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)

1 CFD數(shù)值模擬

1.1 靜力三分力系數(shù)

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)。

1.2 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

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

1.3 靜力三分力系數(shù)的識(shí)別

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)

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

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。

3 結(jié)束語

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。