郭俊峰
(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司, 四川成都 610072)
目前我國(guó)公路與鐵路的建設(shè)正處于高速發(fā)展期,橋梁作為連接陸路交通的重要紐帶,在鐵路與公路的建造中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[1]。隨著橋梁建造技術(shù)的不斷發(fā)展以及新材料的使用,各類型橋梁的跨度不斷被刷新。越來越多的大跨度橋梁被廣泛地建造在山區(qū)、峽谷等復(fù)雜地形之中。現(xiàn)代大跨度橋梁普遍具有柔軟、纖細(xì)且結(jié)構(gòu)阻尼比較低的特點(diǎn),因此其對(duì)風(fēng)的作用變得越來越敏感。風(fēng)荷載已成為大跨度橋梁建造與運(yùn)營(yíng)必須考慮的重要因素之一。在橋梁設(shè)計(jì)階段,精確識(shí)別主梁截面靜力三分力系數(shù)是橋梁抗風(fēng)分析的基礎(chǔ)。
橋梁抗風(fēng)的主要研究手段包括風(fēng)洞試驗(yàn)、CFD數(shù)值模擬、理論研究以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)4種方法。相比于風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),CFD數(shù)值模擬具有費(fèi)用低、周期短、不受試驗(yàn)條件限制等優(yōu)點(diǎn),因而被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析之中。高宇琪[2]基于CFD數(shù)值模擬對(duì)東南沿海某大跨度連續(xù)梁橋箱型斷面靜氣動(dòng)力系數(shù)開展研究,識(shí)別了主梁斷面的靜力三分力系數(shù),并分析了主梁截面尺寸和風(fēng)攻角對(duì)靜氣動(dòng)力系數(shù)的影響規(guī)律。呂銘泉[3]針對(duì)山區(qū)某高墩大跨度橋梁,利用CFD數(shù)值模擬對(duì)不同工況下的風(fēng)場(chǎng)特征進(jìn)行了仿真分析,研究了風(fēng)攻角、主梁高度以及橋梁橫坡等參數(shù)對(duì)主梁斷面靜力三分力系數(shù)的影響規(guī)律,同時(shí)還展示了各工況下箱梁截面周圍流場(chǎng)的特征。樊書文[4]基于CFD數(shù)值模擬研究了風(fēng)嘴角度及風(fēng)嘴位置對(duì)主梁斷面靜力三分力系數(shù)的影響。鄭史雄[5-6]等人通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了斜向風(fēng)作用下倒梯形桁梁橋的靜氣動(dòng)力參數(shù)。鄒明偉[7]將倒梯形桁架主梁斷面簡(jiǎn)化為二維等效模型,并利用CFD數(shù)值模擬對(duì)模型進(jìn)行了氣動(dòng)參數(shù)識(shí)別,參數(shù)結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)吻合較好,從而驗(yàn)證了文中模型簡(jiǎn)化原則的合理性。
本文所研究的對(duì)象為西部峽谷地區(qū)某大跨度中承式拱橋,拱肋采用鋼-混凝土結(jié)合拱方案,拱上立柱采用雙柱式框架墩,主梁采用單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土梁,其截面如圖1所示。通過對(duì)比CFD數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果,驗(yàn)證計(jì)算模型簡(jiǎn)化的合理性及數(shù)值風(fēng)洞的可靠性,從而為大跨度拱橋的設(shè)計(jì)與抗風(fēng)研究提供參考。
圖1 主梁斷面圖(單位:mm)
風(fēng)荷載產(chǎn)生的本質(zhì)原因是主梁氣動(dòng)外形改變了其周圍流場(chǎng)分布特性[8]。在風(fēng)的作用下,主梁截面會(huì)受到三個(gè)方向的靜風(fēng)荷載,包括阻力FH,豎向力FV以及扭矩MT。在主梁截面類似的情況下,該靜風(fēng)荷載與主梁截面的特征尺寸成比例。為了便于研究,引入無量綱的靜力三分力系數(shù)來描述這種特征。在體軸下的靜力三分力系數(shù)如式(1)所示:
(1)
式中:ρ為空氣密度;D為主梁斷面的高度;B為主梁斷面的寬度;U為風(fēng)速;CH為阻力系數(shù);CV為升力系數(shù);CM為升力矩系數(shù)。
如圖1所示,真實(shí)的橋梁結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜。對(duì)于現(xiàn)有的計(jì)算條件,要模擬各個(gè)細(xì)部結(jié)構(gòu)對(duì)流場(chǎng)的影響很難實(shí)現(xiàn),因此需要對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。本文將橋梁表面視為光滑無摩擦的壁面,同時(shí)忽略道砟板上鐵軌細(xì)部結(jié)構(gòu)、橋上路燈等附屬結(jié)構(gòu),建立反映主要?dú)鈩?dòng)特性的主梁簡(jiǎn)化模型,如圖2所示。
圖2 簡(jiǎn)化后的主梁斷面
將主梁斷面如圖2所示簡(jiǎn)化之后,以1∶100的幾何縮尺比建立主梁模型并對(duì)數(shù)值計(jì)算域劃分。合理確定數(shù)值計(jì)算域的大小和邊界條件是CFD數(shù)值模擬的重要前提,同時(shí)也對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性有著重要影響。結(jié)合CFD計(jì)算經(jīng)驗(yàn)與試算結(jié)果,確定如圖3所示的二維計(jì)算域。
圖3 流場(chǎng)計(jì)算域尺寸與邊界條件示意(單位:mm)
計(jì)算域左側(cè)邊界為速度入口條件,右側(cè)邊界為壓力出口條件,上下邊界設(shè)置為對(duì)稱邊界條件。主梁截面設(shè)置為無滑移固定壁面邊界。結(jié)構(gòu)中心距入口邊界為12 m,距出口邊界為20 m,距上、下邊界均為4 m。
在距結(jié)構(gòu)最近的圓形區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,其余區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格尺寸為1 mm,相鄰網(wǎng)格之間的膨脹率為1.05,主梁斷面附近的網(wǎng)格劃分見圖4。
圖4 主梁斷面周邊網(wǎng)格劃分
結(jié)合工程需要,選取風(fēng)攻角a的變化范圍為-5 °、-3 °、0 °、+3 °、+5 °。將5種不同風(fēng)攻角工況下的流場(chǎng)進(jìn)行劃分,并在有限元分析軟件的Fluent模塊中進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算參數(shù)設(shè)置如下,來流速度U=20 m/s,采用SSTk-ω湍流模型,湍流強(qiáng)度0.5 %,湍流粘度比取2。
待計(jì)算完成后,提取各工況下主梁斷面的阻力,升力與升力矩。將各參數(shù)代入公式(1)即可得到主梁斷面在體軸系下的靜力三分力系數(shù)(風(fēng)軸系下的三分力系數(shù)可通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到),如圖5所示。
圖5 主梁斷面靜力三分力系數(shù)
為了驗(yàn)證本文所采用計(jì)算模型簡(jiǎn)化的合理性以及CFD數(shù)值模擬的精確性,特地設(shè)置一組節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn),并將試驗(yàn)值與CFD計(jì)算值對(duì)比。風(fēng)洞試驗(yàn)截面尺寸為2.0 m(高)×2.4 m(寬)的矩形,考慮到風(fēng)洞尺寸,主梁節(jié)段實(shí)際尺寸以及試驗(yàn)要求等因素,該主梁節(jié)段模型根據(jù)實(shí)橋尺寸采用1∶40的幾何縮尺比制作。主梁模型高為76.3 mm、寬為550 mm、對(duì)應(yīng)的主梁實(shí)際尺寸高為3.05 m,寬為22 m。懸掛于風(fēng)洞中的模型見圖6。通過數(shù)據(jù)采集和分析系統(tǒng)可測(cè)出主梁在靜風(fēng)作用下的阻力、升力和升力矩,進(jìn)而可得主梁的靜力三分力系數(shù)。將試驗(yàn)結(jié)果與CFD計(jì)算值進(jìn)行比較(這里僅比較風(fēng)軸系下的靜力三分力系數(shù),體軸系同理),如表1所示。
圖6 主梁風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)P?/p>
表1 主梁靜力三分力系數(shù)的CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比
從表1可以看出,基于CFD數(shù)值模擬的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,阻力系數(shù)誤差最大值為1.6 %,對(duì)應(yīng)的風(fēng)攻角為+5 °;升力系數(shù)誤差最大值為5.3 %,對(duì)應(yīng)的風(fēng)攻角為0 °;升力矩系數(shù)誤差最大值為5.6 %,對(duì)應(yīng)的風(fēng)攻角為+5 °,均滿足工程精度需求。對(duì)于同一風(fēng)攻角來說,阻力系數(shù)CFD數(shù)值 模擬的精度最好,升力系數(shù)CFD數(shù)值模擬的精度次之,升力矩系數(shù)CFD數(shù)值模擬的精度較低。
本文分別采用CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的方法分析了西部峽谷地區(qū)某大跨度中承式拱橋的靜力三分力系數(shù),并對(duì)比分析了兩種方法的計(jì)算結(jié)果,可得如下結(jié)論:
(1)文中所述的二維簡(jiǎn)化計(jì)算模型是合理的,基于CFD數(shù)值模擬的計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,滿足工程精度要求,可為橋梁設(shè)計(jì)及抗風(fēng)性能分析提供參考。
(2)對(duì)于同一風(fēng)攻角來說,阻力系數(shù)的CFD數(shù)值模擬精度最好,升力系數(shù)的CFD數(shù)值模擬精度次之,升力矩系數(shù)的CFD數(shù)值模擬精度較低。