基于CFD的雙邊鈍體箱梁渦振性能及抑振措施研究

摘 要：【目的】為了掌握雙邊鈍體箱梁在低風(fēng)速下的風(fēng)致振動(dòng)情況，有必要對(duì)其渦振性能以及抑振措施進(jìn)行研究?！痉椒ā炕诶字Z平均方法（RANS）和SST [k-ω]模型，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法，對(duì)雙邊鈍體箱形斷面進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其在低風(fēng)速下的風(fēng)場(chǎng)信息和產(chǎn)生渦激共振的情況?！窘Y(jié)果】得到原截面與各增設(shè)內(nèi)挑式水平隔流板的工況下的壓力、流場(chǎng)詳情及振動(dòng)情況。【結(jié)論】?jī)?nèi)挑式水平隔流板可有效抑制橋梁的渦激共振，且在各工況中增設(shè)1.5 m內(nèi)挑式水平隔流板抑振效果最佳。

關(guān)鍵詞：橋梁工程；渦激共振；CFD；雙邊鈍體箱梁；內(nèi)挑式水平隔流板

中圖分類號(hào)：U441.3" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：1003-5168（2024）20-0055-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.20.011

Study of the Vortex-Induced Vibration Performance of Double Bluff Body Box Girder and the Vibration Suppression Measures Based on CFD

Abstract： [Purposes] In order to study the wind-induced vibration of double bluff body box girder under low wind speed， it is necessary to study its vortex-induced vibration and vibration suppression measures. [Methods] Based on the Reynolds average method （RANS） and the SST" "[k-ω] model， a numerical simulation of the double bluff body box section was carried out by means of Computational Fluid Dynamics（CFD） to study the wind field information and vortex-induced vibration at low wind speed. [Findings] The pressure， flow field details and vibration conditions of the original section and each additional internal lift horizontal baffle are obtained. [Conclusions] The vortex-induced vibration of the bridge can be effectively reduced by the internal lift horizontal baffle， and the vibration suppression effect of adding 1.5 m internal lift horizontal baffle in each working condition is the best .

Keywords： bridge engineering; vortex-induced vibration; CFD; double bluff body box girder; internal lift horizontal baffle

0 引言

根據(jù)交通運(yùn)輸部發(fā)布的《2022年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，截至2022年底，我國(guó)公路橋梁已有103.32萬座，共計(jì)8 576.49萬m。其中，特大橋梁8 816座、1 621.44萬m，大橋15.96萬座、4 431.93萬m。我國(guó)擁有世界最多數(shù)量、最大規(guī)模的公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。而隨著大跨橋梁的增多，風(fēng)致振動(dòng)已經(jīng)成為大跨橋梁結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵控制因素之一［1-2］，特別是在我國(guó)西堠門大橋和虎門大橋發(fā)生渦振以后，大跨橋梁抗風(fēng)問題尤其是渦振問題已經(jīng)成為橋梁工程亟須解決的技術(shù)難題［3］。

橋梁抗風(fēng)問題的研究起始于1940年Tacoma Narrows 大橋風(fēng)毀事件，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)的橋梁進(jìn)行了大量的研究，Li等［4-5］針對(duì)西侯門大橋進(jìn)行了大量的實(shí)橋檢測(cè)和風(fēng)洞試驗(yàn)，通過研究其風(fēng)致振動(dòng)情況，以進(jìn)一步探索大跨度懸索橋風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理。Masaru等［6］和Larscn等［7-8］以Tacoma大橋?yàn)樵瓦M(jìn)行橋梁風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理的探索，揭示了主梁斷面振動(dòng)時(shí)風(fēng)與主梁相互作用的過程。Ge等［9］以虎門大橋?yàn)榛A(chǔ)，探索橋梁渦振機(jī)理。Shinichi［10］研究了大貝爾特東橋的箱形主梁斷面在不同風(fēng)攻角下的氣動(dòng)性能。Lee等［11］對(duì)韓國(guó)明海大橋和西海大橋的渦振現(xiàn)象進(jìn)行了研究。Sarwar等［12-13］研究了風(fēng)嘴和導(dǎo)流板對(duì)箱梁渦振性能的影響，并提出了一種基于強(qiáng)迫振動(dòng)預(yù)測(cè)渦振最大振幅的方法。Mannini等［14］對(duì)Sunshine Skyway橋的箱梁斷面繞流開展了模擬研究，并肯定了數(shù)值模擬方法捕捉復(fù)數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)的能力。而在橋梁抗風(fēng)研究中，渦激共振日益受到相關(guān)學(xué)者重視。渦振是一種兼具自激和強(qiáng)迫特性的自限幅振動(dòng)現(xiàn)象，由繞經(jīng)結(jié)構(gòu)表面的周期性脫落漩渦引起。當(dāng)漩渦脫落的頻率與橋梁某階模態(tài)頻率吻合時(shí)，會(huì)導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)較大幅度的振動(dòng)。大幅振動(dòng)又會(huì)影響漩渦的脫落，出現(xiàn)諸如鎖定、穩(wěn)定分支等氣動(dòng)非線性現(xiàn)象。雖然渦振具有自限幅特性，不會(huì)像顫振一樣直接引起結(jié)構(gòu)的動(dòng)力失穩(wěn)破壞，但其發(fā)生風(fēng)速較低，常常處于設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)，且大幅渦振會(huì)威脅行車安全并減少結(jié)構(gòu)使用壽命，影響結(jié)構(gòu)正常服役性能。因此，對(duì)在役橋梁的渦振隱患識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)防控也是十分必要的。

雙邊鈍體箱形截面作為開口斷面，抗風(fēng)性能并不優(yōu)異，目前大跨橋梁已經(jīng)很少采用這一斷面，也鮮有學(xué)者對(duì)其渦振性能進(jìn)行研究。但是在21世紀(jì)初，我國(guó)有大量采用雙邊鈍體箱形截面的大跨橋梁，并且一些中跨徑橋梁因其良好的抗彎性能依然會(huì)采用雙邊鈍體箱形截面作為主梁截面，因此為了在役橋梁的安全與隱患排查，研究該截面的抗風(fēng)性能依然具有實(shí)際意義。

目前，對(duì)于橋梁風(fēng)致振動(dòng)的研究方法主要有風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬。風(fēng)洞試驗(yàn)不僅受到模型尺寸、研究周期等的限制，并且測(cè)量風(fēng)場(chǎng)信息往往需要用到例如煙線流場(chǎng)顯示技術(shù)或者粒子圖像測(cè)速（PIV）等，不僅成本高昂，并且結(jié)果由于受諸多因素干擾而具有一定的隨機(jī)性。近年來，隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的發(fā)展，使得風(fēng)場(chǎng)信息可視化，荷載效應(yīng)獲取高效化，并且計(jì)算結(jié)果經(jīng)過了大量的對(duì)比論證。本文結(jié)合工程實(shí)例，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)雙邊鈍體箱梁渦振性能進(jìn)行研究，并進(jìn)一步研究?jī)?nèi)挑式水平隔流板的抑振效果。

1 雙邊鈍體箱梁的數(shù)值模擬

1.1 工程概況

勝利黃河大橋主橋?yàn)槲蹇纂p塔連續(xù)鋼斜拉橋，其跨徑布置為（60.5+136.5+288+136.5+60.5） m，斷面型式為雙邊鈍體箱梁。橋面全寬19.5 m，梁高為2.4 m。勝利黃河大橋位于東營(yíng)市墾利區(qū)城東北側(cè)，年平均風(fēng)速在2 m/s左右。勝利黃河大橋主梁典型截面如圖1所示。

1.2 設(shè)置計(jì)算域

在豎直方向，為確保計(jì)算域不會(huì)干擾到橋梁的流場(chǎng)，應(yīng)保證阻塞率不超過3%。將計(jì)算域高度設(shè)置為10B（B為梁寬），梁截面中心位于中心水平線上，此時(shí)的阻塞率為1.2%，滿足要求。在水平方向，梁截面距來流入口距離為5B，距出口距離為10B，保證尾流有足夠的空間充分發(fā)展。具體情況如圖2所示。

1.3 選擇湍流模型

SST [k-ω]模型，是在標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]模型和標(biāo)準(zhǔn)[k-ω]模型的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提出的雷諾平均方法（RANS），該模型在外部和自由剪切層中采用[k-ε]模型，在近壁區(qū)采用[k-ω]模型，兩者通過混合函數(shù)實(shí)現(xiàn)過渡，其表達(dá)式見式（1）。

式中：ρ為流體密度；k為湍動(dòng)能；ω=ε/k為湍流耗散與湍動(dòng)能的比值；[u]為時(shí)均速度；Gk和Gω為湍流動(dòng)能；Γk和Γω分別為k和ω的有效擴(kuò)散項(xiàng)；Yk和Yω分別為k和ω的發(fā)散項(xiàng)；Dω為正交擴(kuò)散項(xiàng)；Sk和Sω為用戶自定義項(xiàng)。

該模型有效避免了標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]模型對(duì)分離流動(dòng)、逆壓流動(dòng)等繞流問題模擬效果差和標(biāo)準(zhǔn)[k-ω]模型對(duì)湍流強(qiáng)度過于敏感的問題，集合了標(biāo)準(zhǔn)[k-ε]模型和標(biāo)準(zhǔn)[k-ω]模型的優(yōu)點(diǎn)，既可以對(duì)邊界層進(jìn)行準(zhǔn)確模擬，也可以模擬充分發(fā)展的湍流。

1.4 劃分網(wǎng)格

本研究整個(gè)計(jì)算域全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在主梁截面附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密，確保準(zhǔn)確展示流場(chǎng)的變化，在變化較緩慢的區(qū)域采用較為稀疏的網(wǎng)格，在中間區(qū)域進(jìn)行過渡，使得網(wǎng)格大小的增長(zhǎng)率不超過1.1，確保結(jié)果準(zhǔn)確。具體的網(wǎng)格劃分和細(xì)部處理如圖3所示。

由于采用的湍流模型為SST [k-ω]模型，要求壁面第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)全部落在黏性子層，也就是Y+lt;5。一般壁面對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果十分重要時(shí)，要求會(huì)更高。壁面第一層網(wǎng)格無量綱高度Y+統(tǒng)計(jì)情況如圖4所示。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 雙邊鈍體箱形截面分析

對(duì)梁截面在-3°～3°情況下進(jìn)行數(shù)值模擬，得到的三分力系數(shù)與該橋1986年的抗風(fēng)報(bào)告結(jié)果相吻合。對(duì)梁截面在不同風(fēng)攻角下流場(chǎng)模擬得到的速度與壓力分布情況如圖5、圖6所示。

由圖5可知，正壓力區(qū)主要集中在箱梁迎風(fēng)側(cè)箱室外腹板處和頂板迎風(fēng)側(cè)處，而負(fù)壓力區(qū)主要出現(xiàn)在頂板迎風(fēng)側(cè)和兩個(gè)箱室之間。

根據(jù)圖6流速跡線圖可知，兩個(gè)箱室之間出現(xiàn)了較明顯的速度漩渦，很可能是梁截面產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)的原因之一，因此考慮通過添加內(nèi)挑式水平隔流板來嘗試抑制。

2.2 設(shè)置內(nèi)挑式水平隔流板

分別在雙邊鈍體箱形截面增設(shè)1.0、1.5、2.0 m三種內(nèi)挑式水平隔流板。將三種工況進(jìn)行模擬，得到的速度分布情況如圖7至圖9所示。由圖可知，內(nèi)挑式水平隔流板對(duì)于箱室之間的速度漩渦起到了明顯的影響。

一方面，內(nèi)挑式水平隔流板有效影響了兩側(cè)箱室內(nèi)側(cè)腹板與頂板夾角處的渦旋，尤其是背風(fēng)側(cè)處，渦旋產(chǎn)生了較明顯的變化。另一方面，兩側(cè)內(nèi)挑式水平隔流板也極大地影響了箱室之間渦旋的發(fā)展情況以及與頂板的接觸位置。

箱梁表面平均壓力系數(shù)的分布狀況表征氣流在模型表面的總體分布特征，以此能夠判斷氣流在箱梁斷面上的分離和再附情況。本研究對(duì)箱室間（兩側(cè)箱室內(nèi)側(cè)腹板和頂板底部）所受平均壓力系數(shù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)迎風(fēng)側(cè)箱室與附近的頂板底側(cè)壓力變化不明顯，而對(duì)于頂板底側(cè)負(fù)壓極值的分布位置和背風(fēng)側(cè)箱梁內(nèi)側(cè)腹板所受壓力則有較大影響，具體情況如圖10所示。

本研究對(duì)原截面和增設(shè)內(nèi)挑式水平隔流板的三種工況進(jìn)行渦激振動(dòng)模擬，結(jié)果顯示，內(nèi)挑式水平隔流板有效降低了箱梁的豎向振幅，1.0、1.5、2 m三種內(nèi)挑式水平隔流板分別使箱梁的最大豎向振幅降低了約31%、41%、33%，結(jié)果如圖11所示。

3 結(jié)語

本文針對(duì)雙邊鈍體箱梁抗風(fēng)性能進(jìn)行研究，以東營(yíng)黃河大橋?yàn)楣こ虒?shí)例，采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)橋梁斷面進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)雙邊鈍體箱梁負(fù)壓力區(qū)主要出現(xiàn)在頂板迎風(fēng)側(cè)和兩個(gè)箱室之間，而采用內(nèi)挑式水平隔流板的措施抑振效果較好，同時(shí)相較于1.0 m和2.0 m的隔流板，1.5 m抑振效果最佳。

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