼型斷面氣動力系數隨雷諾數的變化規律，發現適當的雷諾數改變會引起氣動力系數和Strouhal數的劇烈變化。Georgakis等[18]通過全尺寸模型的風洞試驗對不同外形的格構式桅桿隨雷諾數及風向角的變化進行了研究，結果表明規范規定的阻力系數值需要修正，均勻流場中桅桿阻力系數被低估了，而在紊流場中阻力系數則被高估了。

上述這些風洞和數值試驗研究對象主要是格構式剛性塔架模型和桅桿模型，然而對單管塔模型及其塔頭構件的抗風研究卻少有涉及。單管塔沿塔身分布的外形差異主要集中于頂部塔頭，風力特性在塔頭部位差異較大，因而對單管塔塔頭模型進行風洞試驗研究其阻力系數的不同影響因素是有必要的。此外，雷諾數對于結構阻力系數的影響也與結構幾何外形密切相關，工程結構中受雷諾數影響顯著并且受到工程師和科研工作者廣泛關注的是圓柱繞流問題。光滑圓柱的阻力系數會隨著雷諾數的變化出現急劇下降又緩慢上升的情況，單管塔作為類圓柱結構，其阻力系數的變化與雷諾數也密切相關。

基于上述背景，本文針對雙輪式單管塔塔頭分別設計了整體式和分離式兩種模型，采用不同的塔身直徑、天線尺寸、外挑距離等可變參數共13組模型，通過高頻測力天平技術在均勻流場中進行風洞試驗。對比不同模型隨風速變化的阻力系數曲線，也即隨雷諾數變化的曲線，研究這些參數對阻力系數的影響以及阻力系數在高雷諾數區間內的變化規律。通過對比整體和分離式模型，得到天線外形影響系數的變化規律，進而判斷外部天線對塔頭整體阻力的貢獻。試驗結果可為雙輪式單管塔塔頭設計選型提供參考和依據。

1 風洞試驗簡介

1.1 模型介紹

本文研究對象為雙輪式單管塔塔頭模型，塔頭由正十六邊形塔身(TB)、支架(BM)和天線(A)組成，dTB、dWT和sH、sB、sD分別表示對應原型塔身直徑、外挑距離和天線幾何尺寸(高、長、寬)，其中塔身直徑、外挑距離及天線幾何尺寸為可變參數，其余構件尺寸均保持不變。幾何外形及可變參數取值見圖1，詳細試驗尺寸參數見表1，其中模型凈投影面積S為正對來流方向的模型塔身及天線的凈投影面積。

為使得天平-模型系統固有頻率遠高于作用荷載的主要頻率范圍，需保證模型具有足夠的剛度和較輕的質量以及滿足幾何相似性要求，風洞試驗模型塔身部分采用輕質高強鋁合金制作，支架與天線部分采用不銹鋼及玻璃鋼制作，幾何縮尺比1∶4，見圖2。其中模型在風洞中的最大阻塞比為4.5%，故無需考慮風洞阻塞比修正。

本文試驗將模型分成以下2種類型：1)整體式模型，模型塔身、支架和天線共同受力，天平測得模型整體受力，見圖2(a)；2)分離式模型，模型塔身與支架、天線分離，天平僅與中間塔身連接，天平只測得塔身受力，見圖2(b)。整體式模型與分離式模型主要區別在于分離式模型去除了支架與塔身連接固定件，將外部天線通過底部附件連接件固定與鐵質圓盤，并與建筑轉盤通過螺栓連接，外部天線、支架不與塔身接觸，見圖2(c)。對應表1中模型1～3為整體式模型，模型4～6為分離式模型。

表1 模型試驗可變參數設置(縮尺比1∶4)Tab.1 Variable parameters of model test (scale 1∶4)

圖2 風洞試驗單管塔雙輪式塔頭模型Fig.2 Model of head of monopole (two-wheel type) in wind-tunnel test

1.2 試驗描述

本文試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-2大氣邊界層風洞中進行，作用于模型上的氣動力通過高頻動態測力天平測得，試驗采樣頻率300 Hz，采樣時間20 s。風速按照穩轉速方式施加，風速施加范圍5～30 m/s；試驗參考風速通過數字微壓記采集風壓換算得到，風速參考點位置位于建筑轉盤前緣2 m，高0.64 m，距洞壁0.72 m，見圖3。

圖3 風速參考點位置Fig.3 Position of wind speed reference point

針對整體式模型，本文進一步研究了不同的塔身直徑、天線尺寸、外挑距離對作用于模型上的阻力系數的影響。所有的試驗工況均考慮了阻力系數隨風向角的改變，其中風向角用φ表示，按逆時針方向施加?？紤]到結構對稱性，φ分別取為0°、30°和60°，天平坐標系及風向角見圖4。當φ=0°時，體軸、風軸與天平坐標系三軸重合。

2 試驗結果及影響因素分析

通過上述風洞試驗獲得作用在模型上的沿x方向和y方向的水平風荷載，以Fx和Fy表示，經式(1)～(3)變換后可得沿體軸方向的時均無量綱氣動力系數CFx、CFy和沿風軸方向的時均無量綱平均風壓力系數CD(本文CD均代表整體式模型所受順風向阻力系數)：

圖4 風洞試驗單管塔塔頭模型風向角Fig.4 Wind direction angle of model of head of monopole in wind-tunnel test

(1)

(2)

CD=CFxcosφ+CFysinφ

(3)

式中：Fx(t)、Fy(t)分別為天平測得的對應x方向和y方向的瞬時氣動力，V為經數字微壓計換算所得試驗參考風速，ρ為空氣密度，S為模型參考面積。

2.1 塔身直徑對阻力系數的影響

圖5為整體模型阻力系數隨雷諾數變化散點圖，其中(a)、(b)、(c)分別對應原型塔身直徑dTB為400、600和800 mm在不同風向角下阻力系數隨雷諾數的變化規律。從圖中可發現隨著雷諾數的增大，阻力系數基本保持穩定，說明在試驗雷諾數區間內，阻力系數對雷諾數的變化不敏感。因而本文通過對試驗雷諾數區間內各測試點取均值得到了對應風向角下不同塔身直徑模型阻力系數，見圖6。從中可發現對應風向角下，隨著塔身直徑增大，阻力系數降低，說明模型凈投影面積增加部分未能產生與之相匹配的阻力，這是由于塔身與天線的相互干擾從而導致阻力產生一定的折減。

圖5 不同直徑整體式模型阻力系數隨雷諾數變化Fig.5 Relation between drag coefficient of integrated models with different diameters and Reynolds number

圖6 不同塔身直徑模型阻力系數對比Fig.6 Comparison of drag coefficient of integrated models with different monopole diameters

此外，風向角的改變會引起模型周圍空氣繞流形態的改變，但由于本文選用的模型外挑距離較小，塔身與外部天線較近，從圖5中可看出繞流形態改變所引起的阻力系數在數值上的變化并不明顯，但對阻力系數隨雷諾數的變化趨勢有所影響。圖6中，塔身直徑dTB=400 mm時，風向角改變所引起的阻力系數趨勢變化較為明顯；塔身直徑dTB=600 mm時，風向角改變所引起的阻力系數趨勢變化較為不明顯。這是由于在一定范圍內，隨著塔身直徑增大，塔身在繞流系統中所起到的權重增大，阻力系數變化趨勢隨塔身直徑增大逐漸趨于平緩。

圖7為分離式模型中塔身阻力系數隨雷諾數變化規律，其中(a)、(b)、(c)分別對應塔身原型直徑dTB為400、600和800 mm在不同風向角下阻力系數隨雷諾數的變化規律，從圖中可以發現風向角對于分離式模型塔身阻力系數影響十分顯著。

圖7 不同直徑分離式模型阻力系數隨雷諾數變化Fig.7 Relation between drag coefficient of segregated models with different diameters and Reynolds number

當φ=0°時，來流在前緣天線處產生分流，尾流對塔身阻力影響較弱，阻力系數隨雷諾數的變化較為平緩；當φ=60°時，來流直接作用于塔身，塔身為近圓柱形，隨著雷諾數增大，呈現類似于圓柱的阻力特性，但天線與塔身的相互干擾作用又會減弱這種特性，因而阻力系數最終表現為隨著雷諾數的增加快速降低；當φ=30°時，模型沿來流方向呈非對稱狀態，流動復雜，阻力系數隨雷諾數增加而減小，且其對應雷諾數下的阻力系數數值均處于φ=0°與φ=60°對應阻力系數之間。同時從圖中可觀察到阻力系數隨雷諾數的變化近似呈線性下降趨勢，因而為比較塔身直徑對于阻力系數下降快慢的影響，對各風向角下的試驗數據進行線形擬合。

表2為通過線性擬合得到的不同塔身直徑不同風向角下分離式模型的阻力系數隨雷諾數變化的下降斜率。從中可以看出風向角固定時，隨著塔身直徑的增大，阻力系數隨雷諾數的下降趨勢逐漸變緩。

表2 不同直徑分離模型在不同風向角下阻力系數下降斜率Tab.2 Descending slope of drag coefficient of segregated models with different diameters under different wind direction angles

為考察天線及支架對整體模型氣動阻力的貢獻，本文定義了一個天線外形影響系數fa，表示外部天線所受阻力與整體模型所受阻力之比，其中外部天線阻力通過整體模型阻力與分離模型塔身所受阻力之差得到。由于附加連接(底部固定件)僅對底部流場有所影響，對上部流場的影響幾乎可以忽略不計，因而綜合考慮認為當其他條件一致時，整體式模型受力減去分離式模型塔身受力得到外部天線與支架受力的方法是可行的。天線外形影響系數fa的計算公式為

(4)

式中CD和CD_TB分別表示同一外形下整體式模型與分離式模型的阻力系數。

圖8 (a)、(b)、(c)為不同風向角下，不同塔身直徑的模型天線外形影響系數隨雷諾數變化曲線。從圖8(a)中可看出，當φ=0°時，隨雷諾數增大，三種塔直徑模型的天線外形影響系數很快趨于穩定，天線對于模型阻力的貢獻在φ=0°時受雷諾數影響較??；當φ=30°及φ=60°時，雷諾數對天線外形影響系數變化有較大影響，但隨著雷諾數的增大，呈現與圖8(a)中天線外形影響系數類似的變化規律，在高雷諾數段逐漸趨向穩定，說明外部天線所受阻力在整體塔頭風荷載中所占比例較大且隨著雷諾數的增大而增大，最終在高雷諾數段趨于穩定。同時，隨著塔身直徑的增大，天線外形影響系數整體降低，即隨著塔身直徑的增大，塔身在繞流影響中所起到的權重增大，相對降低了天線對于模型整體阻力的貢獻。

圖8 不同直徑模型天線外形影響系數隨雷諾數變化

2.2 天線尺寸對阻力系數的影響

本文選取了實際使用中常用的三種天線進行單管塔塔頭模型風洞試驗，其中天線尺寸中高度為變化較大，長度及寬度變化相對較小，三種天線尺寸見圖1。圖9為不同風向角及天線尺寸下整體模型阻力系數隨雷諾數變化曲線。

圖9 不同天線尺寸模型阻力系數隨雷諾數變化Fig.9 Relation between drag coefficient of models with different antenna sizes and Reynolds number

從圖中可看出，當φ=0°時，對應不同天線的試驗模型阻力系數均較為接近，受雷諾數變化的影響較小。當φ=30°及φ=60°時，阻力系數隨雷諾數的增大呈整體下降趨勢。但實際情況中所使用的天線在長寬高三個方面均有變化，加之天線與塔身組成的復雜三維繞流系統，本文試驗并不能很好給出使單管塔塔頭所受阻力最小的最優天線尺寸規格，只能從本文試驗中定性判斷天線3對應的尺寸為較優的天線尺寸規格。當φ=0°及φ=30°時，天線3所對應的阻力系數數值較另兩種天線規格??；當φ=60°時，天線3與天線1分別對應的阻力系數數值較為接近。

2.3 外挑距離對阻力系數的影響

圖10為不同的風向角及外挑距離下模型整體阻力系數隨雷諾數變化曲線。

圖10 不同外挑距離模型阻力系數隨雷諾數變化Fig.10 Relation between drag coefficient of models with different overhang distances and Reynolds number

從圖10 (a)中可看出當φ=0°時，阻力系數隨雷諾數變化較為平穩，其中當外挑距離位于122～693 mm時，阻力系數變化曲線幾乎重合，說明當外挑距離處于該分布區間時，流場性質較為類似，外挑距離對于阻力系數的影響較??；當外挑距離繼續增大時，阻力系數隨雷諾數的變化仍保持較為平緩的變化趨勢，阻力系數變化曲線上浮，阻力系數增大，這是由于當外挑距離逐漸增大時，由天線前緣分離引起的尾流流場對塔身的影響減弱；當φ=30°及φ=60°時，阻力系數隨風速變化呈現較為規則的下降趨勢，同時阻力系數變化曲線隨著外挑距離增大逐漸上升，且隨著外挑距離的增大，阻力系數在雷諾數逐漸增大的過程中下降趨勢逐漸變緩。

3 結 論

1) 整體式模型阻力系數對雷諾數變化不敏感，阻力系數會隨著塔身直徑的增大而降低。風向角對阻力系數的變化趨勢有所影響，在一定范圍內，隨著塔身直徑增大，阻力系數變化趨勢會逐漸趨于平緩。

2) 風向角對塔身所受阻力影響較顯著，φ=0°時，阻力系數隨雷諾數增加緩慢下降，φ≠0°時，阻力系數隨雷諾數增加快速下降。同時隨著塔身直徑的增大，相同風向角下，阻力系數隨雷諾數變化的下降斜率增加，下降趨勢逐漸變緩。天線外形影響系數隨著雷諾數的增加而增加，最終在高雷諾數段趨于穩定；塔身直徑增大，天線外形影響系數整體降低，天線對于整體阻力的貢獻減弱。

3)φ=0°時，天線尺寸對于阻力系數大小及變化趨勢影響較??；φ≠0°時，阻力系數隨雷諾數增加呈下降趨勢。天線3為試驗所采用的三種天線尺寸中較優的天線選型。

4) 阻力系數會隨著外挑距離的增大而增大，且隨雷諾數發展變化規律基本保持不變。其中φ=0°時，阻力系數隨雷諾數變化基本保持平穩；φ≠0°時，阻力系數隨雷諾數變化呈整體下降趨勢。