高墩剛構(gòu)橋施工期風(fēng)荷載數(shù)值模擬

董康康,閆亞光

（河北工程大學(xué),河北 邯鄲 056000）

0 引言

高墩連續(xù)剛構(gòu)橋通常具有高墩支撐以及橋下空間大的典型特點(diǎn)，所以更易受風(fēng)場(chǎng)影響，橋梁受風(fēng)影響所表現(xiàn)出的風(fēng)場(chǎng)特性也較一般地區(qū)橋梁更為強(qiáng)烈。主橋結(jié)構(gòu)周?chē)莒o風(fēng)和紊流作用的影響會(huì)產(chǎn)生不可忽視的風(fēng)致響應(yīng)，甚至?xí)绊懙巾?xiàng)目施工人員及機(jī)具的安全[1]。可能會(huì)引起主橋結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的穩(wěn)定性等問(wèn)題，存在安全隱患，對(duì)風(fēng)場(chǎng)中橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成破壞。因此在施工前對(duì)主橋模型進(jìn)行風(fēng)荷載的數(shù)值模擬計(jì)算是十分必要的，它是后期研究主橋結(jié)構(gòu)各梁塊內(nèi)力和變形狀況以及掌握結(jié)構(gòu)的最不利位置的前期工作。

1 建立三維流場(chǎng)數(shù)值模型

1.1 Gambit中模型的建立

在Gambit中建立韓城河大橋主橋結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型，并構(gòu)造出大橋計(jì)算域，運(yùn)用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。鑒于計(jì)算量的增大，劃分出的主橋模型所在部分不宜太大，區(qū)域過(guò)大的直接影響就是所在部分網(wǎng)格數(shù)量過(guò)大，易引起軟件計(jì)算的崩潰[2～4]。橋模型計(jì)算域被劃分為9個(gè)模塊區(qū)域，其中中心區(qū)域分為上下兩部分。故主橋模型計(jì)算域被劃分為10個(gè)模塊區(qū)域來(lái)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，如圖1所示。劃分橋梁模型采用1 m的面網(wǎng)格，再用5 m的體網(wǎng)格對(duì)橋所在中心區(qū)域進(jìn)行劃分，如圖2中心區(qū)域所示。根據(jù)劃分出的模塊區(qū)域離主橋模型的遠(yuǎn)近來(lái)決定網(wǎng)格劃分的疏密程度，中心周?chē)K區(qū)域的網(wǎng)格劃分依次采用10 m、15 m的網(wǎng)格尺寸[5～8]，如圖2所示。

圖1 主橋模型計(jì)算域劃分圖

圖2 主橋模型網(wǎng)格劃分效果圖

1.2 設(shè)置模型邊界條件

根據(jù)主橋模型所在地形情況在Gambit中進(jìn)行韓城河大橋主橋結(jié)構(gòu)的建模，并完成其計(jì)算域的構(gòu)建。+X方向?yàn)闁|，-X方向?yàn)槲?，根?jù)韓城河大橋的地形實(shí)際情況，設(shè)置風(fēng)速入口方向?yàn)?X，風(fēng)速出口方向?yàn)?X。主橋模型邊界條件設(shè)置如表1所示。

表1 主橋模型邊界條件

2 不同風(fēng)攻角下的主橋典型梁塊截面風(fēng)壓數(shù)值模擬

2.1 不同風(fēng)攻角下主梁各梁塊截面位置示意

設(shè)置5種不同的風(fēng)攻角工況，風(fēng)攻角由小到大為、-5°、-2°、0°、2°、5°，運(yùn)用Fluent軟件對(duì)5種工況分別進(jìn)行模擬[9～10]，入口風(fēng)速設(shè)置為23.268 m/s。選取主橋結(jié)構(gòu)最高墩27#墩的主梁結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，27#墩主橋模型施工期最大懸臂示意圖如圖3所示。

圖3 施工期最大懸臂下的主橋結(jié)構(gòu)梁塊示意圖

如圖3所示，韓城河大橋27#墩最大懸臂狀態(tài)下箱梁施工標(biāo)段中主梁懸臂兩端各劃分為15段來(lái)進(jìn)行懸臂掛籃施工。由于1#梁塊和27#橋墩距離很近，橋墩的存在會(huì)對(duì)1#梁塊周?chē)L(fēng)場(chǎng)特性造成一定的影響。選取位于橋墩位置附近的1#典型梁塊作為研究對(duì)象。

2.2 不同風(fēng)攻角下主梁1#梁塊截面風(fēng)壓分布云圖分析

5種不同風(fēng)攻角工況下的1#梁塊截面風(fēng)壓分布云圖如圖4所示。

圖4 根部1#梁塊-5°～5°風(fēng)攻角風(fēng)壓云圖

從圖4可看出主橋模型1#根部梁塊迎風(fēng)側(cè)承受著正壓力，其余各面均承受負(fù)壓力，所有風(fēng)攻角工況圖中橋墩位置都有很大的負(fù)壓，可能是橋墩對(duì)其附近風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生的阻礙作用，橋墩附近位置出現(xiàn)很多流場(chǎng)漩渦，懸臂根部梁塊周?chē)惺芊秶恍〉呢?fù)壓。其中風(fēng)攻角為-5°時(shí)根部梁塊周?chē)鷫簭?qiáng)場(chǎng)最強(qiáng)，最小壓強(qiáng)為-547.332 9 Pa，最大壓強(qiáng)為471.274 5 Pa。所有風(fēng)攻角工況圖中右上角主梁梁塊翼緣、梁塊截面底板右下方位置以及根部梁塊背風(fēng)面由于流場(chǎng)的回旋作用而承受很大的吸力；由-5°～5°不同風(fēng)攻角的壓力分布云圖可看出，1#根部梁塊的上方區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)壓區(qū)，隨著風(fēng)攻角由負(fù)向正的增大1#根部梁塊上方負(fù)壓區(qū)面積和壓力值都在逐漸減小，5°風(fēng)攻角時(shí)，1#根部梁塊上方負(fù)壓區(qū)面積減小，負(fù)壓強(qiáng)值為-464.362 7 Pa，正壓強(qiáng)值為351.517 6 Pa。隨著風(fēng)攻角由負(fù)到正的不斷變化，根部梁塊迎風(fēng)面的正壓區(qū)的面積和壓強(qiáng)值都在不斷減小。

3 結(jié)論

綜上所述，選取的主梁模型典型梁塊1#梁塊截面迎風(fēng)側(cè)均承受正壓力，上下方區(qū)域與背風(fēng)側(cè)均承受負(fù)壓。尤其是梁塊下方區(qū)域出現(xiàn)類(lèi)似橋墩形狀的負(fù)壓區(qū)，原因是橋墩對(duì)風(fēng)場(chǎng)的阻礙而出現(xiàn)繞流現(xiàn)象，導(dǎo)致橋墩表面周?chē)浇霈F(xiàn)負(fù)壓。隨著梁塊截面上風(fēng)攻角由負(fù)向正的增大，梁塊負(fù)壓區(qū)的區(qū)域面積總是減??；隨著風(fēng)攻角由負(fù)向正的增大，梁塊周?chē)龎簠^(qū)面積逐漸增大；27#橋墩會(huì)對(duì)懸臂根部1#梁塊截面周?chē)娘L(fēng)場(chǎng)造成一定的影響，從而導(dǎo)致梁塊周?chē)龎簠^(qū)與負(fù)壓區(qū)均增大。