典型橋梁斷面阻力系數(shù)測(cè)力與測(cè)壓結(jié)果差異的數(shù)值模擬研究

摘要： 研究以阻力系數(shù)為對(duì)象，采用三維數(shù)值模擬方法，針對(duì)蘇通大橋主梁、薄平板及矩形三個(gè)典型斷面，在逐一驗(yàn)證數(shù)值模擬精度的前提下，考察了三個(gè)典型斷面的總阻力系數(shù)與壓差阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角、雷諾數(shù)和湍流度的變化規(guī)律，分析摩擦阻力對(duì)總阻力貢獻(xiàn)率（簡(jiǎn)寫為摩擦阻力貢獻(xiàn)率）的變化規(guī)律，并討論了這種差異的原因；此外，針對(duì)蘇通大橋主梁斷面，分析了欄桿對(duì)摩擦阻力貢獻(xiàn)率的影響。研究結(jié)果表明：對(duì)于三種典型斷面，薄平板斷面的摩擦阻力貢獻(xiàn)率最大，蘇通大橋主梁斷面的摩擦阻力貢獻(xiàn)率稍小，矩形斷面的摩擦阻力貢獻(xiàn)率幾乎可以忽略。三種斷面的摩擦阻力貢獻(xiàn)率隨著風(fēng)攻角絕對(duì)值的增大而減小，其中薄平板斷面和蘇通大橋主梁斷面的摩擦阻力貢獻(xiàn)率隨著風(fēng)攻角變化明顯，而雷諾數(shù)和湍流度變化對(duì)三種斷面的壓差阻力或摩擦阻力的影響很?。慌c無欄桿的主梁斷面相比，有欄桿的蘇通大橋主梁斷面的摩擦阻力貢獻(xiàn)率要下降一半左右。研究結(jié)論可為測(cè)壓方法在工程中的適用性提供參考。

關(guān)鍵詞： 橋梁斷面； 阻力系數(shù)； 壓差阻力； 摩擦阻力； 數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)： U441+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10044523（2016）04074609

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.023

引言

在大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析中，橋梁斷面的靜力三分力系數(shù)是一組非常重要的風(fēng)特性參數(shù)，它反映了一定形狀的橋梁斷面受靜力風(fēng)荷載的大小，其是橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)、馳振穩(wěn)定性以及靜風(fēng)荷載分析的關(guān)鍵參數(shù)。因而準(zhǔn)確地測(cè)定橋梁斷面的三分力系數(shù)對(duì)大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)是十分必要的。

第4期韓艷，等： 典型橋梁斷面阻力系數(shù)測(cè)力與測(cè)壓結(jié)果差異的數(shù)值模擬研究振 動(dòng) 工 程 學(xué) 報(bào)第29卷目前風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定橋梁斷面的三分力系數(shù)主要通過測(cè)力與測(cè)壓兩種方法來實(shí)現(xiàn)。測(cè)力方法是采用一定比例的節(jié)段模型，并通過測(cè)力天平等儀器來獲取主梁截面的三分力，進(jìn)而計(jì)算出三分力系數(shù)。故測(cè)力法得到的阻力為斷面的總阻力，即壓差阻力和摩擦阻力之和。然而，采用測(cè)力方法無法得到主梁斷面每個(gè)區(qū)域所受風(fēng)壓的大小，這不利于主梁斷面所受氣動(dòng)力的精細(xì)化分析或主梁斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)。而測(cè)壓方法通過在主梁斷面上布置測(cè)壓孔，通過獲得每個(gè)局部區(qū)域的風(fēng)壓大小，經(jīng)過積分之后就可獲得整個(gè)斷面所受的風(fēng)荷載。但另一方面，采用測(cè)壓方法只能獲得空氣對(duì)斷面的法向壓力，而不能獲得空氣相對(duì)于斷面的摩擦阻力，故測(cè)壓法得到的阻力僅為壓差阻力。因此，采用測(cè)壓方法雖能獲得流場(chǎng)細(xì)節(jié)，但也容易造成一定的誤差。李加武等[1]、金挺和林志興等[2]以及殷峰[3]等在研究蘇通大橋斷面的雷諾數(shù)效應(yīng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)測(cè)壓法比測(cè)力法得到的靜阻力系數(shù)要小很多，前者大約只占后者的2/3。韓艷等[4]也采用測(cè)力和測(cè)壓法對(duì)江順大橋進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)測(cè)壓法測(cè)得的三分力系數(shù)要明顯偏小。劉志文和陳政清[5]對(duì)矩形斷面進(jìn)行測(cè)力、測(cè)壓試驗(yàn)，結(jié)果表明：矩形斷面的摩擦阻力對(duì)三分力的貢獻(xiàn)隨風(fēng)攻角變化可以忽略。研究?jī)H初步揭示了矩形斷面測(cè)力方法與測(cè)壓方法隨風(fēng)攻角變化的差異，但矩形斷面摩擦阻力對(duì)三分力的貢獻(xiàn)隨雷諾數(shù)變化未進(jìn)行研究。李加武[6]對(duì)流線型斷面進(jìn)行了測(cè)力、測(cè)壓法試驗(yàn)，結(jié)果表明：流線型斷面的摩擦阻力對(duì)三分力系數(shù)的貢獻(xiàn)在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)隨雷諾數(shù)的增大而降低。該研究初步揭示了流線型斷面測(cè)力與測(cè)壓方法獲得的阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的差異，但流線型斷面摩擦阻力對(duì)三分力的貢獻(xiàn)隨風(fēng)攻角變化未進(jìn)行研究。研究表明[6]：升力系數(shù)和力矩系數(shù)絕對(duì)值較小且波動(dòng)較大，摩擦阻力對(duì)其影響復(fù)雜且沒有明顯規(guī)律，但摩擦阻力對(duì)總阻力的貢獻(xiàn)顯著，故本文只對(duì)斷面阻力系數(shù)進(jìn)行研究。

CFD數(shù)值模擬方法相對(duì)于風(fēng)洞試驗(yàn)方法，具有可重復(fù)性、較少的人力和物力、可視的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)。隨著數(shù)值求解方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件的進(jìn)步，數(shù)值模擬方法在結(jié)構(gòu)風(fēng)工程中的應(yīng)用越來越廣泛。瞿偉廉等[7]、曹豐產(chǎn)等[8]、樓小峰[9]、Sarwar和Ishihara [10]等也采用數(shù)值模擬方法較準(zhǔn)確地計(jì)算了典型斷面的氣動(dòng)力。另外，需要指出的是，CFD數(shù)值模擬方法能較容易地得到不同斷面總阻力（測(cè)力方法結(jié)果）與壓差阻力（測(cè)壓方法結(jié)果），故CFD數(shù)值模擬方法可較方便地得到摩擦阻力，即兩種試驗(yàn)方法阻力系數(shù)的差異。劉志文等[5]、李加武[6]雖也將數(shù)值模擬方法得出的阻力系數(shù)與測(cè)力、測(cè)壓試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，但研究中只對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的正確性進(jìn)行了探討，而未根據(jù)數(shù)值模擬的優(yōu)勢(shì)進(jìn)一步討論各類典型斷面的測(cè)力與測(cè)壓差異產(chǎn)生的原因。

本文以阻力系數(shù)為研究對(duì)象，采用三維數(shù)值模擬方法，針對(duì)蘇通大橋主梁、薄平板及矩形三個(gè)典型斷面，在逐一驗(yàn)證數(shù)值模擬精度的前提下，考察了三種不同斷面的總阻力系數(shù)與壓差阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角和雷諾數(shù)的變化規(guī)律；分析了不同斷面摩擦阻力貢獻(xiàn)率隨風(fēng)攻角、雷諾數(shù)和湍流度的影響，探究這種差異的原因。此外，針對(duì)蘇通大橋主梁斷面，考察了主梁欄桿對(duì)摩擦阻力貢獻(xiàn)率的影響。

Abstract： The Sutong Bridges cross section， flat plate and rectangular cylinder were chosen as the typical sections in this paper， and the threedimensional numerical simulations were carried out under different conditions. The accuracy of the numerical simulation method adopted in the present study is proved. Then the trends of drag coefficient and pressure drag coefficient of the three sections varying with the wind attack angles， Reynolds number and turbulence were investigated. Meanwhile， the reasons of their different variations were discussed. Furthermore， the effects of handrail on the total drag coefficient and pressure drag coefficient of the Sutong Bridges girder section were analyzed. The results show that the friction drag of flat plate accounts for the largest proportion of the total drag， the Sutong Bridges girder section comes second， while the rectangular cylinder is the smallest. For the three typical sections， the proportions of friction drag in total drag decrease with the increase of wind attack angles， the Reynolds number and turbulence have a little effects on their friction drags or pressure drags. When the handrails are considered on the Sutong Bridges cross section， the contribution of friction drag to the total drag approximately decreases to 50%. The conclusions in this paper can provide a reference for the pressure distribution method applied to the engineering practice.

Key words： bridge deck； drag coefficient； pressure drag； friction drag； numerical simulation