山區(qū)峽谷高墩連續(xù)剛構(gòu)橋抗風(fēng)性能與氣動外形優(yōu)化

周 艇

(中鐵十八局集團(tuán)第二工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

風(fēng)對橋梁的破壞形式多種多樣，橋梁風(fēng)毀事件數(shù)不勝數(shù)，其中比較著名的有法國的Roche-Beruard橋、美國的Nigara-Clifton橋和Tacoma Narrows橋[1]。近年來，隨著橋梁設(shè)計(jì)向輕、柔、長特點(diǎn)發(fā)展的趨勢日漸明顯，橋梁抗風(fēng)研究已成為設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營過程中不可忽視的內(nèi)容。

隨著國家交通網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與完善，越來越多的橋梁開始在山區(qū)峽谷中建設(shè)。然而，山區(qū)峽谷風(fēng)具有風(fēng)速大、陣風(fēng)強(qiáng)烈、風(fēng)切變頻繁等特點(diǎn)[2]，對山區(qū)峽谷橋梁進(jìn)行抗風(fēng)研究和尋找合理可行的抗風(fēng)優(yōu)化方法至關(guān)重要。

主梁作為橋梁主要的抗風(fēng)構(gòu)件，其抗風(fēng)性能在很大程度上決定著整個橋梁的抗風(fēng)性能，對主梁的氣動外形進(jìn)行合理優(yōu)化，已成為大跨徑橋梁在設(shè)計(jì)和施工過程中不可忽視的內(nèi)容。國內(nèi)外許多學(xué)者在這方面進(jìn)行了研究，如馬凱研究了欄桿等附屬設(shè)施對橋梁氣動三分力系數(shù)的影響[3]；廖海黎等提出空氣動力擾流板對改善懸索橋的顫振具有良好的效果[4]；胡長燦等研究了氣動外形對橋梁渦激共振和顫振的影響[5]；周立、葛耀君研究了欄桿、汽車等對鋼主梁氣動三分力的影響[6]；程怡、葛耀君等研究了不同高度的穩(wěn)定板對橋梁渦振的影響[7]。在參閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)后[8-10]，發(fā)現(xiàn)目前關(guān)于橋梁氣動外形方面的論文往往和渦振、顫振等聯(lián)系在一起，而研究氣動外形對阻力系數(shù)影響的文獻(xiàn)極少，本文以某山區(qū)峽谷高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁為例，研究了增加上穩(wěn)定板、下穩(wěn)定板和翼緣板流線化處理等措施對阻力系數(shù)的影響，希望填補(bǔ)此方面研究的不足[11-12]。

2 工程概況

木絨大橋?yàn)樗拇ㄊ「首沃菅沤h境內(nèi)鮮水河上的一座三跨連續(xù)剛構(gòu)橋，全長589 m，主跨跨徑布置為120 m+220 m+120 m，兩個主墩高度均為155 m。主梁采用單箱單室箱型截面，梁高為4.5～14.0 m。

該工程周邊山區(qū)海拔3 900～4 800 m，鮮水河河道下切十分強(qiáng)烈，河谷峽窄，呈典型的“V”型斷面，沿河嶺谷高差懸殊，相對高差一般在500～1 500 m，為典型的高山峽谷。受海拔以及區(qū)域地貌影響，橋位處風(fēng)速較高。根據(jù)施工監(jiān)控，橋位處常遇風(fēng)速可達(dá)20 m/s左右。

3 木絨橋抗風(fēng)性能研究

3.1 原結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能

選取1/4跨處的主梁截面作為研究對象，該截面梁高7 m，橋面寬9 m，外翼緣高0.2 m。在流體計(jì)算軟件(CFD)中建立二維模型，計(jì)算采用的風(fēng)速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數(shù)為5×105，邊界層網(wǎng)格大小為15 mm，流場范圍為135×135 m，網(wǎng)格數(shù)量共276 591個。

風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的力一般可以分解為沿來流方向的阻力FD、垂直來流方向的升力FL和使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)的升力矩ML，即氣動三分力，如圖1所示。

圖1 主梁截面氣動三分力示意

其計(jì)算采用如下公式：

式中，ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；U為風(fēng)速，取20 m/s；H和B為主梁的特征長度，分別取7 m和9 m；CD(α)、CL(α)和CM(α)為氣動三分力系數(shù)；α為風(fēng)攻角。利用CFD軟件，求解在施工階段風(fēng)軸坐標(biāo)系下，主梁截面在-3°、0°和3°風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同風(fēng)攻角下主梁的三分力系數(shù)

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T 3360-01-2018)規(guī)定，數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果中，阻力系數(shù)的相對誤差不宜超過15%。對比CFD軟件計(jì)算所得阻力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)所得阻力系數(shù)，結(jié)果如表1所示。

表1 CFD模擬計(jì)算阻力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)阻力系數(shù)

通過表1可以看出，數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)所得的阻力系數(shù)相對誤差最大為7.25%，滿足規(guī)范要求，同時也證明采用CFD軟件具有較高的可靠度以及模型的正確性。

3.2 中央上穩(wěn)定板對阻力系數(shù)的影響

中央上穩(wěn)定板布置于橋面中心的正上方，分別選取0.1h、0.15h、0.20h和0.25h(h為主梁高度)高度的穩(wěn)定板，計(jì)算采用的風(fēng)速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數(shù)為5×105，邊界層網(wǎng)格大小為15 mm，流場范圍約為135×135 m，網(wǎng)格數(shù)量約288 900個。計(jì)算得到-3°、0°和3°風(fēng)攻角下主梁的阻力系數(shù)如圖3所示。

圖3 增設(shè)不同高度的中央上穩(wěn)定板后主梁的阻力系數(shù)

從圖3可以看出，隨著風(fēng)攻角的增大，增設(shè)不同高度的穩(wěn)定板后，主梁的阻力系數(shù)逐漸減小，且變化趨勢基本相同；此外，在-3°風(fēng)攻角下增設(shè)不同高度的穩(wěn)定板均會使阻力系數(shù)增大，其中高度為0.15h的穩(wěn)定板會使阻力系數(shù)增大18.78%左右；而在3°風(fēng)攻角下增設(shè)不同高度的穩(wěn)定板均會使阻力系數(shù)減小，此時增設(shè)高度為0.15h的穩(wěn)定板效果最好，阻力系數(shù)能減少32%左右；在0°風(fēng)攻角下增設(shè)不同高度的穩(wěn)定板均會使阻力系數(shù)減小，且不同高度的穩(wěn)定板對阻力系數(shù)的減小效果相差不大，均在30%左右。這主要是因?yàn)殇鰷u的位置和大小影響了主梁迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的壓強(qiáng)差，不增設(shè)中央上穩(wěn)定板時，在主梁背風(fēng)側(cè)會出現(xiàn)一個范圍很大的漩渦，從而形成一個負(fù)壓區(qū)，主梁迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)就會出現(xiàn)一個很大的壓強(qiáng)差；增設(shè)中央上穩(wěn)定板后(見圖4)，主梁背風(fēng)側(cè)雖然也會出現(xiàn)漩渦，但其范圍小，且距離主梁遠(yuǎn)，主梁迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的壓強(qiáng)差相對較小。這種壓強(qiáng)差的減小引起了阻力系數(shù)的減小。

圖4 增設(shè)中央上穩(wěn)定板后主梁壓強(qiáng)和速度紋理分布

3.3 中央下穩(wěn)定板對阻力系數(shù)的影響

中央下穩(wěn)定板布置于梁底面中心的正下方，同樣選取高度分別為0.1h、0.15h、0.20h和0.25h的中央下穩(wěn)定板，建立CFD模型，計(jì)算采用的風(fēng)速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數(shù)為5×105，邊界層網(wǎng)格大小為15 mm，流場范圍約為135×135 m，網(wǎng)格數(shù)量約295 600個，計(jì)算得到-3°、0°和3°風(fēng)攻角下主梁的阻力系數(shù)如圖5所示。

圖5 增設(shè)中央下穩(wěn)定板后主梁的阻力系數(shù)

圖6 增設(shè)中央下穩(wěn)定板后主梁壓強(qiáng)和速度紋理分布

從圖5可以看出，隨著風(fēng)攻角的增大，增設(shè)0.10h和0.15h高度的穩(wěn)定板后，主梁的阻力系數(shù)變化趨勢與原主梁結(jié)構(gòu)的變化趨勢基本相同，而增設(shè)0.20h和0.25h高度的穩(wěn)定板后，主梁的阻力系數(shù)逐漸減??；此外，相比于不加穩(wěn)定板的情況，增加不同高度的下穩(wěn)定板后，不同風(fēng)攻角下的阻力系數(shù)均有不同程度的減小，其中，在-3°和0°風(fēng)攻角下增設(shè)高度為0.15h風(fēng)攻角的穩(wěn)定板效果最好，阻力系數(shù)減少約41.75%和46.35%；在3°風(fēng)攻角下增設(shè)高度為0.20h風(fēng)攻角的穩(wěn)定板效果最好，阻力系數(shù)能夠減少約28.49%。這是因?yàn)樵黾恿讼路€(wěn)定板后，主梁下方的空氣流動方向發(fā)生了改變，從而改變了主梁背風(fēng)側(cè)的壓強(qiáng)分布。未增設(shè)下穩(wěn)定板時，主梁下方的空氣以接近水平方向通過主梁底部，然后繞過底板處的轉(zhuǎn)角，以接近垂直的方向繞至主梁背風(fēng)側(cè)，并在背風(fēng)側(cè)形成大范圍低壓區(qū)，從而在主梁迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間形成較大的壓強(qiáng)差；增設(shè)下穩(wěn)定板后(見圖6)，主梁下方的空氣先是斜向繞過下穩(wěn)定板，然后沿斜向流至主梁背風(fēng)側(cè)，在主梁后方較遠(yuǎn)處形成低壓區(qū)，此時主梁迎風(fēng)面和背風(fēng)面之間的壓強(qiáng)差較小。這種壓強(qiáng)差的改變直接引起了后者阻力系數(shù)的減小。

3.4 翼緣板流線化處理對阻力系數(shù)的影響

翼緣板流線化處理是將翼緣板端部的平直面改變成流線曲面，建立CFD模型，計(jì)算采用的風(fēng)速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數(shù)為5×105，邊界層網(wǎng)格大小為15 mm，流場范圍約為135×135 m，網(wǎng)格數(shù)量約236 500個，計(jì)算得到-3°、0°和3°風(fēng)攻角下主梁的阻力系數(shù)如圖7所示。

圖7 流線化處理后主梁的阻力系數(shù)

從圖7可以看出，在 -3°、0°和 3°風(fēng)攻角下，隨著風(fēng)攻角的減小，主梁氣動外形修改前后阻力系數(shù)的變化趨勢基本相同，且在翼緣板流線化處理后，主梁的阻力系數(shù)均出現(xiàn)了10%左右的增大。這是因?yàn)橐砭壈暹M(jìn)行流線化處理后，氣流提前分為上下兩部分通過橋梁斷面，在很大程度上增加了主梁的空氣阻礙，且橋梁橫向尺寸越大，主梁受到的風(fēng)阻力就越大，但該方案能夠降低主梁的振幅，抑制主梁的振動。

圖8 翼緣板流線化處理后主梁壓強(qiáng)和速度紋理分布

流線化處理后的翼緣板改變了主梁背風(fēng)側(cè)的空氣流向，對于原主梁結(jié)構(gòu)，背風(fēng)側(cè)翼緣板處生成了漩渦，主梁上方的空氣繞過漩渦，以接近水平的方向從主梁后方通過；對翼緣板進(jìn)行流線化處理后(見圖8)，背風(fēng)側(cè)翼緣板處不再生成漩渦，主梁上方的空氣直接繞過翼緣板，以接近垂直的方向流向主梁背風(fēng)側(cè)，并且在和主梁下方流上來的氣體相遇后，在主梁背風(fēng)側(cè)生成漩渦，垂直流向的氣體以及生成的漩渦降低了主梁背風(fēng)側(cè)的壓強(qiáng)，增大了主梁迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的壓強(qiáng)差，使得經(jīng)流線化處理后的主梁阻力系數(shù)增大。

4 結(jié)論

(1)原主梁結(jié)構(gòu)計(jì)算得到的阻力系數(shù)與同濟(jì)大學(xué)TJ-5風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的最大誤差為7.25%，滿足規(guī)范中不超過15%的要求，證明了CFD軟件的可靠性以及模型的正確性。

(2)計(jì)算了增加不同高度的中央上穩(wěn)定板后的主梁阻力系數(shù)。結(jié)果表明：在-3°風(fēng)攻角下增設(shè)不同高度的穩(wěn)定板均會使阻力系數(shù)增大，其中高度為0.15h的穩(wěn)定板會使阻力系數(shù)增大18.78%左右；而在3°風(fēng)攻角下增設(shè)高度為0.15h的穩(wěn)定板效果最好，阻力系數(shù)能減少32%左右；在0°風(fēng)攻角下增設(shè)不同高度的穩(wěn)定板對阻力系數(shù)的減小效果相差不大，均在30%左右。

(3)計(jì)算了增加不同高度的下穩(wěn)定板后的主梁阻力系數(shù)。結(jié)果表明：在-3°和0°風(fēng)攻角下增設(shè)高度為0.15h風(fēng)攻角的穩(wěn)定板效果最好，主梁的阻力系數(shù)減少約41.75%和46.35%；在3°風(fēng)攻角下增設(shè)高度為0.20h風(fēng)攻角的穩(wěn)定板效果最好，主梁的阻力系數(shù)能夠減少約28.49%。

(4)計(jì)算了對翼緣板進(jìn)行流線化處理后主梁的阻力系數(shù)。結(jié)果表明：在-3°、0°和3°風(fēng)攻角下，隨著風(fēng)攻角的減小，主梁氣動外形修改前后的阻力系數(shù)變化趨勢基本相同，且在翼緣板流線化處理后，主梁的阻力系數(shù)均出現(xiàn)了10%左右的增大。