近日西南交通大學(xué)傳來(lái)消息，由該校風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心承擔(dān)的世界最大跨度橋梁土耳其“1915恰納卡萊大橋”全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，在歷經(jīng)4個(gè)多月后已圓滿完成，而此次試驗(yàn)中使用的“西南交大XNJD-3風(fēng)洞”也是目前世界最大的邊界層風(fēng)洞。什么是邊界層風(fēng)洞？其在這座世界最大跨度橋梁的建設(shè)中將發(fā)揮哪些作用？科技日?qǐng)?bào)記者就此進(jìn)行了采訪。

土耳其“1915恰納卡萊大橋”跨越土耳其海峽南端的達(dá)達(dá)尼爾海峽，建成后將成為連接歐亞大陸的又一重要陸路通道。作為主跨達(dá)到2023米的特大懸索橋，該橋計(jì)劃投資32.5億美元，建成后其跨度將超過(guò)日本明石海峽大橋（主跨1991米）而刷新橋梁跨度世界紀(jì)錄。按照建設(shè)計(jì)劃，該橋?qū)⒃?023年建成通車。今年3月，“1915恰納卡萊大橋”風(fēng)洞試驗(yàn)項(xiàng)目面向全球公開(kāi)招標(biāo)，最終西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心和以廖海黎教授為首的橋梁風(fēng)工程團(tuán)隊(duì)成功中標(biāo)。

“風(fēng)洞試驗(yàn)是大跨徑和特大跨徑橋梁設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，現(xiàn)實(shí)中的大橋如果沒(méi)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，無(wú)法有效面對(duì)強(qiáng)風(fēng)，最終會(huì)造成大橋損毀甚至垮塌的嚴(yán)重后果。”西南交大風(fēng)工程實(shí)驗(yàn)室主任廖海黎說(shuō)，學(xué)校風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心此次完成的大橋風(fēng)洞試驗(yàn)是“成橋狀態(tài)下的抗風(fēng)試驗(yàn)”，即模擬大橋在面對(duì)各種風(fēng)速下，測(cè)試大橋的穩(wěn)定性及安全性，通過(guò)解決風(fēng)振問(wèn)題，為大橋的設(shè)計(jì)建設(shè)提供關(guān)鍵的技術(shù)支持。

試驗(yàn)中，大橋的模型設(shè)計(jì)成為第一道技術(shù)難關(guān)。

“該模型的設(shè)計(jì)、制作的難度非常大。”廖海黎說(shuō)，此前國(guó)內(nèi)從沒(méi)有做過(guò)超過(guò)2000米懸索橋模型的經(jīng)驗(yàn)。試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)大量的計(jì)算分析和對(duì)比試驗(yàn)，最終制作出了適合的大橋模型。“整個(gè)大橋模型按照1:190的比例設(shè)計(jì)制作，橋的主梁每一段不能超過(guò)20克，從材料選取到設(shè)計(jì)都必須滿足這個(gè)重量要求，包括里面的金屬材料等。此外，這個(gè)模型內(nèi)部的金屬骨架也創(chuàng)新性地采用了新的結(jié)構(gòu)形式，從而精確模擬了模型的特性。”廖海黎表示。

在接下來(lái)的試驗(yàn)中，科研團(tuán)隊(duì)根據(jù)土耳其氣象部門提供的資料，在XNJD-3風(fēng)洞中模擬出了大橋應(yīng)對(duì)不同風(fēng)速及不同角度風(fēng)向的環(huán)境情況，進(jìn)行了20至30次抗風(fēng)試驗(yàn)，而每一種狀態(tài)下都要經(jīng)過(guò)至少兩次的測(cè)試。最后團(tuán)隊(duì)再根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)大橋模型進(jìn)行修改完善，以保證大橋的穩(wěn)定性和安全性。“試驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)甚至模擬了最大的20級(jí)強(qiáng)風(fēng)進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)。”廖海黎說(shuō)，該模型最終成功經(jīng)受住了強(qiáng)風(fēng)考驗(yàn)，幫助團(tuán)隊(duì)搜集到了相關(guān)數(shù)據(jù)，為大橋的設(shè)計(jì)建造提供了保障。

“風(fēng)洞廣泛應(yīng)用于汽車、航天器、建筑物和運(yùn)動(dòng)設(shè)備的試驗(yàn)測(cè)試，是進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)最常用、最有效的工具。”廖海黎說(shuō)，建成于2008年的西南交大XNJD-3風(fēng)洞，是目前世界最大的邊界層風(fēng)洞。其作為模擬大氣邊界層流動(dòng)的一種低速風(fēng)洞，能夠模擬地球表面最強(qiáng)自然風(fēng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的作用，特別在模擬橋梁面對(duì)大風(fēng)時(shí)的抗風(fēng)試驗(yàn)上貢獻(xiàn)頗多。近年來(lái)，該風(fēng)洞先后完成了國(guó)內(nèi)外100多座大橋的風(fēng)洞試驗(yàn)，包括世界上最長(zhǎng)10座懸索橋中的5座，最長(zhǎng)10座斜拉橋中的4座。著名的港珠澳大橋、滬通公鐵兩用長(zhǎng)江大橋、深中通道伶仃洋大橋等工程建設(shè)中都有該風(fēng)洞的“貢獻(xiàn)”。

目前，通過(guò)完成成橋狀態(tài)下的抗風(fēng)試驗(yàn)，已有效幫助解決“1915恰納卡萊大橋”建設(shè)中涉及抗風(fēng)安全的風(fēng)振問(wèn)題。未來(lái)，該風(fēng)洞還將在大橋施工架設(shè)裝置的抗風(fēng)安全性、成橋的舒適度等方面開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)。（盛利）