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        風(fēng)雨環(huán)境下高速鐵路橋梁靜力三分力系數(shù)研究

        2024-02-08 00:00:00張雨薇
        四川建筑 2024年6期
        關(guān)鍵詞:箱梁

        【摘要】

        基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法,建立了側(cè)風(fēng)作用下高速鐵路橋梁斷面靜力三分力系數(shù)的數(shù)值分析模型,結(jié)合已有的雨滴沖擊力模型,研究了風(fēng)雨聯(lián)合作用對(duì)梁體靜力三分力系數(shù)的影響。通過改變降雨強(qiáng)度和風(fēng)速,分析了雨強(qiáng)和風(fēng)速對(duì)梁體斷面靜力三分力系數(shù)的影響規(guī)律,為研究橋梁風(fēng)致安全提供參考。結(jié)果表明,(1) 側(cè)風(fēng)作用下梁體所受阻力、升力和扭矩均隨風(fēng)速的增大而增大,風(fēng)速的改變對(duì)主梁阻力系數(shù)和升力系數(shù)的影響較大,對(duì)扭矩系數(shù)的影響不明顯;(2) 降雨強(qiáng)度的增大會(huì)導(dǎo)致箱梁斷面的阻力系數(shù)增大,升力系數(shù)下降,扭矩系數(shù)略微下降;(3) 降雨對(duì)箱梁斷面升力系數(shù)的影響最為明顯,其次是阻力系數(shù),對(duì)扭矩系數(shù)的影響不大,且該影響效應(yīng)在低風(fēng)速時(shí)體現(xiàn)得更為明顯;(4) 本研究成果可為高速鐵路橋梁及后期橋上行車風(fēng)致安全研究提供參考。

        【關(guān)鍵詞】高速鐵路橋梁; 風(fēng)雨聯(lián)合作用; 箱梁; 靜力三分力系數(shù)

        【中圖分類號(hào)】U441+.5【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

        [定稿日期]2023-05-29

        [作者簡(jiǎn)介]張雨薇(1996—),女,本科,工程師,主要從事工程檢測(cè)工作。

        0 引言

        隨著我國(guó)高速鐵路建設(shè)力度的加大,高速鐵路橋梁也趨于向更大跨度發(fā)展,保證高速鐵路橋梁在服役期間的安全性是保障高速鐵路安全高效運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)。趙少杰等[1]調(diào)查發(fā)現(xiàn),自然環(huán)境因素是導(dǎo)致橋梁在建設(shè)期或者運(yùn)營(yíng)期發(fā)生坍塌事故的主要原因之一。因此,橋梁抗風(fēng)研究則顯得尤為重要。靜力三分力系數(shù)作為表征橋梁在靜風(fēng)荷載作用下的共性,是一個(gè)無量綱數(shù)。準(zhǔn)確計(jì)算橋梁的靜力三分力系數(shù)為分析橋梁在側(cè)風(fēng)作用下的動(dòng)力特性提供參考,同時(shí)也為后續(xù)分析風(fēng)-高速鐵路列車-無砟軌道-橋梁耦合振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)提供參考。

        目前已有大量學(xué)者對(duì)側(cè)風(fēng)作用下的橋梁靜力三分力系數(shù)進(jìn)行了研究。汪家繼等[2]采用數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的方法,分析了雷諾數(shù)、湍流強(qiáng)度等因素對(duì)橋梁斷面靜力三分力系數(shù)的影響。陳克堅(jiān)等[3]通過對(duì)車-橋系統(tǒng)進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),測(cè)試了均勻流環(huán)境下車輛和橋梁的三分力系數(shù),并以此分析了風(fēng)向角對(duì)橋上行車的影響。劉鑰等[4]運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法分析了橋梁跨中截面三分力系數(shù),并通過與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)對(duì)比確定了進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)最合理的網(wǎng)格劃分方法。然而,以上研究均是針對(duì)橋梁在僅有側(cè)風(fēng)作用時(shí)的三分力系數(shù)計(jì)算。徐為進(jìn)等[5]研究發(fā)現(xiàn),在沿海地區(qū)有臺(tái)風(fēng)登陸的情況下,降雨會(huì)有明顯的增幅現(xiàn)象,導(dǎo)致暴雨的產(chǎn)生。從多年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及相關(guān)報(bào)道中也可以看出,在沿海地區(qū)發(fā)生臺(tái)風(fēng)時(shí)多伴有暴雨。而風(fēng)雨共同作用時(shí)將會(huì)導(dǎo)致橋梁主梁三分力系數(shù)發(fā)生變化[6],并會(huì)影響車輛的氣動(dòng)特性[7],從而威脅高速鐵路橋上行車安全性。因此,有必要基于計(jì)算流體力學(xué)理論,通過數(shù)值計(jì)算的方法,探明風(fēng)雨共同作用下的橋梁主梁三分力系數(shù)變化規(guī)律,為后續(xù)研究高速鐵路橋梁和列車風(fēng)致安全提供參考。

        1 CFD數(shù)值分析模型

        為了研究風(fēng)雨聯(lián)合作用對(duì)橋梁斷面靜力三分力系數(shù)的影響,選取高速鐵路橋梁(雙線)常用的箱梁截面進(jìn)行分析。橋梁斷面幾何尺寸如圖1所示。

        1.1 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

        當(dāng)對(duì)箱梁進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),假定橋梁足夠長(zhǎng)且平直,則任一斷面的風(fēng)荷載可代表其他截面風(fēng)荷載[8]。因此,可采用建立二維平面模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,從而分析風(fēng)雨聯(lián)合作用對(duì)主梁靜力三分力系數(shù)的影響。

        橋梁所處的外部流場(chǎng)是無限大的,當(dāng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí),需要擬定合適的計(jì)算區(qū)域模擬橋梁所處環(huán)境,以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。確定計(jì)算區(qū)域之后需要確定邊界條件,本文對(duì)邊界條件的設(shè)置為:進(jìn)風(fēng)口采用速度進(jìn)口邊界條件;出口為壓力出口邊界;橋梁斷面及上下邊界采用無滑移壁面條件。具體布置如圖2所示。

        1.2 網(wǎng)格劃分及湍流模型選取

        在ICEM CFD中建立箱梁斷面及計(jì)算區(qū)域的幾何模型,并劃分網(wǎng)格,網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于梁體周圍的流體狀態(tài)會(huì)發(fā)生顯著變化,故在梁體周圍需要對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行加密,將靠近壁面的第一層網(wǎng)格高度取為0.5 mm。劃分網(wǎng)格后的幾何模型見圖3。

        由于橋梁結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)所涉及的流體流動(dòng)一般為湍流,故采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進(jìn)行數(shù)值模擬。

        本文采用通用流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT對(duì)梁體周圍流場(chǎng)進(jìn)行分析,從而求解箱梁在側(cè)風(fēng)和風(fēng)雨聯(lián)合作用下的靜力三分力系數(shù),所考慮的計(jì)算工況如表1所示。

        2 側(cè)風(fēng)作用下梁體靜力三分力系數(shù)

        風(fēng)軸坐標(biāo)下梁體靜力三分力系數(shù)的求解公式為式(1)~式(3)。

        CD=FD0.5ρU2H(1)

        CL=FL0.5ρU2B(2)

        CM=FM0.5ρU2B2(3)

        式中:CD、CL、CM分別為箱梁的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù);FD、FL、FM分別為箱梁所受的阻力、升力和扭矩;ρ為空氣密度,取1.225 kg/m3;U為來流風(fēng)速;H為梁高;B為梁寬。

        表2給出了不同風(fēng)速的側(cè)風(fēng)環(huán)境下主梁箱形斷面的所受的阻力、升力和扭矩。圖4給出了相應(yīng)風(fēng)速下主梁的靜力三分力系數(shù)。

        從表2可以看出,當(dāng)風(fēng)速加快時(shí),主梁斷面所受的阻力、升力、扭矩均增大。根據(jù)圖4可以看出,箱梁斷面阻力系數(shù)隨風(fēng)速加快而呈下降趨勢(shì),當(dāng)風(fēng)速由5 m/s增加至30 m/s時(shí),阻力系數(shù)介于1.238~1.632之間。導(dǎo)致阻力系數(shù)減小的原因是由于相較于阻力大小的改變,風(fēng)速的改變對(duì)主梁阻力系數(shù)的影響更大。

        當(dāng)風(fēng)速為5 m/s時(shí),主梁所受的升力值為負(fù),隨著風(fēng)速加快,升力變?yōu)檎?。?dāng)風(fēng)速大于10 m/s時(shí),升力系數(shù)的變化不大。而扭矩同樣和風(fēng)速大小呈正比,扭矩系數(shù)的變化則相對(duì)平穩(wěn)。

        3 風(fēng)雨聯(lián)合作用下梁體靜力三分力系數(shù)

        當(dāng)橋梁所在區(qū)域發(fā)生大風(fēng)天氣同時(shí)伴隨降雨時(shí),由于雨滴會(huì)在風(fēng)的影響下對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生豎直方向和水平方向的沖擊力,從而影響結(jié)構(gòu)的三分力系數(shù)。確定側(cè)風(fēng)和降雨對(duì)梁體作用效應(yīng)的基本流程如圖5所示。

        3.1 雨滴顆粒直徑及下落終點(diǎn)速度

        降雨強(qiáng)度是指在某一歷時(shí)內(nèi)的平均降落量。一般來說,降雨強(qiáng)度直接影響了降雨過程中的雨滴粒徑大小。目前通常采用服從M-P分布[9]的雨滴譜來表征單位體積內(nèi)雨滴粒徑、雨強(qiáng)和雨滴數(shù)的關(guān)系,見式(4)。

        N(D)=N0e-λD(4)

        式中:?jiǎn)挝惑w積內(nèi)N(D)為雨滴直徑為D的雨滴數(shù);N0為濃度,取8 000;λ=4.1I-0.21。

        工程上為了簡(jiǎn)化計(jì)算,將雨強(qiáng)為I時(shí)的雨滴粒徑D統(tǒng)一用4階等效粒徑D0表示[6],即式(5)。

        D0=4λ=0.9756I0.21(5)

        雨滴下落至梁體的終點(diǎn)速度直接影響了雨滴對(duì)梁體的作用力大小。本文采用的雨滴下落速度計(jì)算模型如式(6)所示[10]。

        Vv(D)=9.5{1-exp[-(D1.77)1.147]}(6)

        Vh(D)=αVwind(7)

        式中:Vv(D)為雨滴豎直下落速度;Vh(D)為雨滴水平速度;Vwind為風(fēng)速;α為與雨滴粒徑相關(guān)的修正系數(shù)。由于所分析的最大雨強(qiáng)為200 mm/h,故雨滴最大粒徑為3 mm,考慮不利情況取為1.7。

        3.2 雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力模型

        雨滴對(duì)結(jié)構(gòu)的作用力模型采用文獻(xiàn)[6]中的模型來進(jìn)行計(jì)算。雨滴作用在單位面積梁體上的豎向力和水平力為式(8)、式(9)。

        Frv=(HVh(D)+BVv(D))WLVv(D)(8)

        Frh=(HVh(D)+BVv(D))WLVh(D)(9)

        式中:n0為單位體積中等效雨滴數(shù)量;ρr為雨滴自身密度,取水的密度;WL為單位體積空氣中水的質(zhì)量,單位取kg/m3。

        3.3 風(fēng)雨聯(lián)合作用對(duì)箱梁三分力系數(shù)影響

        根據(jù)3.1及3.2節(jié)所述的計(jì)算風(fēng)驅(qū)雨作用力方法,假設(shè)梁體足夠光滑,通過線性疊加的方法將雨滴對(duì)梁體的作用力與側(cè)風(fēng)對(duì)梁體的作用力相疊加并計(jì)算箱梁的靜力三分力系數(shù),結(jié)果示于圖6。

        根據(jù)圖6可以看出,降雨會(huì)明顯改變橋梁斷面在側(cè)風(fēng)作用下的阻力、升力和扭矩。隨著降雨強(qiáng)度的增大,箱梁斷面的阻力系數(shù)增大,這是由于雨滴在側(cè)風(fēng)的作用下會(huì)產(chǎn)生順風(fēng)向的水平速度,從而作用在梁體上。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s,雨強(qiáng)為200 mm/h時(shí),梁體斷面阻力系數(shù)相較于無風(fēng)狀態(tài)下增長(zhǎng)幅度最大,為33.2%。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出,梁體升力系數(shù)與雨強(qiáng)呈負(fù)相關(guān),雨滴的豎直速度向下,當(dāng)作用在梁體上時(shí)會(huì)減小梁體在側(cè)風(fēng)作用下的升力,從而減小升力系數(shù)。當(dāng)風(fēng)速為5 m/s,雨強(qiáng)為200 mm/h時(shí),梁體斷面升力系數(shù)相較于無風(fēng)狀態(tài)下增長(zhǎng)幅度最大,為196.7%。梁體的扭矩系數(shù)隨降雨強(qiáng)度增大而減小,但總體變化不大,最大變化率為2.1%。

        總的來看,降雨對(duì)梁體升力系數(shù)的影響最大,其次是阻力系數(shù)。在風(fēng)速較低時(shí),降雨對(duì)梁體靜力三分力系數(shù)的影響最為明顯。

        4 結(jié)論

        本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理,建立了能用于箱梁斷面靜力三分力計(jì)算的CFD數(shù)值模型,結(jié)合已有的雨滴作用力模型研究了風(fēng)雨聯(lián)合作用對(duì)箱梁斷面靜力三分力系數(shù)的影響,具體結(jié)論如下:

        (1)在側(cè)風(fēng)作用下,主梁所受的阻力、升力和扭矩均隨風(fēng)速的加快而增大。當(dāng)風(fēng)速由5 m/s加快至30 m/s時(shí),梁體阻力系數(shù)介于1.238~1.632之間;升力系數(shù)介于-0.253~0.577之間;扭矩系數(shù)介于0.184~0.268之間。

        (2)側(cè)風(fēng)和降雨同時(shí)發(fā)生時(shí)會(huì)改變主梁斷面的靜力三分力系數(shù)。隨著降雨強(qiáng)度的增大,主梁斷面阻力系數(shù)增大,升力系數(shù)減小,扭矩系數(shù)減小。

        (3)降雨對(duì)主梁斷面升力系數(shù)的影響最大,其次是阻力系數(shù),扭矩系數(shù)隨降雨強(qiáng)度增大變化不明顯。當(dāng)風(fēng)速較低時(shí),降雨導(dǎo)致的梁體靜力三分力系數(shù)改變效應(yīng)最大。隨著風(fēng)速加快,側(cè)風(fēng)的作用更為明顯,降雨對(duì)主梁的影響減小。

        參考文獻(xiàn)

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