基于CFD对某大跨斜拉桥静力三分力系数研究*

2022-05-17孙开旗肖玉德

科学与信息化 2022年9期

孙开旗肖玉德

安徽交通职业技术学院安徽合肥 230051

引言

随着桥梁跨径的增大，使结构变得更轻柔，桥梁结构对风荷载的敏感性也随之增加，历史上发生过最著名的桥梁风毁事件——美国塔柯马悬索桥风毁事故，建成后仅4个月在8级大风的作用下发生了强烈的风致振动，造成桥梁的风毁[1]。目前研究桥梁抗风问题的主要手段是风洞试验，但该试验周期长，而且需要消耗大量的人力和物力，风洞试验无法得到大力推广。随着计算机技术的发展，计算流体力学(CFD)在桥梁风工程中已经得到广泛的应用，CFD技术是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象系统所做的分析，模拟气流经过桥梁结构时结构周围的流场分布情况，该方法成本低，速度快，具有模拟真实和理想条件的能力。随着越来越多横跨江河甚至海峡的大跨度桥梁的出现，应用CFD方法研究桥梁气动性能并应用其指导设计施工成为必然趋势[2]。

本文基于计算流体力学，用CFD软件对某斜拉桥双边箱梁截面进行静态绕流模拟，求出不同风攻角下的三分力系数，以期对双边箱梁截面桥梁抗风研究做出贡献。

1 静力三分力系数

由平均风作用引起的静荷载称为静力风荷载。在横桥向风作用下，对主梁可以用静力三分力表示，相应的气动力系数在风轴上称为阻力系数﹑升力系数和扭转力矩系数[3]。

2 工程实例

2.1 基本概况

本文以某斜拉桥（见图1）为研究背景，主桥跨径布置(150+320+150)m，全长620m，为双塔三跨双索面半漂浮体系斜拉桥，主塔采用双“子”式混凝土桥塔，过渡墩采用柱式桥墩。主塔下部采用哑铃式方形承台及群桩基础，过渡墩下部采用哑铃式矩形整体式承台及群桩基础。主梁采用预应力混凝土双边箱梁，主梁中心处梁高3.2m，顶面宽31.0m，底面宽31.2m（见图2）。

图1 立面布置图

图2 主梁横断面图

2.2 计算域与网格划分

计算模型的尺寸采用实际尺寸。经参考相关文献和数次尝试，计算域确定为：模型中心至速度入口距离为6B，至上下边界的距离为8B，至压力出口的距离为20B，主梁断面计算域布置如图3所示。

图3 主梁断面计算域布置图

网格划分是CFD软件数值模拟中非常重要的一环，为使计算网格能适应流场特征量变化，流场特征量梯度较大处网格应加密，而特征量梯度较小处网格可适当稀疏，两者之间网格尺寸应均匀过渡。网格划分如图4所示。

图4 网格划分图

2.3 计算工况

考虑风攻角为：-12°﹑-10°﹑-8°﹑-6°﹑-4°﹑-2°﹑0°﹑+2°﹑+4°﹑+6°﹑+8°﹑+10°﹑+12°，共13个攻角变化工况。

3 数值模拟结果

指定入口来流速度为20m/s，取1.225kg/m3，湍流模型采用SST通过数值模拟，得到不同攻角下的三分力系数如表1所示。

表1 不同攻角下三分力系数

通过对本桥双边箱梁不同攻角下三分力系数数值模拟结果，可以得出：

阻力系数从负攻角到正攻角开始呈逐渐减小趋势，在0°附近为最小，而后逐渐增大，在+12°攻角时达到最大值；升力系数从负攻角到正攻角整体呈逐渐增大趋势，且在负攻角范围内数值变化不大，而从正攻角开始数值增速较大，从+8°攻角开始数值变化较平缓；扭转力矩系数从负攻角到正攻角整体呈下降趋势，变化较平缓，在负攻角范围内为正值，而在正攻角范围内为负值。