不同梁寬的10∶1寬高比邊主梁疊合梁氣動(dòng)特性研究

摘要：為研究寬高比為10∶1的邊主梁疊合梁氣動(dòng)特性，采用CFD數(shù)值計(jì)算的方法分別對(duì)不同梁寬（44 m、31 m與22 m）的10∶1寬高比邊主梁疊合梁斷面繞流狀態(tài)及三分力特性進(jìn)行研究，斷面流場(chǎng)模擬結(jié)果表明，不同寬度的邊主梁疊合梁斷面旋渦脫落方式幾乎一致，但在脫落頻率上存在一定差異，其中寬度較小的斷面存在一個(gè)頻率較高的旋渦脫落頻率，同時(shí)下中央穩(wěn)定板能夠顯著改善各寬度斷面的繞流特性，且對(duì)寬度較大的斷面改善作用較好。斷面三分力系數(shù)模擬結(jié)果表明，寬度較小的斷面受到的氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩作用較大，寬度較大的斷面受到的氣動(dòng)升力較大。

關(guān)鍵詞：邊主梁疊合梁; 氣動(dòng)特性; CFD數(shù)值模擬; 三分力系數(shù)

中圖分類號(hào)：U441+.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

疊合梁20世紀(jì)70年代被首次使用后，因其良好的受力性能及工程經(jīng)濟(jì)適用性，而得到了廣泛使用［1-2］。近年來在我國的大跨度斜拉橋設(shè)計(jì)中，采用雙邊主梁形式的疊合梁得到了大量的應(yīng)用，該類型主梁設(shè)計(jì)采用梁體兩側(cè)的鋼邊主梁提供主要?jiǎng)偠戎?，并充分利用梁頂?shù)幕炷量箟盒?，在保證了受力性能的同時(shí)，也充分考慮了工程造價(jià)經(jīng)濟(jì)性［3-4］。

但邊主梁疊合梁的斷面類型屬于鈍體式斷面，且由于梁體下側(cè)屬于開口型斷面，大量研究表明［5-7］，該類邊主梁疊合梁存在氣動(dòng)性能較差的現(xiàn)象，董佳慧等［8］通過對(duì)某梁寬為25.5 m的邊主梁疊合梁渦振性能進(jìn)行研究表明，該主梁在0.2%～1.0%試驗(yàn)阻尼比下均存在超過規(guī)范限值的渦激振動(dòng)，在其下側(cè)設(shè)置下中央穩(wěn)定板能夠?qū)u振振幅降低30%。張?zhí)煲淼龋?］對(duì)某寬度為40 m，寬高比為10∶1的寬幅邊主梁疊合梁的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表示，該斷面同樣存在渦振性能較差的現(xiàn)象，即使在1.0%試驗(yàn)阻尼比下也存在顯著的渦激振動(dòng)。賀耀北等［10］對(duì)某寬度為31 m，寬高比為10∶1的雙邊鋼主梁－UHPC組合梁的渦振性能研究表明，當(dāng)豎向試驗(yàn)阻尼比提升到1.7%時(shí)，該主梁的豎向渦振振幅滿足規(guī)范要求（121 mm），但扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)阻尼比0.5%時(shí)，主梁的扭轉(zhuǎn)渦振振幅也顯著低于規(guī)范要求（0.271°）。

綜上所述，邊主梁疊合梁存在氣動(dòng)特性較差的現(xiàn)象，且對(duì)于同一寬高比的主梁斷面，主梁寬度的變化也會(huì)顯著影響其渦振特性，因此，本文以張?zhí)煲?、賀耀北等［9-10］所研究的實(shí)際橋梁主梁為參考，通過CFD數(shù)值計(jì)算對(duì)主梁寬度分別為40 m、31 m與22 m的寬高比均為10∶1的邊主梁疊合梁斷面繞流及三分力系數(shù)時(shí)程變化進(jìn)行模擬，從而對(duì)10∶1寬高比的邊主梁疊合梁斷面氣動(dòng)特性進(jìn)行研究。

1研究斷面及計(jì)算參數(shù)設(shè)置

1.1研究斷面

為了研究不同梁寬的邊主梁疊合梁氣動(dòng)特性，以張?zhí)煲?、賀耀北等［9-10］所研究的實(shí)際橋梁主梁為參考，對(duì)寬高比為10∶1，且主梁寬度分別為40 m、31 m與22 m的邊主梁疊合梁斷面氣動(dòng)特性進(jìn)行研究，以往大量研究成果［11-14］均表明，該類主梁斷面的渦振性能主要由梁體下方的旋渦脫落決定，為了使研究成果具有普遍意義，本文的研究斷面均不設(shè)置橋面欄桿等橋梁附屬結(jié)構(gòu)，具體研究斷面如圖1所示。

1.2CFD參數(shù)設(shè)置

本文采用CFD數(shù)值計(jì)算的方式，對(duì)各研究斷面的流場(chǎng)及三分力系數(shù)變化進(jìn)行模擬，數(shù)值模擬采用Fluent軟件進(jìn)行。

為了減小計(jì)算量，針對(duì)W40DM、W31DM以及W22DM斷面采用1∶50比例尺的計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算面域及參數(shù)設(shè)置如圖2所示，其中B為各研究斷面采用1∶50比例尺縮尺后斷面寬度，由于各斷面高度的不同，數(shù)值模擬中針對(duì)W40DM、W31DM、W22DM斷面的湍流長(zhǎng)度分別設(shè)置為0.080 m、0.062 m以及0.044 m。

2斷面繞流及三分力系數(shù)分析

2.1斷面繞流狀態(tài)

斷面的氣動(dòng)特性，尤其是渦振特性與斷面表面的旋渦脫落方式有著明顯的聯(lián)系，因此針對(duì)各寬度邊主梁疊合梁斷面的旋渦脫落研究有著極大必要性。本文通過CFD數(shù)值模擬分別得到的W40DM、W31DM與W22DM斷面渦量圖分別如圖3～圖5所示（其中T代表一個(gè)周期），針對(duì)各個(gè)計(jì)算斷面，均給出了一個(gè)周期內(nèi)的渦量圖。

其中各個(gè)斷面的旋渦脫落方式基本一致，即：在迎風(fēng)側(cè)邊主梁前緣及內(nèi)側(cè)分別生成大型旋渦G2與G1，并向下游移動(dòng)并發(fā)生脫落，該兩個(gè)旋渦也是整個(gè)斷面的最主要脫落旋渦，而背風(fēng)側(cè)邊主梁的后緣也會(huì)生成一個(gè)尺寸略小的旋渦G3并發(fā)生脫落。上述3個(gè)旋渦G1～G3均生成在斷面的下側(cè)，而在斷面的上側(cè)僅在尾流側(cè)有一脫落旋渦F1生成，且該旋渦尺寸較小。

可以發(fā)現(xiàn)雖然主梁的寬度有區(qū)別，但針對(duì)寬高比均為10∶1的三種斷面，其旋渦脫落方式基本一致，主要以斷面下側(cè)的旋渦脫落為主，因此針對(duì)該類型斷面的氣動(dòng)性能改善，應(yīng)針對(duì)其斷面下側(cè)開口部分的流場(chǎng)改善來進(jìn)行。

2.2斷面三分力系數(shù)

斷面的渦量圖表明不同寬度的各研究斷面在旋渦脫落方式上幾乎一致，但需要對(duì)其旋渦脫落的頻率及由此造成的氣動(dòng)力進(jìn)行研究，通過提取各研究斷面的阻力、升力與力矩系數(shù)時(shí)程如圖6～圖8所示。

針對(duì)斷面氣動(dòng)特性影響較大的升力系數(shù)與力矩系數(shù)模擬結(jié)果表明，W40DM斷面的升力系數(shù)變化幅值最大，為0.464 5，W31DM斷面略有降低，但當(dāng)主梁寬度變?yōu)?2 m寬度時(shí)，升力系數(shù)變化幅值發(fā)生顯著降低，W22DM斷面較W40DM斷面降低93.0%。而針對(duì)于力矩系數(shù)，W22DM斷面的變化幅值最大，為0.805 8，W31DM與W40DM斷面的值均較小，僅為W22DM斷面變化幅值的10.5%左右?？梢园l(fā)現(xiàn)W22DM斷面受到的氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩作用較大，而W31DM與W40DM斷面受到的氣動(dòng)升力較大。

通過對(duì)各斷面升力及力矩系數(shù)進(jìn)行FFT傅里葉變化得到的頻譜圖如圖9與圖10所示，得到了各斷面在來流下所受到的氣動(dòng)力卓越頻率。

由于橋梁渦激振動(dòng)的發(fā)生主要與流動(dòng)分離和旋渦脫落有關(guān)，當(dāng)結(jié)構(gòu)受到氣動(dòng)力的作用頻率與結(jié)構(gòu)物某一階固有頻率接近時(shí)，就會(huì)引起渦激振動(dòng)現(xiàn)象，針對(duì)同一斷面，其St數(shù)是固定的，如式（1）所示。

St=DTs=nsD（1）

式中：［Ts］為旋渦脫落周期；［ns］為旋渦脫落頻率；［D］為物體垂直于來流平面的投影特征尺寸；［］為來流的平均速度。

通過計(jì)算得到各斷面的St數(shù)如表1所示，可以發(fā)現(xiàn)，較W40DM斷面，W22DM與W31DM斷面多存在一個(gè)St數(shù)，且數(shù)值較大，由于對(duì)于實(shí)際的橋梁斷面，其固有頻率是一定的，而斷面St數(shù)一定且較大的情況下，其對(duì)應(yīng)的起振風(fēng)速則較低，故針對(duì)實(shí)際橋梁時(shí)，采用寬度較小的邊主梁疊合梁斷面，應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)其低風(fēng)速下的渦激振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行關(guān)注。

3下中央穩(wěn)定板改善效果對(duì)比

參考以往的大量研究成果［10-12、15］均表明，在邊主梁疊合梁下側(cè)設(shè)置下中央穩(wěn)定板，能夠有效地改善斷面的繞流狀態(tài)，提高斷面的渦振性能，故本文針對(duì)W40DM、W31DM與W22DM斷面均設(shè)置與梁體高度一致的下中央穩(wěn)定板，設(shè)置穩(wěn)定板后的斷面分別命名為X40DM、X31DM與X22DM斷面，具體如圖11所示。

設(shè)置下中央穩(wěn)定板后的各研究斷面典型時(shí)刻渦量如圖12所示，可以發(fā)現(xiàn)下中央穩(wěn)定板對(duì)不同寬度邊主梁疊合梁斷面的繞流狀態(tài)均有顯著的改善作用，設(shè)置下中央穩(wěn)定板后，迎風(fēng)側(cè)邊主梁內(nèi)側(cè)的旋渦G1以及背風(fēng)側(cè)邊主梁后緣處生成的旋渦G3均被消除，迎風(fēng)側(cè)邊主梁前緣處生成的旋渦G2尺寸被顯著降低。但針對(duì)該處旋渦G3的尺寸降低作用，各寬度斷面的表現(xiàn)存在一定的差異，其中主梁寬度最大的X40DM斷面中旋渦G2尺寸最小，而主梁寬度最小的X22DM斷面中旋渦G2尺寸最大，同時(shí)因?yàn)橄轮醒敕€(wěn)定板的存在而形成的旋渦G0在尺寸上也存在與旋渦G2相同的差異，即X22DM斷面中的旋渦G0最大，X40DM斷面中的最小。

綜上可以發(fā)現(xiàn)，下中央穩(wěn)定針對(duì)梁寬較大的邊主梁疊合梁旋渦脫落狀態(tài)改善作用較好，對(duì)梁寬較小的斷面改善作用較差。

4結(jié)論

本文利用CFD數(shù)值計(jì)算對(duì)常用梁寬（40 m、31 m與22 m）的10∶1寬高比邊主梁疊合梁的斷面繞流及三分力系數(shù)變化特性進(jìn)行了模擬，得出幾點(diǎn)主要結(jié)論。

（1）針對(duì)不同主梁寬度的10∶1寬高比邊主梁疊合梁，其旋渦脫落方式幾乎一致，但在脫落頻率上存在一定差異，較40 m梁寬斷面，梁寬較小的斷面存在一個(gè)頻率較高的旋渦脫落頻率，較易引起實(shí)橋在低風(fēng)速下的渦激振動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

（2）主梁寬度較小的邊主梁疊合梁斷面受到的氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩作用較大，而主梁寬度較大的斷面受到的氣動(dòng)升力較大。

（3）下中央穩(wěn)定板能夠顯著改善寬高比為10∶1的寬高比邊主梁疊合梁斷面繞流特性，其中對(duì)梁寬較大的斷面改善作用較好。

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［作者簡(jiǎn)介］左云（1979—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榈缆?、橋梁勘察設(shè)計(jì)。