連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)氣動(dòng)特性研究

余 海 洪

(中鐵四川生態(tài)城投資有限公司，四川 眉山 620562)

0 引言

梁拱組合是一種將拱橋和梁橋特點(diǎn)相結(jié)合的新型特殊橋梁形式。它具有結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強(qiáng)、外形美觀、方便施工等特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，鐵路扮演的角色也是越來(lái)越重要，梁拱組合橋作為大跨度橋梁的主要橋型在我國(guó)鐵路工程中被廣泛采用。如溫福鐵路昆陽(yáng)特大橋(64 m+136 m+64 m)、廣東小欖水道特大橋(100 m+220 m+100 m)等。國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)其理論逐漸完善。于向東等[1]建立了梁拱組合結(jié)構(gòu)的全橋空間分析模型及橫向框架模型，研究發(fā)現(xiàn)主梁箱梁橫向應(yīng)力沿順橋向成峰狀變化，橫橋向應(yīng)力有翼緣至跨中逐漸減小的趨勢(shì)，李愛(ài)飛[2]采用CFD技術(shù)對(duì)橋梁截面進(jìn)行二維風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬，在橫風(fēng)作用下對(duì)梁拱組合橋的穩(wěn)定性進(jìn)行對(duì)比分析，討論了吊桿張拉力以及列車荷載對(duì)橋梁穩(wěn)定性的影響。

本文以某梁拱組合橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用?shù)值模擬進(jìn)行全橋足尺模型三維風(fēng)場(chǎng)模擬，計(jì)算了結(jié)構(gòu)的靜力三分力系數(shù)，研究了主梁和拱肋的氣動(dòng)特性，分析了風(fēng)攻角和護(hù)欄對(duì)橋梁氣動(dòng)性能的影響。

1 工程背景

本文以35 m+130 m+35 m連續(xù)梁拱組合橋?yàn)楣こ瘫尘斑M(jìn)行研究，橋梁主梁采用C45預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁?jiǎn)蜗鋯问医Y(jié)構(gòu)，頂板寬度為11.8 m，梁高為2 m，跨中處梁高由2 m變?yōu)?.45 m。

2 氣動(dòng)特性分析

2.1 CFD模型建立

使用大型CFD軟件FLUENT對(duì)主梁的渦振性能進(jìn)行研究，對(duì)主梁建立CFD分析模型。對(duì)全橋進(jìn)行三維風(fēng)場(chǎng)模擬。同時(shí)考慮主梁和拱肋相互作用下氣動(dòng)特性的影響，以及研究在風(fēng)攻角和護(hù)欄的其他因素影響下的影響。將主梁模型平均分為節(jié)段L1～L20，拱肋模型平均劃分為G1～G8，吊桿模型平均分為D1～D22，如圖1所示。

為計(jì)算準(zhǔn)確，將結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，在劇烈變化的區(qū)域網(wǎng)格的劃分密集，而在流場(chǎng)變化較慢的地方網(wǎng)格劃分稀疏，最終劃分網(wǎng)格為2 460萬(wàn)。部分節(jié)段劃分情況如圖2所示。

橋梁主梁、拱肋和吊桿等構(gòu)件均采用無(wú)滑移壁面邊界條件。邊界條件如圖3所示。

采用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，使用simple算法求解，通過(guò)FLUENT求解主梁氣動(dòng)性能?？諝饷芏圈讶?.225 kg/m3，空氣粘性系數(shù)μ取1.79×105N·s/m2。

2.2 風(fēng)速影響分析

分別模擬計(jì)算在風(fēng)攻角為0°，均勻流風(fēng)速在V=10 m/s～50 m/s的工況下，氣動(dòng)性能的值。

對(duì)比分析這五種工況，結(jié)果是近似的，可以得到三分力系數(shù)是準(zhǔn)確的，橋梁節(jié)段三分力系數(shù)沿順橋向變化情況如圖4～圖6所示。

3 氣動(dòng)特性的影響因素研究

3.1 風(fēng)攻角對(duì)氣動(dòng)特性影響

主梁截面的風(fēng)荷載主要包含的三分力系數(shù)[3]：阻力FH、升力FV、力矩MT，如圖7所示。

體軸坐標(biāo)系下氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算公式定義如下:

(1)

(2)

(3)

其中，CD(α)，CL(α)，CM(α)分別為風(fēng)攻角為α?xí)r的靜風(fēng)阻力、升力、升力矩系數(shù)；B為橋梁斷面寬度；D為橋梁斷面高度。

風(fēng)軸坐標(biāo)阻力FD、升力FL和體軸坐標(biāo)阻力FV、升力FH的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(4)

文章考慮計(jì)算在入口風(fēng)速為30 m/s時(shí)，且風(fēng)攻角為±2°，±4°，±6°幾種工況下，橋梁結(jié)構(gòu)主要節(jié)段的三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化如表1所示，橋梁主要節(jié)段氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化如圖8,圖9所示。

表1 風(fēng)攻角變化下橋梁主要結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果可以得到，主梁節(jié)段L5位置接近支座處，它的氣動(dòng)性變化不大，而拱肋節(jié)段G5受主梁氣動(dòng)特性干擾較小，升力矩系數(shù)變化不大，同時(shí)升力系數(shù)也呈現(xiàn)較明顯上升的趨勢(shì)，阻力系數(shù)也下降明顯。這是由于負(fù)攻角時(shí)在橋梁的迎風(fēng)面是處于正壓區(qū)，背風(fēng)面為負(fù)壓區(qū)，隨著風(fēng)攻角增大，兩者壓力差減小，所以主梁節(jié)段和拱肋阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角增大而減小，主梁節(jié)段的升力和升力矩系數(shù)變化不明顯。

3.2 護(hù)欄對(duì)氣動(dòng)性的影響

對(duì)全橋模型建立有無(wú)護(hù)欄兩種工況模擬全橋三維風(fēng)場(chǎng)，對(duì)比有無(wú)護(hù)欄的工況下橋梁氣動(dòng)性能。

表2 主要節(jié)段氣動(dòng)特性參數(shù)計(jì)算結(jié)果

由表2可知，在L2有護(hù)欄的情況下，阻力系數(shù)減小了42.9%，升力系數(shù)增大16.5%，升力矩系數(shù)絕對(duì)值減小了1倍。由此可以得到護(hù)欄對(duì)橋梁主梁節(jié)段的氣動(dòng)性影響是不能忽視的。而拱肋靠近主梁位置的節(jié)段G1在無(wú)護(hù)欄的情況下阻力系數(shù)增大了18.8%，升力系數(shù)減小了82.9%，升力矩系數(shù)絕對(duì)值減小了37.5%；拱肋節(jié)段G5阻力系數(shù)變化不大，升力及升力矩系數(shù)變化較大，說(shuō)明在考慮氣動(dòng)性能時(shí)，護(hù)欄是必不可少的考慮因素之一。

4 結(jié)語(yǔ)

文章采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)連續(xù)梁拱組合橋進(jìn)行氣動(dòng)特性分析，在考慮風(fēng)攻角和護(hù)欄的各種工況下，對(duì)橋梁的氣動(dòng)性能進(jìn)行對(duì)比分析，得出了以下幾個(gè)結(jié)論：

1)在對(duì)橋梁進(jìn)行氣動(dòng)性分析時(shí)，建立合理的全橋三維模型，其中網(wǎng)格劃分，參數(shù)的選取都對(duì)后續(xù)處理有著極大的影響。

2)在考慮不同風(fēng)攻角的作用情況下，隨風(fēng)攻角角度的變化(-6°～6°)，連續(xù)梁拱組合橋主梁劃分的各個(gè)節(jié)段變化的趨勢(shì)大體相似，主梁及拱肋的阻力系數(shù)逐漸減小，升力系數(shù)以及升力矩系數(shù)變化不大，而拱肋節(jié)段的跨中節(jié)段升力系數(shù)在風(fēng)攻角逐漸變大的過(guò)程中隨之上升。總的來(lái)說(shuō)風(fēng)攻角對(duì)橋梁的氣動(dòng)性影響是不可忽視的。

3)在考慮氣動(dòng)特性的過(guò)程中，有無(wú)護(hù)欄的影響也是很大的，在有護(hù)欄的工況下，主梁的升力系數(shù)更大，同時(shí)阻力系數(shù)更??；拱肋階段的阻力系數(shù)和升力系數(shù)都更小。所以在分析橋梁氣動(dòng)性影響時(shí)，考慮護(hù)欄等橋面設(shè)施也是必不可少的。

參考文獻(xiàn):

[1] 于向東,陳順平.鐵路連續(xù)梁拱組合橋箱梁橫向受力分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2013,10(4):7-12.

[2] 李愛(ài)飛.沿海鐵路梁拱組合橋梁車—橋系統(tǒng)抗風(fēng)研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué),2012.

[3] 埃米爾·希繆.風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1992.

[4] 耿鵬智.下承式連續(xù)梁拱組合體系鋼橋的力學(xué)特性研究[D].南京：東南大學(xué),2015.

[5] 李春光.紊流風(fēng)場(chǎng)中大跨度橋梁非線性氣動(dòng)穩(wěn)定性研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué),2010.

[6] 朱佳琪.基于CFD的橋梁渦激振和顫振氣彈模擬研究[D].成都：西南交通大學(xué),2013.

[7] 張兆順,崔桂香,許春曉.湍流理論與模擬[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005.

[8] 于洪剛,趙 林,葛耀君.上海盧浦大橋拱肋等效氣動(dòng)導(dǎo)納識(shí)別研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2010,43(7):79-84.

[9] 李 薇,胡兆同.CFD方法研究橋梁斷面三分力系數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào),2010,30(6):44-49.