廖沛東

(山西交物路橋建設(shè)有限公司,山西 太原 030001)

0 引 言

隨著交通建設(shè)的發(fā)展,橋梁跨徑也隨之不斷增長(zhǎng),橋梁跨徑越長(zhǎng),結(jié)構(gòu)總體剛度越小,對(duì)風(fēng)的敏感程度就越高,在特定風(fēng)速下更容易產(chǎn)生風(fēng)致振動(dòng)[1]。渦振就是在低風(fēng)速下某些柔性結(jié)構(gòu)發(fā)生的振動(dòng)現(xiàn)象。雖然渦振的振幅不會(huì)發(fā)散從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,但對(duì)行車舒適性有很大的影響,長(zhǎng)此以往勢(shì)必會(huì)造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部疲勞損傷。近年來(lái)許多大跨徑橋梁都在使用階段發(fā)生了渦振現(xiàn)象,因此對(duì)橋梁渦振的研究一直是橋梁風(fēng)工程中的重要課題。

影響橋梁渦振的因素有很多,比如斷面的阻尼比、結(jié)構(gòu)的剛度、斷面的氣動(dòng)外形等[2,3]。其中氣動(dòng)措施是通過(guò)改變橋梁的氣動(dòng)外形來(lái)改變橋梁附近的空氣流動(dòng)狀態(tài),從而降低橋梁渦振的一種方法,是最常用來(lái)降低橋梁渦振的措施。本文對(duì)某工程實(shí)例中主梁斷面的氣動(dòng)外形進(jìn)行研究,得到對(duì)于類似主梁斷面的選型建議。

1 工程概況及動(dòng)力特性

某大橋?yàn)橹髁褐骺?00 m的雙塔懸索橋,主梁斷面為閉口流線型箱梁斷面,主梁跨中斷面高3 m,橋面寬度33 m,腹板角度為a,風(fēng)嘴角度為b,見(jiàn)圖1。

圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面尺寸

通過(guò)有限元軟件Ansys計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性,得到后續(xù)數(shù)值模擬所需的結(jié)構(gòu)頻率,采用Beam4單元模擬橋梁的主梁以及橋塔等構(gòu)件,采用Link10來(lái)模擬懸索橋上的主纜以及吊桿等構(gòu)件,邊界條件則按照橋梁實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行約束。其中,主梁的一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)的頻率為0.32 Hz,一階正對(duì)稱扭轉(zhuǎn)的頻率為0.34 Hz。

2 CFD數(shù)值模擬

本文采用FLUNET進(jìn)行數(shù)值模擬,選取+5°作為最不利風(fēng)攻角[4],以斷面的腹板角度a和風(fēng)嘴角度b作為變量,腹板角度為10°、12°、14°、16°,風(fēng)嘴角度為30°、40°、50°、60°,兩兩組合,共得到以下16個(gè)工況,見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬工況設(shè)置

由于三維網(wǎng)格計(jì)算量相較于二維模型成幾何倍數(shù)增長(zhǎng),對(duì)設(shè)備要求較高,而二維計(jì)算模型也能保證良好的計(jì)算精度,因此本文采用二維模型來(lái)計(jì)算[5],計(jì)算模型無(wú)縮尺比,計(jì)算域形狀為矩形,大小為20 B×15 B。左側(cè)邊界為速度入口,右側(cè)邊界為壓力出口,上下邊界為對(duì)稱邊界。網(wǎng)格劃分為三個(gè)區(qū)域:最外側(cè)區(qū)域FENG1為靜止區(qū)域;最內(nèi)側(cè)區(qū)域FENG3為剛體區(qū)域,中間的FENG2為動(dòng)網(wǎng)格區(qū)域,利用自由振動(dòng)法求解扭轉(zhuǎn)渦振的振幅。

網(wǎng)格采用三角形,在斷面附近設(shè)置邊界層,使Y+值小于1,湍流模型采用SST K-w模型,并利用UDF提取計(jì)算間隔時(shí)間斷面的位移和角速度。網(wǎng)格總體數(shù)量約為30萬(wàn)個(gè),為防止出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格或者網(wǎng)格畸變過(guò)大影響計(jì)算結(jié)果,在開(kāi)始計(jì)算前設(shè)置網(wǎng)格畸變率監(jiān)視,當(dāng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)大的網(wǎng)格畸變率時(shí),利用網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)來(lái)自動(dòng)重新劃分網(wǎng)格質(zhì)量差的單元,保證計(jì)算結(jié)果的精度。圖2中列出計(jì)算時(shí)部分工況的時(shí)程曲線,分別為腹板角度16°、風(fēng)嘴角度為60°扭轉(zhuǎn)渦振振幅最大的位移時(shí)程曲線,腹板角度10°、風(fēng)嘴角度50°的扭轉(zhuǎn)渦振位移時(shí)程曲線。

圖2 扭轉(zhuǎn)位移時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比及機(jī)理分析

為了方便比較計(jì)算結(jié)果,使其更具有普適性,對(duì)風(fēng)速進(jìn)行無(wú)量綱化處理(即將風(fēng)速與結(jié)構(gòu)頻率相除)。通過(guò)對(duì)表1中16個(gè)工況的時(shí)程曲線進(jìn)行處理,得到在不同氣動(dòng)外形下斷面渦振響應(yīng)曲線,見(jiàn)圖3。

圖3 不同氣動(dòng)外形下的渦振響應(yīng)

3.1 風(fēng)嘴角度對(duì)斷面渦振影響分析

當(dāng)腹板角度為10°,風(fēng)嘴角度為30°和40°時(shí)斷面沒(méi)有發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振。當(dāng)風(fēng)嘴角度增加到50°時(shí),斷面開(kāi)始出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)渦振,繼續(xù)增加風(fēng)嘴角度至60°,可以發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦振的振幅明顯比風(fēng)嘴角度50°時(shí)的振幅大兩倍,而且起振風(fēng)速也從0.409提前至0.362,渦振結(jié)束時(shí)的風(fēng)速?gòu)?.594延長(zhǎng)到0.625。

當(dāng)腹板角度為12°,風(fēng)嘴角度為30°時(shí)斷面未發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振,而斷面風(fēng)嘴角度增加至40°時(shí)開(kāi)始發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振。隨著斷面風(fēng)嘴角度的不斷增加,渦振時(shí)最大扭轉(zhuǎn)角度從0.074增加到0.156,起振風(fēng)速?gòu)?.369提前到了0.293,而鎖定區(qū)間長(zhǎng)度也從0.21延長(zhǎng)至0.365。

當(dāng)腹板角度為14°時(shí),所有不同風(fēng)嘴角度下的斷面均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,隨著風(fēng)嘴角度的不斷增加,所對(duì)應(yīng)的斷面扭轉(zhuǎn)渦振響應(yīng)就越大,且起振風(fēng)速隨著風(fēng)嘴角度的增大而提前,從0.376提前至0.248,渦振的鎖定區(qū)間長(zhǎng)度越來(lái)越長(zhǎng),從0.26增加至0.38。

腹板角度為16°時(shí)與腹板角度14°時(shí)規(guī)律基本一致,不同風(fēng)嘴角度下所有斷面均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,隨著風(fēng)嘴角度的增加,扭轉(zhuǎn)角度從0.105°增加至0.215°,起振風(fēng)速?gòu)?.356降低到0.28,扭轉(zhuǎn)渦振結(jié)束時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)速?gòu)?.576增加至0.7。

3.2 腹板角度對(duì)斷面渦振影響分析

當(dāng)風(fēng)嘴角度為30°時(shí),對(duì)比工況A-1、B-1、C-1、D-1可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)腹板角度為10°、12°、14°時(shí),斷面未發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振,僅在腹板角度為16°時(shí)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,最大振幅為0.105°,鎖定區(qū)間長(zhǎng)度為0.22。

當(dāng)風(fēng)嘴角度為40°時(shí),對(duì)比工況A-2、B-2、C-2、D-2,斷面僅在腹板角度為10°時(shí)未發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振,在腹板角度為12°、14°、16°時(shí)均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,隨著腹板角度的增加,扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅從0.0735°增加至0.158°,起振風(fēng)速?gòu)?.369提前至0.302,因此腹板角度越大,渦振響應(yīng)就越大。

當(dāng)風(fēng)嘴角度為50°時(shí),對(duì)比工況A-3、B-3、C-3、D-3,斷面在不同的腹板角度下均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,渦振幅度隨著腹板角度的增加而增加,其中最大扭轉(zhuǎn)角度從0.045°增加至0.205°,鎖定區(qū)間長(zhǎng)度從0.185增加至0.41,起振風(fēng)速?gòu)?.409降低至0.288。

當(dāng)風(fēng)嘴角度為60°時(shí),對(duì)比工況A-4、B-4、C-4、D-4,與A-3至D-3四個(gè)工況一致,斷面均在不同的腹板角度下發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,但是A-4與A-3相比,扭轉(zhuǎn)渦振更加明顯。在風(fēng)嘴角度60°時(shí),隨著腹板角度的不斷增加,最大扭轉(zhuǎn)位移從0.263°增加至0.42°,起振風(fēng)速?gòu)?.362降低到0.28。

3.3 渦振機(jī)理分析

對(duì)比A-1和D-4兩個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn),在風(fēng)嘴角度和腹板角度均較大時(shí),斷面更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振;對(duì)比B-2和C-3兩個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)嘴角度和腹板角度越大,斷面渦振的響應(yīng)就越大。

因此,在其他條件不變的情況下,斷面的風(fēng)嘴角度越大或者腹板角度越大,所對(duì)應(yīng)的渦振效應(yīng)就越明顯。斷面的外形越“鈍”,氣流吹過(guò)斷面時(shí)越容易產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)基頻一致的漩渦,從而引發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦振。反之,如果斷面的氣動(dòng)外形越“光滑”,來(lái)流風(fēng)流經(jīng)斷面時(shí)不容易被斷面所分離,尾流處就不容易產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)頻率相似的渦脫,進(jìn)而不會(huì)導(dǎo)致主梁發(fā)生渦振現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某工程主梁斷面的最不利+5°攻角進(jìn)行不同氣動(dòng)外形下的渦振數(shù)值模擬,結(jié)合各個(gè)工況下扭轉(zhuǎn)渦振曲線的變化,分析渦振的形成原因,進(jìn)而得到如下結(jié)論。

(1)在保證阻尼比等動(dòng)力特性不變的情況下,閉口流線型箱梁的風(fēng)嘴角度越小,斷面越趨近于流線型,越不容易產(chǎn)生渦振。

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比和風(fēng)嘴角度不變時(shí),減小腹板角度,也可以使斷面趨近于流線型,從而保證斷面具有良好的氣動(dòng)穩(wěn)定性,更不易產(chǎn)生渦振。

(3)對(duì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)渦振的主梁斷面,可以通過(guò)減少腹板角度和減少風(fēng)嘴角度等氣動(dòng)措施來(lái)抑制渦振的產(chǎn)生,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)兩者相結(jié)合時(shí)的抑振效果更加明顯。