土耳其“1915恰纳卡莱大桥”模型
近日，西南交通大学传来消息，由该校风工程试验研究中心承担的世界最大跨度桥梁土耳其“1915恰纳卡莱大桥”全桥气弹模型风洞试验，在历经4个多月后已圆满完成，而此次试验中使用的“西南交大XNJD-3风洞”也是目前世界最大的边界层风洞。什么是边界层风洞？其在这座世界最大跨度桥梁的建设中将发挥哪些作用？科技日报记者就此进行了采访。
土耳其“1915恰纳卡莱大桥”跨越土耳其海峡南端的达达尼尔海峡，建成后将成为连接欧亚大陆的又一重要陆路通道。作为主跨达到2023米的特大悬索桥，该桥计划投资32.5亿美元，建成后其跨度将超过日本明石海峡大桥（主跨1991米）而刷新桥梁跨度世界纪录。按照建设计划，该桥将在2023年建成通车。今年3月，“1915恰纳卡莱大桥”风洞试验项目面向全球公开招标，最终西南交通大学土木工程学院风工程试验研究中心和以廖海黎教授为首的桥梁风工程团队成功中标。
“风洞试验是大跨径和特大跨径桥梁设计中的关键环节之一，现实中的大桥如果没进行风洞试验，无法有效面对强风，最终会造成大桥损毁甚至垮塌的严重后果。”西南交大风工程实验室主任廖海黎说，学校风工程试验研究中心此次完成的大桥风洞试验是“成桥状态下的抗风试验”，即模拟大桥在面对各种风速下，测试大桥的稳定性及安全性，通过解决风振问题，为大桥的设计建设提供关键的技术支持。
试验中，大桥的模型设计成为第一道技术难关。
“该模型的设计、制作的难度非常大。”廖海黎说，此前国内从没有做过超过2000米悬索桥模型的经验。试验中，团队通过大量的计算分析和对比试验，最终制作出了适合的大桥模型。“整个大桥模型按照1:190的比例设计制作，桥的主梁每一段不能超过20克，从材料选取到设计都必须满足这个重量要求，包括里面的金属材料等。此外，这个模型内部的金属骨架也创新性地采用了新的结构形式，从而精确模拟了模型的特性。”廖海黎表示。
在接下来的试验中，科研团队根据土耳其气象部门提供的资料，在XNJD-3风洞中模拟出了大桥应对不同风速及不同角度风向的环境情况，进行了20至30次抗风试验，而每一种状态下都要经过至少两次的测试。最后团队再根据测试结果对大桥模型进行修改完善，以保证大桥的稳定性和安全性。“试验中，团队甚至模拟了最大的20级强风进行测试实验。”廖海黎说，该模型最终成功经受住了强风考验，帮助团队搜集到了相关数据，为大桥的设计建造提供了保障。
“风洞广泛应用于汽车、航天器、建筑物和运动设备的试验测试，是进行空气动力实验最常用、最有效的工具。”廖海黎说，建成于2008年的西南交大XNJD-3风洞，是目前世界最大的边界层风洞。其作为模拟大气边界层流动的一种低速风洞，能够模拟地球表面最强自然风对工程结构的作用，特别在模拟桥梁面对大风时的抗风试验上贡献颇多。近年来，该风洞先后完成了国内外100多座大桥的风洞试验，包括世界上最长10座悬索桥中的5座，最长10座斜拉桥中的4座。著名的港珠澳大桥、沪通公铁两用长江大桥、深中通道伶仃洋大桥等工程建设中都有该风洞的“贡献”。
目前，通过完成成桥状态下的抗风试验，已有效帮助解决“1915恰纳卡莱大桥”建设中涉及抗风安全的风振问题。未来，该风洞还将在大桥施工架设装置的抗风安全性、成桥的舒适度等方面开展相关试验。
