典型桥梁断面阻力系数测力与测压结果差异的数值模拟研究

摘要： 研究以阻力系数为对象，采用三维数值模拟方法，针对苏通大桥主梁、薄平板及矩形三个典型断面，在逐一验证数值模拟精度的前提下，考察了三个典型断面的总阻力系数与压差阻力系数随风攻角、雷诺数和湍流度的变化规律，分析摩擦阻力对总阻力贡献率（简写为摩擦阻力贡献率）的变化规律，并讨论了这种差异的原因；此外，针对苏通大桥主梁断面，分析了栏杆对摩擦阻力贡献率的影响。研究结果表明：对于三种典型断面，薄平板断面的摩擦阻力贡献率最大，苏通大桥主梁断面的摩擦阻力贡献率稍小，矩形断面的摩擦阻力贡献率几乎可以忽略。三种断面的摩擦阻力贡献率随着风攻角绝对值的增大而减小，其中薄平板断面和苏通大桥主梁断面的摩擦阻力贡献率随着风攻角变化明显，而雷诺数和湍流度变化对三种断面的压差阻力或摩擦阻力的影响很小；与无栏杆的主梁断面相比，有栏杆的苏通大桥主梁断面的摩擦阻力贡献率要下降一半左右。研究结论可为测压方法在工程中的适用性提供参考。

关键词： 桥梁断面； 阻力系数； 压差阻力； 摩擦阻力； 数值模拟

中图分类号： U441+.3文献标志码： A文章编号： 10044523（2016）04074609

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.023

引言

在大跨度桥梁结构抗风分析中，桥梁断面的静力三分力系数是一组非常重要的风特性参数，它反映了一定形状的桥梁断面受静力风荷载的大小，其是桥梁结构抖振响应、驰振稳定性以及静风荷载分析的关键参数。因而准确地测定桥梁断面的三分力系数对大跨度桥梁的抗风设计是十分必要的。

第4期韩艳，等： 典型桥梁断面阻力系数测力与测压结果差异的数值模拟研究振 动 工 程 学 报第29卷目前风洞试验测定桥梁断面的三分力系数主要通过测力与测压两种方法来实现。测力方法是采用一定比例的节段模型，并通过测力天平等仪器来获取主梁截面的三分力，进而计算出三分力系数。故测力法得到的阻力为断面的总阻力，即压差阻力和摩擦阻力之和。然而，采用测力方法无法得到主梁断面每个区域所受风压的大小，这不利于主梁断面所受气动力的精细化分析或主梁断面的优化设计。而测压方法通过在主梁断面上布置测压孔，通过获得每个局部区域的风压大小，经过积分之后就可获得整个断面所受的风荷载。但另一方面，采用测压方法只能获得空气对断面的法向压力，而不能获得空气相对于断面的摩擦阻力，故测压法得到的阻力仅为压差阻力。因此，采用测压方法虽能获得流场细节，但也容易造成一定的误差。李加武等[1]、金挺和林志兴等[2]以及殷峰[3]等在研究苏通大桥断面的雷诺数效应时，发现测压法比测力法得到的静阻力系数要小很多，前者大约只占后者的2/3。韩艳等[4]也采用测力和测压法对江顺大桥进行风洞试验，发现测压法测得的三分力系数要明显偏小。刘志文和陈政清[5]对矩形断面进行测力、测压试验，结果表明：矩形断面的摩擦阻力对三分力的贡献随风攻角变化可以忽略。研究仅初步揭示了矩形断面测力方法与测压方法随风攻角变化的差异，但矩形断面摩擦阻力对三分力的贡献随雷诺数变化未进行研究。李加武[6]对流线型断面进行了测力、测压法试验，结果表明：流线型断面的摩擦阻力对三分力系数的贡献在一定雷诺数范围内随雷诺数的增大而降低。该研究初步揭示了流线型断面测力与测压方法获得的阻力系数随雷诺数的差异，但流线型断面摩擦阻力对三分力的贡献随风攻角变化未进行研究。研究表明[6]：升力系数和力矩系数绝对值较小且波动较大，摩擦阻力对其影响复杂且没有明显规律，但摩擦阻力对总阻力的贡献显著，故本文只对断面阻力系数进行研究。

CFD数值模拟方法相对于风洞试验方法，具有可重复性、较少的人力和物力、可视的流场结构等优点。随着数值求解方法的发展和计算机硬件的进步，数值模拟方法在结构风工程中的应用越来越广泛。瞿伟廉等[7]、曹丰产等[8]、楼小峰[9]、Sarwar和Ishihara [10]等也采用数值模拟方法较准确地计算了典型断面的气动力。另外，需要指出的是，CFD数值模拟方法能较容易地得到不同断面总阻力（测力方法结果）与压差阻力（测压方法结果），故CFD数值模拟方法可较方便地得到摩擦阻力，即两种试验方法阻力系数的差异。刘志文等[5]、李加武[6]虽也将数值模拟方法得出的阻力系数与测力、测压试验结果进行对比，但研究中只对数值模拟结果的正确性进行了探讨，而未根据数值模拟的优势进一步讨论各类典型断面的测力与测压差异产生的原因。

本文以阻力系数为研究对象，采用三维数值模拟方法，针对苏通大桥主梁、薄平板及矩形三个典型断面，在逐一验证数值模拟精度的前提下，考察了三种不同断面的总阻力系数与压差阻力系数随风攻角和雷诺数的变化规律；分析了不同断面摩擦阻力贡献率随风攻角、雷诺数和湍流度的影响，探究这种差异的原因。此外，针对苏通大桥主梁断面，考察了主梁栏杆对摩擦阻力贡献率的影响。

Abstract： The Sutong Bridges cross section， flat plate and rectangular cylinder were chosen as the typical sections in this paper， and the threedimensional numerical simulations were carried out under different conditions. The accuracy of the numerical simulation method adopted in the present study is proved. Then the trends of drag coefficient and pressure drag coefficient of the three sections varying with the wind attack angles， Reynolds number and turbulence were investigated. Meanwhile， the reasons of their different variations were discussed. Furthermore， the effects of handrail on the total drag coefficient and pressure drag coefficient of the Sutong Bridges girder section were analyzed. The results show that the friction drag of flat plate accounts for the largest proportion of the total drag， the Sutong Bridges girder section comes second， while the rectangular cylinder is the smallest. For the three typical sections， the proportions of friction drag in total drag decrease with the increase of wind attack angles， the Reynolds number and turbulence have a little effects on their friction drags or pressure drags. When the handrails are considered on the Sutong Bridges cross section， the contribution of friction drag to the total drag approximately decreases to 50%. The conclusions in this paper can provide a reference for the pressure distribution method applied to the engineering practice.

Key words： bridge deck； drag coefficient； pressure drag； friction drag； numerical simulation