不同梁宽的10∶1宽高比边主梁叠合梁气动特性研究

摘要：为研究宽高比为10∶1的边主梁叠合梁气动特性，采用CFD数值计算的方法分别对不同梁宽（44 m、31 m与22 m）的10∶1宽高比边主梁叠合梁断面绕流状态及三分力特性进行研究，断面流场模拟结果表明，不同宽度的边主梁叠合梁断面旋涡脱落方式几乎一致，但在脱落频率上存在一定差异，其中宽度较小的断面存在一个频率较高的旋涡脱落频率，同时下中央稳定板能够显著改善各宽度断面的绕流特性，且对宽度较大的断面改善作用较好。断面三分力系数模拟结果表明，宽度较小的断面受到的气动扭转力矩作用较大，宽度较大的断面受到的气动升力较大。

关键词：边主梁叠合梁; 气动特性; CFD数值模拟; 三分力系数

中图分类号：U441+.3文献标志码：A

0引言

叠合梁20世纪70年代被首次使用后，因其良好的受力性能及工程经济适用性，而得到了广泛使用［1-2］。近年来在我国的大跨度斜拉桥设计中，采用双边主梁形式的叠合梁得到了大量的应用，该类型主梁设计采用梁体两侧的钢边主梁提供主要刚度支撑，并充分利用梁顶的混凝土抗压性，在保证了受力性能的同时，也充分考虑了工程造价经济性［3-4］。

但边主梁叠合梁的断面类型属于钝体式断面，且由于梁体下侧属于开口型断面，大量研究表明［5-7］，该类边主梁叠合梁存在气动性能较差的现象，董佳慧等［8］通过对某梁宽为25.5 m的边主梁叠合梁涡振性能进行研究表明，该主梁在0.2%～1.0%试验阻尼比下均存在超过规范限值的涡激振动，在其下侧设置下中央稳定板能够将涡振振幅降低30%。张天翼等［9］对某宽度为40 m，宽高比为10∶1的宽幅边主梁叠合梁的节段模型风洞试验结果表示，该断面同样存在涡振性能较差的现象，即使在1.0%试验阻尼比下也存在显著的涡激振动。贺耀北等［10］对某宽度为31 m，宽高比为10∶1的双边钢主梁－UHPC组合梁的涡振性能研究表明，当竖向试验阻尼比提升到1.7%时，该主梁的竖向涡振振幅满足规范要求（121 mm），但扭转试验阻尼比0.5%时，主梁的扭转涡振振幅也显著低于规范要求（0.271°）。

综上所述，边主梁叠合梁存在气动特性较差的现象，且对于同一宽高比的主梁断面，主梁宽度的变化也会显著影响其涡振特性，因此，本文以张天翼、贺耀北等［9-10］所研究的实际桥梁主梁为参考，通过CFD数值计算对主梁宽度分别为40 m、31 m与22 m的宽高比均为10∶1的边主梁叠合梁断面绕流及三分力系数时程变化进行模拟，从而对10∶1宽高比的边主梁叠合梁断面气动特性进行研究。

1研究断面及计算参数设置

1.1研究断面

为了研究不同梁宽的边主梁叠合梁气动特性，以张天翼、贺耀北等［9-10］所研究的实际桥梁主梁为参考，对宽高比为10∶1，且主梁宽度分别为40 m、31 m与22 m的边主梁叠合梁断面气动特性进行研究，以往大量研究成果［11-14］均表明，该类主梁断面的涡振性能主要由梁体下方的旋涡脱落决定，为了使研究成果具有普遍意义，本文的研究断面均不设置桥面栏杆等桥梁附属结构，具体研究断面如图1所示。

1.2CFD参数设置

本文采用CFD数值计算的方式，对各研究断面的流场及三分力系数变化进行模拟，数值模拟采用Fluent软件进行。

为了减小计算量，针对W40DM、W31DM以及W22DM断面采用1∶50比例尺的计算模型进行数值计算，计算面域及参数设置如图2所示，其中B为各研究断面采用1∶50比例尺缩尺后断面宽度，由于各断面高度的不同，数值模拟中针对W40DM、W31DM、W22DM断面的湍流长度分别设置为0.080 m、0.062 m以及0.044 m。

2断面绕流及三分力系數分析

2.1断面绕流状态

断面的气动特性，尤其是涡振特性与断面表面的旋涡脱落方式有着明显的联系，因此针对各宽度边主梁叠合梁断面的旋涡脱落研究有着极大必要性。本文通过CFD数值模拟分别得到的W40DM、W31DM与W22DM断面涡量图分别如图3～图5所示（其中T代表一个周期），针对各个计算断面，均给出了一个周期内的涡量图。

其中各个断面的旋涡脱落方式基本一致，即：在迎风侧边主梁前缘及内侧分别生成大型旋涡G2与G1，并向下游移动并发生脱落，该两个旋涡也是整个断面的最主要脱落旋涡，而背风侧边主梁的后缘也会生成一个尺寸略小的旋涡G3并发生脱落。上述3个旋涡G1～G3均生成在断面的下侧，而在断面的上侧仅在尾流侧有一脱落旋涡F1生成，且该旋涡尺寸较小。

可以发现虽然主梁的宽度有区别，但针对宽高比均为10∶1的三种断面，其旋涡脱落方式基本一致，主要以断面下侧的旋涡脱落为主，因此针对该类型断面的气动性能改善，应针对其断面下侧开口部分的流场改善来进行。

2.2断面三分力系数

断面的涡量图表明不同宽度的各研究断面在旋涡脱落方式上几乎一致，但需要对其旋涡脱落的频率及由此造成的气动力进行研究，通过提取各研究断面的阻力、升力与力矩系数时程如图6～图8所示。

针对断面气动特性影响较大的升力系数与力矩系数模拟结果表明，W40DM断面的升力系数变化幅值最大，为0.464 5，W31DM断面略有降低，但当主梁宽度变为22 m宽度时，升力系数变化幅值发生显著降低，W22DM断面较W40DM断面降低93.0%。而针对于力矩系数，W22DM断面的变化幅值最大，为0.805 8，W31DM与W40DM断面的值均较小，仅为W22DM断面变化幅值的10.5%左右。可以发现W22DM断面受到的气动扭转力矩作用较大，而W31DM与W40DM断面受到的气动升力较大。

通过对各断面升力及力矩系数进行FFT傅里叶变化得到的频谱图如图9与图10所示，得到了各断面在来流下所受到的气动力卓越频率。

由于橋梁涡激振动的发生主要与流动分离和旋涡脱落有关，当结构受到气动力的作用频率与结构物某一阶固有频率接近时，就会引起涡激振动现象，针对同一断面，其St数是固定的，如式（1）所示。

St=DTs=nsD（1）

式中：［Ts］为旋涡脱落周期；［ns］为旋涡脱落频率；［D］为物体垂直于来流平面的投影特征尺寸；［］为来流的平均速度。

通过计算得到各断面的St数如表1所示，可以发现，较W40DM断面，W22DM与W31DM断面多存在一个St数，且数值较大，由于对于实际的桥梁断面，其固有频率是一定的，而断面St数一定且较大的情况下，其对应的起振风速则较低，故针对实际桥梁时，采用宽度较小的边主梁叠合梁断面，应在设计时对其低风速下的涡激振动响应进行关注。

3下中央稳定板改善效果对比

参考以往的大量研究成果［10-12、15］均表明，在边主梁叠合梁下侧设置下中央稳定板，能够有效地改善断面的绕流状态，提高断面的涡振性能，故本文针对W40DM、W31DM与W22DM断面均设置与梁体高度一致的下中央稳定板，设置稳定板后的断面分别命名为X40DM、X31DM与X22DM断面，具体如图11所示。

设置下中央稳定板后的各研究断面典型时刻涡量如图12所示，可以发现下中央稳定板对不同宽度边主梁叠合梁断面的绕流状态均有显著的改善作用，设置下中央稳定板后，迎风侧边主梁内侧的旋涡G1以及背风侧边主梁后缘处生成的旋涡G3均被消除，迎风侧边主梁前缘处生成的旋涡G2尺寸被显著降低。但针对该处旋涡G3的尺寸降低作用，各宽度断面的表现存在一定的差异，其中主梁宽度最大的X40DM断面中旋涡G2尺寸最小，而主梁宽度最小的X22DM断面中旋涡G2尺寸最大，同时因为下中央稳定板的存在而形成的旋涡G0在尺寸上也存在与旋涡G2相同的差异，即X22DM断面中的旋涡G0最大，X40DM断面中的最小。

综上可以发现，下中央稳定针对梁宽较大的边主梁叠合梁旋涡脱落状态改善作用较好，对梁宽较小的断面改善作用较差。

4结论

本文利用CFD数值计算对常用梁宽（40 m、31 m与22 m）的10∶1宽高比边主梁叠合梁的断面绕流及三分力系数变化特性进行了模拟，得出几点主要结论。

（1）针对不同主梁宽度的10∶1宽高比边主梁叠合梁，其旋涡脱落方式几乎一致，但在脱落频率上存在一定差异，较40 m梁宽断面，梁宽较小的断面存在一个频率较高的旋涡脱落频率，较易引起实桥在低风速下的涡激振动，设计时应重点关注。

（2）主梁宽度较小的边主梁叠合梁断面受到的气动扭转力矩作用较大，而主梁宽度较大的断面受到的气动升力较大。

（3）下中央稳定板能够显著改善宽高比为10∶1的宽高比边主梁叠合梁断面绕流特性，其中对梁宽较大的断面改善作用较好。

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［作者简介］左云（1979—），男，硕士，高级工程师，研究方向为道路、桥梁勘察设计。