超大跨度懸索橋扁平單箱主梁氣動(dòng)特性CFD探析

孫艷麗

(山西誠(chéng)達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司)

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超大跨度懸索橋扁平單箱主梁氣動(dòng)特性CFD探析

孫艷麗

(山西誠(chéng)達(dá)公路勘察設(shè)計(jì)有限公司)

將詳細(xì)對(duì)超大跨度懸索橋扁平單箱主梁?jiǎn)?dòng)特性CFD進(jìn)行探析，此外，還會(huì)對(duì)懸索橋施工的另一結(jié)構(gòu)貓道減振進(jìn)行分析。

懸索橋；氣動(dòng)特征；CFD；貓道

1 數(shù)值模型的建立

1.1 主梁幾何模型

這個(gè)主梁高度是4.5 m，寬度是60.0 m，它屬于比較寬扁平的箱梁。空氣繞流橋兩端面的形態(tài)會(huì)受主梁上防護(hù)欄桿的影響進(jìn)行改變，對(duì)主梁氣動(dòng)特性也產(chǎn)生了很大的影響，對(duì)防護(hù)欄桿的主梁幾何模型也進(jìn)行了考慮。

1.2 空氣流場(chǎng)模型

在空氣繞流的主梁模型周邊，流場(chǎng)非常復(fù)雜，相對(duì)比較鈍化的模型，更容易形成范圍較大的尾流區(qū)。即使遠(yuǎn)離了模型區(qū)域，流場(chǎng)的結(jié)果也改變不大，流場(chǎng)與均勻流速場(chǎng)相接近，使其梯度的變化很小。而在尾流趨于流速及模型周邊，流場(chǎng)的壓力梯度就會(huì)很大。根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，在尾流區(qū)域及模型周邊都采用了密網(wǎng)格并且還設(shè)置了邊界層，選用疏網(wǎng)格安置在計(jì)算域的周邊，然后中間的區(qū)域再進(jìn)行非常合理的過(guò)渡。

模擬對(duì)象的不同，導(dǎo)致幾何線(xiàn)性在復(fù)雜性上不一致，即使在合理的計(jì)算區(qū)域范圍中，大小也不相同。在本數(shù)值分析中，采用的是長(zhǎng)方形的計(jì)算區(qū)域，在其中，Bt、Bu分別表示的主梁中心至背風(fēng)、側(cè)風(fēng)側(cè)邊界的距離，D是表示上下邊界的距離。在圖2的模型圖中，Bt=11.6 m、Bu=6.5 m、D=10 m,要滿(mǎn)足數(shù)值風(fēng)洞中計(jì)算的要求，就要保證順風(fēng)向阻塞率小于5%。如果很好的采用這個(gè)尺寸就可以滿(mǎn)足其要求。

根據(jù)流風(fēng)速的方向來(lái)定上下邊界條件，如果是正方向，速度進(jìn)口就定下邊界，壓力出口就定上邊界；如果是負(fù)方向，就定相反的；如果是水平方向，那么壓力出口就設(shè)置為上下邊界。在設(shè)置粘性系數(shù)與湍流強(qiáng)度時(shí)，一般都是通過(guò)邊界條件進(jìn)行設(shè)置，以此來(lái)完成湍流數(shù)值的描述。

2 主梁三分力系數(shù)

按照所取坐標(biāo)的不同，在主梁斷面作用的靜力三分力可以分為兩種不同的表達(dá)方式，及按風(fēng)軸坐標(biāo)系表示和按體軸坐標(biāo)系表示。

表1 氣動(dòng)力系數(shù)

風(fēng)速不同，風(fēng)政角不同，導(dǎo)致主梁的經(jīng)歷氣動(dòng)力系數(shù)也有非定常與定常兩種。一般來(lái)說(shuō)，非定常分析是引入隨時(shí)間而變化的流場(chǎng)特性，為使風(fēng)荷載時(shí)間的變化規(guī)律得以確定，需要分析可能出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力現(xiàn)象。而定常分析是指不需要引進(jìn)時(shí)間變量，如果流場(chǎng)特性不會(huì)隨著時(shí)間而變化，讓空氣可以通過(guò)平均風(fēng)速?gòu)撵o止不動(dòng)的橋梁繞過(guò)，以此可以形成一個(gè)定常流場(chǎng)，對(duì)于減少計(jì)算工作量來(lái)說(shuō)是很好的簡(jiǎn)化計(jì)算法。

由表1可見(jiàn)，采用非定場(chǎng)分析與定場(chǎng)分析的結(jié)果相差不是很大，而相對(duì)于此主梁形式，可以采用計(jì)算簡(jiǎn)單，耗時(shí)比較少的定常計(jì)算進(jìn)行分析。

3 主梁渦振性能分析

在經(jīng)過(guò)各種鈍體結(jié)構(gòu)斷面時(shí)，氣流很有可能會(huì)出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，主要原因是兩側(cè)交替發(fā)生變化的流旋渦問(wèn)題。在結(jié)構(gòu)上，漩渦脫落會(huì)形成比較小的粘滯力，不過(guò)如果漩渦脫落的頻率在等于或者接近結(jié)構(gòu)的自振頻率時(shí)，會(huì)引起結(jié)構(gòu)共振出現(xiàn)，對(duì)其結(jié)構(gòu)安全的危害非常嚴(yán)重。

使用斯托羅哈數(shù)St=fD/U可以描述漩渦脫落現(xiàn)象。在式中的f代表的是漩渦脫落頻率；D是流方向平面的特征尺寸；U作為來(lái)流速度。在進(jìn)行頻譜分析之前要了解非定常氣動(dòng)力的變化曲線(xiàn)，才可以對(duì)漩渦脫落頻率f進(jìn)行提取，之后再利用St=fD/U進(jìn)行計(jì)算就可以得到斯托羅哈書(shū)St。

非定常計(jì)算，主要是由不同風(fēng)速與O攻角下的主梁氣動(dòng)力進(jìn)行。由計(jì)算所呈現(xiàn)的不同風(fēng)速下斯托羅哈數(shù)和漩渦脫落頻率可以由表2可視。從表2可以看出，斯托羅哈數(shù)在此扁平主梁中還是比較小，有非常不錯(cuò)的渦振性能。

表2 主梁渦振性能參數(shù)

4 主梁顫振導(dǎo)數(shù)

作為一種非常危險(xiǎn)的自激發(fā)散振動(dòng)，顫振如果在風(fēng)速能達(dá)到臨界風(fēng)速的時(shí)候，橋梁在振動(dòng)中可以通過(guò)氣流出現(xiàn)的反饋?zhàn)饔貌粩辔沾罅磕芰?，從而使振幅能出現(xiàn)逐步的增大一直到最后讓結(jié)構(gòu)得以破壞。此顫振的自激力可以描述成為

式中：U代表來(lái)流風(fēng)速；p代表空氣密度，h代表的是在做純豎向振動(dòng)的時(shí)候振幅函數(shù)；α是作為純扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)振幅函數(shù)，K=ωB/U作為折算頻率?，F(xiàn)在來(lái)說(shuō)，對(duì)于求橋梁顫振發(fā)散臨界風(fēng)速中最有效與最廣泛的應(yīng)用方法就是顫振導(dǎo)數(shù)。一般求解顫振導(dǎo)數(shù)的方法有強(qiáng)迫振動(dòng)法以及自由振動(dòng)法。

主要是采用的強(qiáng)迫振動(dòng)法來(lái)求解顫振導(dǎo)數(shù)，解耦兩個(gè)模型運(yùn)動(dòng)的自由度，假使模型分別作純扭轉(zhuǎn)以及純豎向運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)模型在進(jìn)行純豎彎運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，豎彎的振幅會(huì)隨著時(shí)間變化進(jìn)行改變，公式為：h=h0cos(ωt)；當(dāng)模型隨著純扭轉(zhuǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)時(shí)，其扭轉(zhuǎn)的振幅隨時(shí)會(huì)隨時(shí)間變化，公式為：α=α0cos(ωt)。在此公式中，h0是作為模型純豎彎振動(dòng)最大的振幅，α0是作為模型純扭轉(zhuǎn)振動(dòng)最大的轉(zhuǎn)角，ω作為模型進(jìn)行簡(jiǎn)諧振動(dòng)頻率。在本計(jì)算公式中，h0=0.03m,ω=2πHz,α0=3°。

通過(guò)進(jìn)行編制UDF來(lái)實(shí)現(xiàn)模型強(qiáng)迫振動(dòng)，再運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)提取的數(shù)據(jù)進(jìn)行矩陣最小乘擬合計(jì)算就可以得到模型顫振導(dǎo)數(shù)。

5 超大跨度懸索橋貓道減振措施

5.1 控制面層的振動(dòng)

針對(duì)施工人員對(duì)單聯(lián)貓道誘發(fā)的水平和風(fēng)對(duì)兩聯(lián)貓道的風(fēng)振問(wèn)題以及扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的控制，可以運(yùn)用鋼絲繩將兩聯(lián)貓道相連起來(lái)。這樣子就可以把一聯(lián)貓道面層所發(fā)生的振動(dòng)以此傳遞至另一聯(lián)貓道上面，以相互的干涉作用對(duì)貓道的振動(dòng)進(jìn)行控制。在同時(shí)，懸掛著的連接繩可以當(dāng)做TMD進(jìn)行運(yùn)作，通過(guò)振動(dòng)可以吸收一部分的能量，在此方法上可以提高貓道的振動(dòng)衰減率。

5.2 控制水平變位的措施

在垂直橋軸方向的變位中，如果想控制主風(fēng)荷載作用下面層，就要用斜拉鎖與水平制振索將其兩聯(lián)貓道面層進(jìn)行連接，以此使抵抗變形能力提高。相對(duì)于日本的來(lái)島大橋，曾經(jīng)有風(fēng)洞試驗(yàn)證明，檔期風(fēng)速達(dá)到12m/s時(shí)，15束的索骨架設(shè)時(shí)貓道水平在有無(wú)斜拉鎖變位分別是2.77和1.47，而44束的索骨架設(shè)時(shí)貓道水平變?yōu)樵谟袩o(wú)斜拉索變位是2.88和1.69。從這里可以看出來(lái)，對(duì)于貓道的側(cè)向振動(dòng)，斜拉索的設(shè)置有很好的控制作用。

5.3 控制面層扭轉(zhuǎn)變形的對(duì)策

在主纜進(jìn)行架設(shè)的時(shí)候，在面層外側(cè)運(yùn)用鋼絲繩增大剛度，在以往的貓道設(shè)置抗風(fēng)吊桿的位置上，對(duì)面層橫梁進(jìn)行延長(zhǎng)，突出面層的兩側(cè)，然后將其固定在外索上面，面層上的抗扭轉(zhuǎn)能力就能得到很大的提高。相對(duì)于來(lái)島大橋，經(jīng)過(guò)計(jì)算解析要想達(dá)到與其相同的傾斜角，在外索必須要設(shè)置約1.3m的位置在貓道面層的外側(cè)上，通過(guò)間隔20m的橫梁與面層相連。

6 結(jié)束語(yǔ)

在對(duì)超大跨度懸索橋的扁平單箱主梁進(jìn)行數(shù)值的模擬計(jì)算后，得出一下結(jié)論：(1)非定常分析與定常分析的結(jié)果相差不大，采用相對(duì)比較簡(jiǎn)單，較少耗時(shí)的定常計(jì)算方法最佳。(2)如果在計(jì)算中得到扁平主梁的斯托羅哈數(shù)比較小，那就表示主梁模式有很好的渦振性能。(3)在風(fēng)軸的坐標(biāo)系下，三分力系數(shù)的絕對(duì)值會(huì)隨著風(fēng)攻角不斷加大而不斷增大，比較大的風(fēng)攻角下主梁相對(duì)而言穩(wěn)定性能比較低。在文中的后段了解了一下關(guān)于在超大跨度懸索橋中貓道帶來(lái)的減振效果及其措施。不管是對(duì)數(shù)據(jù)的分析還是對(duì)其它結(jié)構(gòu)的分析，都是為了保證主纜施工人員的安全及施工的質(zhì)量。

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[2] 劉琳娜.CFD方法在大跨度橋梁氣動(dòng)控制措施研究中的應(yīng)用[J].武漢理工大學(xué),2010，(6):1.

[3] 劉小軍,李連軍.大跨度懸索橋貓道減振措施探討[J].山西交通科技,2007，(2):28.

2015-02-14

孫艷麗(1984- )，女，山東單縣人，工程師。

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1008-3383(2015)12-0123-02