超大跨度分離三箱主梁橋梁抗風(fēng)性能及氣動(dòng)優(yōu)化研究

崔 興

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司)

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超大跨度分離三箱主梁橋梁抗風(fēng)性能及氣動(dòng)優(yōu)化研究

崔 興

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司)

對(duì)于超大跨度分離三箱主梁橋梁而言，對(duì)風(fēng)的作用有著較強(qiáng)的敏感性，其抗風(fēng)的性能已經(jīng)成為超大跨度橋梁設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)控制的因素。分離三箱主梁在超大跨度橋梁中是一種典型的主梁斷面形式，主要就分離三箱主梁中的抗風(fēng)性能和氣動(dòng)優(yōu)方案進(jìn)行分析，并提出氣動(dòng)措施的相關(guān)設(shè)置方法。

超大跨度橋；分離三箱主梁；抗風(fēng)性能

1 前 言

當(dāng)前，人們對(duì)于交通的需求在不斷的增強(qiáng)，加上國(guó)家與科技的快速發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了橋梁建設(shè)往更長(zhǎng)、更廣的方向發(fā)展。但是，隨著橋梁跨度的日益增大，風(fēng)力給其造成的振動(dòng)問題也越來越突出，尤其是超大跨度橋梁中的抗風(fēng)性能已經(jīng)成為了影響其安全建設(shè)與正常使用過程中的關(guān)健性因素。橋梁的主梁是整個(gè)橋梁中最主要的受風(fēng)構(gòu)件，其抗風(fēng)的性能在很大的程度上反映著整座橋梁的抗風(fēng)性能，因此，對(duì)主梁的抗風(fēng)性能進(jìn)行合理的優(yōu)化，已經(jīng)成了超大跨度橋梁設(shè)計(jì)中的重中之重。

2 分離三箱主梁氣動(dòng)措施方案與CFD 模擬方法

現(xiàn)以某超大跨度橋梁方案的總體布置為例，該橋的跨徑布置為：1 400m+3 500m+1 400m，系為三跨連續(xù)懸索橋，主纜利用碳纖維增強(qiáng)塑料，而主梁則采用分離三箱主梁引入已經(jīng)成功應(yīng)用在單箱主梁與分離雙箱主梁的氣動(dòng)措施優(yōu)化方案，針對(duì)分離三箱主梁建設(shè)，分別設(shè)計(jì)出了六種類型的氣動(dòng)措施優(yōu)化方案，以對(duì)不同氣動(dòng)措施對(duì)于分離三箱主梁的氣動(dòng)特性造成的影響程度進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)設(shè)置了不同氣動(dòng)措施的主梁斷面，可以通過CFD數(shù)值仿真軟件FLUENT計(jì)算出靜力三分力系數(shù)與顫振導(dǎo)數(shù)。利用線性方法計(jì)算出橫向屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲兩個(gè)類型靜風(fēng)的失穩(wěn)臨界風(fēng)速。利用兩個(gè)自由度半逆解法計(jì)算出橋梁顫振的臨界風(fēng)速?；贔LUENT中的CFD數(shù)值模擬，可利用長(zhǎng)方形計(jì)算區(qū)域方法，在迎風(fēng)側(cè)邊界使用速度入口，背風(fēng)側(cè)邊界則采用壓力出口，當(dāng)入口的風(fēng)速無豎向流動(dòng)時(shí)，上、下邊界都可以采用壓力出口。在入口的風(fēng)速受到風(fēng)攻角影響而出現(xiàn)一定的豎向流動(dòng)時(shí)，則將豎向流動(dòng)的來流方向邊界設(shè)定為速度入口，相反的另一個(gè)界面為壓力的出口。

3 主梁氣動(dòng)穩(wěn)定性能的優(yōu)化

3.1 合理的設(shè)主梁開槽寬度

主梁開槽的主要目的是為了利用開槽讓上下氣流可以進(jìn)行相互的流通，以此對(duì)主梁的顫振穩(wěn)定性能進(jìn)行優(yōu)化。如西堠門大橋、意大利墨西拿海峽大橋以及青島海灣大橋都是采用了這種主梁開槽的斷面形式，并且都能對(duì)橋梁的振動(dòng)進(jìn)行很好的抑制。如，將開槽的寬度分別取為:1m、2m、3m，而主梁的開槽寬度是2m的時(shí)候，主梁橫向屈曲臨界的風(fēng)速是100.2m/s，其風(fēng)速比其他的開槽主梁要高，但是相差不是很大，各個(gè)斷面橫向扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界風(fēng)速都大于96m/s，其扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界風(fēng)速也是在開槽寬度為2m時(shí)達(dá)到最高值80.8m/s。因此，在對(duì)主梁進(jìn)行開槽時(shí)必須嚴(yán)格對(duì)其寬度進(jìn)行控制，如果開槽過小，則和單箱主梁沒有明顯的差異，如開槽的寬度過大，又較容易致使靜風(fēng)的穩(wěn)定性降低，特別是對(duì)于主梁的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能而言，當(dāng)其主梁的開槽寬度超過2m時(shí)，其扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風(fēng)速就會(huì)隨隨著槽的寬度增加而下降。

3.2 合理設(shè)置兩翼箱梁腹板的水平傾角

在主梁的兩側(cè)進(jìn)行風(fēng)嘴設(shè)置主要是為了對(duì)主梁的形狀進(jìn)行改變，讓主梁的流線型變得更好，以達(dá)到對(duì)主梁繞流形態(tài)改善的目的。因此，恰當(dāng)?shù)膶?duì)其兩則的風(fēng)嘴進(jìn)行設(shè)置，能夠在很大的程度上提升主梁的顫振穩(wěn)定性能。

為了對(duì)主梁兩測(cè)的風(fēng)嘴形狀給主梁造成的影響進(jìn)行考查，可以利用對(duì)分離三箱主梁兩翼腹板傾角進(jìn)行改變的方法開展。如將其基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)傾角設(shè)置為0°，不同的傾角設(shè)置分別設(shè)置為:-5°和0°，從而得出當(dāng)兩翼腹板的傾角為-5°時(shí)，主梁的顫振臨界風(fēng)速最高達(dá)到了65.6m/s，比兩翼腹板傾角設(shè)置0°時(shí)顫振臨界風(fēng)速上升了29.13%。當(dāng)兩翼腹板傾角設(shè)置為0°時(shí)，主梁的顫振臨界風(fēng)最高則是50.8m/s，當(dāng)兩翼的腹板傾角為+5°時(shí)，其主梁他顫振臨界風(fēng)速是53.6m/s，比兩翼腹板傾角設(shè)置為零時(shí)高，顫振臨界度風(fēng)速上升了5.51%。從這個(gè)結(jié)果可以看出，比較扁平的主梁形式可以有效的提升主梁的顫振穩(wěn)定性能，但卻不能不斷的利用對(duì)其大小進(jìn)行改變來增加三箱主梁兩翼腹板的傾角，因?yàn)檫@樣做也很容易降低主梁的顫振穩(wěn)定性能。

3.3 合理的設(shè)置分流板寬度

分流板主要是設(shè)置在主梁的兩側(cè)，其主要作用是對(duì)氣流作用進(jìn)行分離。正常情況下，可以用兩條沿橋梁縱向通長(zhǎng)平板安裝在主梁兩翼的風(fēng)嘴處。合理的對(duì)分流板進(jìn)行設(shè)置，可以讓氣流提前分為上、下兩個(gè)部分穿過橋梁的斷面，并在很大的程度上加強(qiáng)主梁的空氣阻礙，從而降低主梁的振幅，對(duì)橋梁的振動(dòng)進(jìn)行有效的抑制。分流板的寬度度增加，對(duì)主梁所受到的風(fēng)阻力有著極大的影響，分流板寬度越寬，主梁受到的風(fēng)阻力就會(huì)越大，橫向的屈曲臨界風(fēng)速就會(huì)降低。而主梁中的扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風(fēng)速也會(huì)隨著分流板的寬度而增加，在其寬度低于2m時(shí)呈上升趨勢(shì)，而在其寬度高于2m時(shí)，則呈下降趨勢(shì)。因此，相關(guān)的施工人員需將主梁的橫向與扭轉(zhuǎn)屈曲穩(wěn)定性進(jìn)行綜合，在分離三箱主梁內(nèi)合理的對(duì)分流板的寬度進(jìn)行設(shè)置，從而提高橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定的性能。

3.4 合理設(shè)置水平穩(wěn)定板

水平穩(wěn)定板屬于一種平板構(gòu)件，其本身的穩(wěn)定性能相對(duì)較好，因此在主梁中合理的設(shè)置水平穩(wěn)定板能夠有效的提升整個(gè)主梁的穩(wěn)定性。當(dāng)主梁出現(xiàn)振動(dòng)時(shí)，水平穩(wěn)定板就會(huì)對(duì)風(fēng)的流動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行擾亂，干擾風(fēng)的脈動(dòng)頻率，進(jìn)而有效的改變脈動(dòng)風(fēng)給主梁造成的動(dòng)力作用。并且水平穩(wěn)定板在對(duì)氣流進(jìn)行擾亂時(shí)，還會(huì)制造成出一定的空氣阻尼，有效的對(duì)主梁振動(dòng)進(jìn)行抑制。

如，將下側(cè)水平穩(wěn)定板中心與橋面的高度值分別設(shè)定為:0m、1.5m、2.8m、4.1m?？梢缘贸?，當(dāng)水平穩(wěn)定板與橋面高度距離為1.5m時(shí)，進(jìn)行水平穩(wěn)定板的設(shè)置，就會(huì)致使主梁顫振臨界風(fēng)速減弱；而在水平穩(wěn)定板與橋面高度的距離超過1.5m時(shí)，主梁顫振臨界風(fēng)速就會(huì)隨著水平穩(wěn)定板的高度增加而上升，但是上升的幅度呈有限狀態(tài)；當(dāng)水平穩(wěn)定板與橋面高度的距離是4.1m時(shí)，顫振臨界風(fēng)速最高則達(dá)到了53.5m/s，與不設(shè)置水平穩(wěn)定板的情況上升了5.3%。因此，對(duì)于水平穩(wěn)定板進(jìn)行合理的設(shè)置，可以有效的提高分離三箱主梁的顫振穩(wěn)定性能，需要相關(guān)的施工建設(shè)人員加以重視。

3.5 合理設(shè)置上部豎向穩(wěn)定板

上部豎向穩(wěn)定板氣動(dòng)措施的設(shè)置主要是為了提升橋梁顫振穩(wěn)定性能。但是在主梁中設(shè)置相應(yīng)的豎向穩(wěn)定板，會(huì)在一定程度上增加主梁擋風(fēng)的面積，且其面積會(huì)隨著豎向穩(wěn)定板的高度而增加，主梁對(duì)于氣流的干擾作用就會(huì)更加明顯。橋梁的顫振大部分都是主梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)造成的，由主梁的扭轉(zhuǎn)引起豎向振動(dòng)。而在橋梁中合理的設(shè)置豎向穩(wěn)定板，可以在很大的程度上增加豎向自由度在顫振過程中的參與度，從而提升橋梁的顫振穩(wěn)定性能。

如，將上部豎向穩(wěn)定板的高度分別設(shè)置為:0m、1m、2m、3m。可得出，當(dāng)上部豎向穩(wěn)定板的高度為是1m時(shí)，顫振臨界的風(fēng)速是為38.4m/s，與沒有設(shè)置上部豎向穩(wěn)定板的主梁下低了24.4%；而當(dāng)上部豎向穩(wěn)定板的高度超過1m時(shí)，主梁的顫振臨界風(fēng)速就會(huì)隨著上部豎向穩(wěn)定板增加的高度而上升；當(dāng)上部豎向穩(wěn)定板的高底設(shè)置為3m時(shí)，主梁顫振的臨界風(fēng)速相對(duì)較高，達(dá)到了132.5m/s，與沒有設(shè)置上部豎向穩(wěn)定板的主梁上升了160.8%。因此，可以看出，合理的對(duì)上部豎向穩(wěn)定板的高底進(jìn)行設(shè)置，可以有效的加強(qiáng)分離三箱主梁顫振的穩(wěn)定性能。

3.6 合理的設(shè)置下部豎向穩(wěn)定板

下部豎向穩(wěn)定板通常都設(shè)置在主梁的底部位置，與上部豎向穩(wěn)定板的功能相同，也會(huì)對(duì)通過主梁的氣流進(jìn)行干擾，增加主梁受風(fēng)的面積。對(duì)于主梁開槽的三箱主梁而言，對(duì)下部豎向穩(wěn)定板進(jìn)合理的設(shè)置，能夠在對(duì)主梁下側(cè)的氣流運(yùn)動(dòng)進(jìn)行改變的同時(shí)，對(duì)主梁上側(cè)的氣流運(yùn)動(dòng)出造成一定的干擾作用。

如，將下部豎向穩(wěn)定板的各個(gè)高度分別設(shè)置為:0m、1m、2m、3m，當(dāng)下部豎向穩(wěn)定板的高度是2m時(shí)，主梁的扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風(fēng)速達(dá)到了154.4m/s，與不進(jìn)行下部豎向穩(wěn)定板設(shè)置的主梁相比上升了99.7%；在下部豎向穩(wěn)定板高度超過2m時(shí)，主梁扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風(fēng)速就會(huì)降低，因此，將主梁的下部豎向穩(wěn)定板高度設(shè)置為為2m時(shí)，橋梁的靜風(fēng)穩(wěn)定性是最好的。

4 結(jié)束語

總之，將氣動(dòng)措施合理的設(shè)置到超大跨度分離三箱主梁橋梁抗風(fēng)性能的優(yōu)化方案中，可讓其在不對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)和使用性能進(jìn)行改變的前提之下，利用一部分附加小型外部裝置或者對(duì)構(gòu)件的外形進(jìn)行修改，就可以達(dá)到對(duì)主梁繞流形態(tài)改變的目的，從而起到對(duì)優(yōu)化主梁氣動(dòng)特性的作用，大幅度的提升橋梁的整體抗風(fēng)性能。

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2015-02-11

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1008-3383(2015)09-0097-01