潤揚長江大橋北汊斜拉橋風(fēng)流場數(shù)值模擬及壓力分布特性研究

杜 昕

(中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司， 南京 210000)

斜拉橋是大跨徑橋梁工程中主要采用的結(jié)構(gòu)型式，如蘇通長江大橋(主跨跨徑1 088 m)、湖北鄂東長江大橋(主跨跨徑926 m)、俄羅斯島大橋(主跨跨徑1 104 m)[1-4]。同時，由于斜拉橋普遍跨徑較大、導(dǎo)致橋梁主體結(jié)構(gòu)彎矩大，容易受到外力作用引發(fā)結(jié)構(gòu)振動。而斜拉橋需要設(shè)置主塔承壓，主塔高度較高且與橋梁跨徑成正相關(guān)，因此受到的風(fēng)荷載較大[5]。目前，風(fēng)荷載已成為斜拉橋結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的主要影響因素之一，了解斜拉橋風(fēng)壓力分布規(guī)律，分析風(fēng)對斜拉橋的動力作用顯得十分重要[6]。

國內(nèi)外學(xué)者對于橋梁風(fēng)速流場現(xiàn)場實測及數(shù)值模擬做了一些工作，取得了若干成就和進(jìn)展。加拿大的Davenport教授在1965—1970年間，對世界上100余座橋梁進(jìn)行了風(fēng)速測量與統(tǒng)計，并制定了Davenport風(fēng)譜，用于描述不同地形、表面粗糙程度的風(fēng)場剖面；日本東京大學(xué)的T.Amano等3位教授根據(jù)沖繩多次臺風(fēng)實測資料，研究了臺風(fēng)平均剖面并建立了描述方程；20世紀(jì)六七十年代，Vaslie Melling教授基于層流結(jié)構(gòu)原理，建立了風(fēng)模型的二維流體與三維流體結(jié)構(gòu)，建立了數(shù)值模擬風(fēng)流場的最初模型。此后的幾十年間，各國學(xué)者對數(shù)值模型的計算手段與參數(shù)選擇做了若干修正，目前權(quán)威度最高的數(shù)值計算模型為美國加州理工大學(xué)Senthooran教授提出的修正k-ε模型。

1 實例工程概況

潤揚長江大橋位于江蘇省鎮(zhèn)江市世業(yè)洲處，是跨長江高速公路的組成部分和重要節(jié)點，橋梁全長4.7 km。潤揚長江大橋被世業(yè)洲隔成南汊和北汊兩座橋梁，其中北汊橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋梁主跨為406 m。主塔長758 m，高154 m,采用“鉆石”形預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。斜拉索共布置104根。公路橋全線采用雙向6車道，設(shè)計時速為100 km。在最高通航水位下，橋梁通航凈高為18 m。

2 實測風(fēng)況資料分析

風(fēng)對斜拉橋的作用體現(xiàn)在兩方面，即風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的直接荷載作用以及風(fēng)荷載引發(fā)的橋梁振動。本文采用實例工程的實測資料對工程處風(fēng)況特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.1 測量儀器選擇及布置

1) 風(fēng)速、風(fēng)向測量

綜合考慮測量精度、測量適用性，采用丹麥RBI公司生產(chǎn)的XY1000-1Q型風(fēng)速測量儀對實例工況的風(fēng)速進(jìn)行分析。該測量儀的測量風(fēng)速范圍為0～100 m/s，風(fēng)量測量范圍為0～99 999 m3/h，測量誤差小于1% F.S。

儀器布置安裝在橋面(高約25 m)及橋塔頂處(高約179 m)。

2) 風(fēng)壓測量

采用西班牙AFP實驗室的RE-1211D型多路風(fēng)壓測量儀對實例工況的風(fēng)壓進(jìn)行分析。RE-1211D型測量儀的測量范圍為0～10 000 kPa/m，測量精度可達(dá)0.001 kPa/m。在橋塔塔身共布設(shè)60個測點測量風(fēng)壓。

2.2 平均風(fēng)速與風(fēng)向

風(fēng)速和風(fēng)向在空間、時間序列上都是不斷變化的，只能通過分布函數(shù)對風(fēng)速和風(fēng)向進(jìn)行概括描述。根據(jù)文獻(xiàn)[7]的研究，風(fēng)速和風(fēng)向在5～30 min內(nèi)的平均值相對較為穩(wěn)定，可以用來表征參考。因此，本文試驗取10 min的平均風(fēng)速與風(fēng)向作為特征值。橋面處和塔頂處的10 min風(fēng)速歷程見圖1，風(fēng)向歷程見圖2。

分析圖1及圖2可知：

① 橋面處實測10 min的樣本資料，主要風(fēng)向為東北向，平均風(fēng)攻角為52.0°；平均風(fēng)速為6.69 m/s，最大風(fēng)速為8.75 m/s。

② 塔頂處實測10 min的樣本資料，主要風(fēng)向為東北向，平均風(fēng)攻角為58.8°；平均風(fēng)速為9.15 m/s，最大風(fēng)速為10.60 m/s。

圖1 風(fēng)速歷程測試結(jié)果

圖2 風(fēng)向歷程測試結(jié)果

2.3 風(fēng)流場脈動特性

由于風(fēng)流場分布、強度分布隨時間存在隨機(jī)波動，目前主要通過紊流強度、陣風(fēng)因子來進(jìn)行研究。

1) 陣風(fēng)因子

陣風(fēng)因子的定義是指在陣風(fēng)持續(xù)時間t內(nèi)，風(fēng)速的最大值與平均風(fēng)速的比值，其定義表達(dá)式如下：

Gt=1+umax/U(t)

(1)

式中：t為陣風(fēng)持續(xù)時間，通常取2～5 s，本工程取3 s；umax為風(fēng)速的最大值；U(t)為時間t內(nèi)的平均風(fēng)速。根據(jù)《橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》，I 類場地的陣風(fēng)因子不應(yīng)大于1.38。

本工程10 min的陣風(fēng)因子歷程(取18個計算點)計算結(jié)果見圖3。分析可知：橋面處的橫向陣風(fēng)因子最大值為0.19，縱向陣風(fēng)因子最大值為1.21；塔頂處的橫向陣風(fēng)因子最大值為0.18，縱向陣風(fēng)因子最大值為1.02，均滿足規(guī)范要求。

2) 紊流強度

紊流強度的定義為風(fēng)速在3個方向的標(biāo)準(zhǔn)方差之和與平均風(fēng)速的比值，其定義表達(dá)式為

I=(σu+σv+σw)/U

(2)

式中：σu、σv、σw分別為風(fēng)速在u、v、w方向的標(biāo)準(zhǔn)方差。

本工程10 min的紊流度歷程(取18個計算點)計算結(jié)果見圖4。分析可知：橋面處的橫向紊流度最大值為0.16，縱向紊流度最大值為0.18；塔頂處的橫向紊流度最大值為0.099，縱向紊流度最大值為0.098，小于《橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》中I 類場地的紊流度推薦值0.20，可見實例工程的風(fēng)脈動性相對較小。

圖3 陣風(fēng)因子歷程曲線

圖4 紊流度歷程曲線

風(fēng)壓特性測量結(jié)果見表1。

表1 計算精度驗證

3 數(shù)值模型建立

根據(jù)各計算軟件的計算原理適用性、計算精度、出圖效果等因素[7-9]，采用美國流體技術(shù)服務(wù)公司研發(fā)的Fluent流體計算軟件進(jìn)行分析計算。

3.1 計算網(wǎng)格劃分

為保證模型計算的精確性，采用穩(wěn)定性最好的三角網(wǎng)格對計算區(qū)域進(jìn)行劃分。網(wǎng)格間距設(shè)為30 m，構(gòu)筑物區(qū)間內(nèi)的網(wǎng)格加密至10 m。

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

模型入口采用速度入口，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型?？諝饷芏雀鶕?jù)實測值取為1.215 kg/m3，模型表面粗糙系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[10-12]中的計算公式計算為0.033。橋面處紊流強度取0.135，塔頂處紊流強度取0.068，其他位置進(jìn)行線性插值。紊動能系數(shù)取0.025。收斂標(biāo)準(zhǔn)定義為迭代殘差值小于0.000 1[13]。

3.3 模型精度驗證

選擇7#、9#、18#等9個實測點，其風(fēng)壓力計算值與實測值的對比見表1。分析表1可知：9個測點的最大誤差率為7.93%，最小誤差率為0.91%，平均誤差率為3.75%，計算精度較高，能滿足實例工程的風(fēng)流場特性數(shù)值模擬要求。

3.4 計算工況

本文研究最大風(fēng)速時不同風(fēng)攻角下橋梁的風(fēng)流場分布及風(fēng)壓力分布，結(jié)果見表2。

表2 數(shù)值模擬計算工況布置

4 模擬計算結(jié)果分析

4.1 橋塔整體受壓特性分析

最小(工況1)和最大(工況5)風(fēng)攻角工況下橋塔壓力分布見圖5。其中，每組工況分布圖內(nèi)，左側(cè)為橋塔迎風(fēng)面、右側(cè)為橋塔背風(fēng)面。

分析圖5可知：

① 在風(fēng)攻角為-5°工況下，橋塔迎風(fēng)面的風(fēng)壓分布在-180～-10 Pa，均為負(fù)壓區(qū)，迎風(fēng)面的負(fù)壓集中在局部地區(qū)，主要由于渦旋、紊流作用產(chǎn)生。背風(fēng)面的風(fēng)壓分布在-60 Pa左右，風(fēng)壓分布變化較小。側(cè)面風(fēng)塔分布在45～100 Pa，風(fēng)壓分布變化幅度較大。

② 在風(fēng)攻角為5°工況下，橋塔迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力分布完全相反，迎風(fēng)面的風(fēng)壓分布在10～-70 Pa，基本為正壓區(qū)，在迎風(fēng)面轉(zhuǎn)角處局部地區(qū)因為強烈渦旋作用出現(xiàn)較大負(fù)壓，負(fù)壓最大值可達(dá) -230 Pa，對渦旋區(qū)表面剝離作用明顯；背風(fēng)面的風(fēng)壓分布均在-60 Pa左右，均為負(fù)壓區(qū)；側(cè)面的風(fēng)壓分布為負(fù)壓與正壓的過渡區(qū)域，風(fēng)壓分布范圍為-10～30 Pa。

圖5 各工況下橋塔壓力分布特性

4.2 橋梁斷面風(fēng)壓力及流場分析

根據(jù)數(shù)模計算結(jié)果，各風(fēng)攻角工況下橋梁斷面壓力分布及流線分布見圖6-10。

圖6 工況1(-5°風(fēng)攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖7 工況2(-3°風(fēng)攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖8 工況3(0°風(fēng)攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖9 工況4(3°風(fēng)攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖10 工況5(5°風(fēng)攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

分析圖6-10可知：

① 在風(fēng)攻角為0°的工況下，橋梁斷面左下角外側(cè)區(qū)域產(chǎn)生一部分正壓區(qū)，壓力分布范圍為25～80 Pa，正壓渦旋中心位于左側(cè)橋墩外側(cè)中心區(qū)域；在梁底大范圍區(qū)域、橋梁右側(cè)橋墩周圍以及左側(cè)梁頂局部區(qū)域產(chǎn)生負(fù)壓區(qū)，壓力分布范圍為-15～-100 Pa，負(fù)壓渦旋中心位于左半幅梁底區(qū)域，受橋面護(hù)欄、橋體外側(cè)不平整面的綜合影響，渦旋處產(chǎn)生明顯的分離、剝落現(xiàn)象。

② 隨著風(fēng)攻角由0°逐漸減小至-5°，即負(fù)風(fēng)攻角逐漸增大，正壓區(qū)域分布范圍及正壓大小基本保持不變；負(fù)壓分布范圍向梁底下方發(fā)展，負(fù)壓范圍增大，且在橋梁梁底左右兩側(cè)對角逐漸衍生出新的渦旋區(qū)，同時最大負(fù)壓值也由-100 Pa增大至-140 Pa，渦旋分離、脫離作用更加明顯。

③ 隨著風(fēng)攻角由0°逐漸增大至5°，即正風(fēng)攻角逐漸增大，正壓區(qū)域逐漸向橋梁梁底發(fā)展，首先在右側(cè)橋墩內(nèi)側(cè)及右側(cè)梁底出現(xiàn)正壓區(qū)域，然后左右兩側(cè)橋墩正壓區(qū)域逐漸連在一起，正壓區(qū)域迅速擴(kuò)張，但最大正壓值基本不變；負(fù)壓區(qū)域由橋梁梁底逐漸向上部發(fā)展，當(dāng)風(fēng)攻角達(dá)到5°時，負(fù)壓區(qū)域大幅縮小，集中在橋梁左側(cè)橋墩上側(cè)區(qū)域，最大負(fù)壓值增幅較大，由-100 Pa增大至-175 Pa；梁底流場由一個大尺度渦旋分離成一個大渦旋及若干個小渦旋，流場規(guī)律性明顯下降，風(fēng)流動狀態(tài)變得復(fù)雜。

5 結(jié)論

以潤揚長江大橋北汊斜拉橋為研究實例，通過風(fēng)流場數(shù)值模擬，結(jié)合工程處實測風(fēng)特性資料，采取橋面、橋塔最大風(fēng)速下風(fēng)攻角分別為-5°、-3°、0°、3°、5°五組工況，對實例的壓力分布及流場特性進(jìn)行了詳細(xì)研究。研究結(jié)論如下：

1) 風(fēng)攻角的正負(fù)對橋塔風(fēng)壓力分布影響較大。在正風(fēng)攻角下，橋塔迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓力分布完全相反，其中迎風(fēng)面基本為正壓區(qū)，背風(fēng)面基本為負(fù)壓區(qū)；而在負(fù)風(fēng)攻角下，橋塔迎風(fēng)面及背風(fēng)面均為負(fù)壓區(qū)。

2) 風(fēng)攻角正負(fù)對橋梁斷面壓力及流場分布影響較大。在風(fēng)攻角為0°的工況下，橋梁斷面流場相對較為規(guī)整，負(fù)壓區(qū)主要在橋梁梁底下，并形成一個大的尺度渦旋。

隨著風(fēng)攻角逐漸向負(fù)向增大，負(fù)壓渦旋逐漸分解成一個大尺度渦旋及多個小渦旋，負(fù)壓范圍顯著擴(kuò)大，仍分布在橋梁梁底以下區(qū)域。

隨著風(fēng)攻角逐漸向正向增大，正壓渦旋范圍迅速擴(kuò)張，原負(fù)壓區(qū)域逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎?，?fù)壓渦旋逐漸分解成一個大尺度渦旋及多個小渦旋，負(fù)壓范圍顯著擴(kuò)大，仍分布在橋梁梁底以下區(qū)域，且在渦旋橋梁護(hù)欄及梁底處脫落現(xiàn)象明顯；負(fù)壓區(qū)域移動至左側(cè)橋墩上方的小區(qū)域，整體流場變得紊亂。