基于CFD對某大跨斜拉橋靜力三分力系數(shù)研究*

孫開旗 肖玉德

安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230051

引言

隨著橋梁跨徑的增大，使結(jié)構(gòu)變得更輕柔，橋梁結(jié)構(gòu)對風(fēng)荷載的敏感性也隨之增加，歷史上發(fā)生過最著名的橋梁風(fēng)毀事件——美國塔柯馬懸索橋風(fēng)毀事故，建成后僅4個(gè)月在8級大風(fēng)的作用下發(fā)生了強(qiáng)烈的風(fēng)致振動，造成橋梁的風(fēng)毀[1]。目前研究橋梁抗風(fēng)問題的主要手段是風(fēng)洞試驗(yàn)，但該試驗(yàn)周期長，而且需要消耗大量的人力和物力，風(fēng)洞試驗(yàn)無法得到大力推廣。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算流體力學(xué)(CFD)在橋梁風(fēng)工程中已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，CFD技術(shù)是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象系統(tǒng)所做的分析，模擬氣流經(jīng)過橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)結(jié)構(gòu)周圍的流場分布情況，該方法成本低，速度快，具有模擬真實(shí)和理想條件的能力。隨著越來越多橫跨江河甚至海峽的大跨度橋梁的出現(xiàn)，應(yīng)用CFD方法研究橋梁氣動性能并應(yīng)用其指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工成為必然趨勢[2]。

本文基于計(jì)算流體力學(xué)，用CFD軟件對某斜拉橋雙邊箱梁截面進(jìn)行靜態(tài)繞流模擬，求出不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)，以期對雙邊箱梁截面橋梁抗風(fēng)研究做出貢獻(xiàn)。

1 靜力三分力系數(shù)

由平均風(fēng)作用引起的靜荷載稱為靜力風(fēng)荷載。在橫橋向風(fēng)作用下，對主梁可以用靜力三分力表示，相應(yīng)的氣動力系數(shù)在風(fēng)軸上稱為阻力系數(shù)﹑升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)[3]。

2 工程實(shí)例

2.1 基本概況

本文以某斜拉橋（見圖1）為研究背景，主橋跨徑布置(150+320+150)m，全長620m，為雙塔三跨雙索面半漂浮體系斜拉橋，主塔采用雙“子”式混凝土橋塔，過渡墩采用柱式橋墩。主塔下部采用啞鈴式方形承臺及群樁基礎(chǔ)，過渡墩下部采用啞鈴式矩形整體式承臺及群樁基礎(chǔ)。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土雙邊箱梁，主梁中心處梁高3.2m，頂面寬31.0m，底面寬31.2m（見圖2）。

圖1 立面布置圖

圖2 主梁橫斷面圖

2.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

計(jì)算模型的尺寸采用實(shí)際尺寸。經(jīng)參考相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)次嘗試，計(jì)算域確定為：模型中心至速度入口距離為6B，至上下邊界的距離為8B，至壓力出口的距離為20B，主梁斷面計(jì)算域布置如圖3所示。

圖3 主梁斷面計(jì)算域布置圖

網(wǎng)格劃分是CFD軟件數(shù)值模擬中非常重要的一環(huán)，為使計(jì)算網(wǎng)格能適應(yīng)流場特征量變化，流場特征量梯度較大處網(wǎng)格應(yīng)加密，而特征量梯度較小處網(wǎng)格可適當(dāng)稀疏，兩者之間網(wǎng)格尺寸應(yīng)均勻過渡。網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分圖

2.3 計(jì)算工況

考慮風(fēng)攻角為：-12°﹑-10°﹑-8°﹑-6°﹑-4°﹑-2°﹑0°﹑+2°﹑+4°﹑+6°﹑+8°﹑+10°﹑+12°，共13個(gè)攻角變化工況。

3 數(shù)值模擬結(jié)果

指定入口來流速度為20m/s，取1.225kg/m3，湍流模型采用SST通過數(shù)值模擬，得到不同攻角下的三分力系數(shù)如表1所示。

表1 不同攻角下三分力系數(shù)

通過對本橋雙邊箱梁不同攻角下三分力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以得出：

阻力系數(shù) 從負(fù)攻角到正攻角開始呈逐漸減小趨勢，在0°附近為最小，而后逐漸增大，在+12°攻角時(shí)達(dá)到最大值；升力系數(shù) 從負(fù)攻角到正攻角整體呈逐漸增大趨勢，且在負(fù)攻角范圍內(nèi)數(shù)值變化不大，而從正攻角開始數(shù)值增速較大，從+8°攻角開始數(shù)值變化較平緩；扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù) 從負(fù)攻角到正攻角整體呈下降趨勢，變化較平緩，在負(fù)攻角范圍內(nèi)為正值，而在正攻角范圍內(nèi)為負(fù)值。

4 結(jié)束語

本文對某斜拉橋雙邊箱梁進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，得到該截面在不同攻角下三分力系數(shù)，以期對雙邊箱梁截面橋梁抗風(fēng)研究提供一定參考作用。通過對比不同攻角下的三分力系數(shù)，得出以下結(jié)論：

阻力系數(shù) 從負(fù)攻角到正攻角開始呈逐漸減小趨勢，在0°附近為最小，而后逐漸增大，在+12°攻角時(shí)達(dá)到最大值；升力系數(shù) 從負(fù)攻角到正攻角整體呈逐漸增大趨勢，且在負(fù)攻角范圍內(nèi)數(shù)值變化不大，而從正攻角開始數(shù)值增速較大，從+8°攻角開始數(shù)值變化較平緩；扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù) 從負(fù)攻角到正攻角整體呈下降趨勢，變化較平緩，在負(fù)攻角范圍內(nèi)為正值，而在正攻角范圍內(nèi)為負(fù)值。

本文考慮風(fēng)攻角取±12°﹑±10°﹑±8°﹑±6°﹑±4°﹑±2°﹑0°，豐富了《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中主梁的靜氣動力系數(shù)宜選用風(fēng)攻角-3°~+3°范圍內(nèi)的最不利值的情況。

后續(xù)展望：考慮橋面車輛影響的主梁靜三分力系數(shù)，通過對比，得出有益結(jié)論，為橋梁設(shè)計(jì)﹑施工提供一定借鑒作用。