超大跨度懸索橋扁平單箱主梁氣動特性CFD探析

孫艷麗

(山西誠達公路勘察設計有限公司)

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超大跨度懸索橋扁平單箱主梁氣動特性CFD探析

孫艷麗

(山西誠達公路勘察設計有限公司)

將詳細對超大跨度懸索橋扁平單箱主梁啟動特性CFD進行探析，此外，還會對懸索橋施工的另一結構貓道減振進行分析。

懸索橋；氣動特征；CFD；貓道

1 數值模型的建立

1.1 主梁幾何模型

這個主梁高度是4.5 m，寬度是60.0 m，它屬于比較寬扁平的箱梁。空氣繞流橋兩端面的形態會受主梁上防護欄桿的影響進行改變，對主梁氣動特性也產生了很大的影響，對防護欄桿的主梁幾何模型也進行了考慮。

1.2 空氣流場模型

在空氣繞流的主梁模型周邊，流場非常復雜，相對比較鈍化的模型，更容易形成范圍較大的尾流區。即使遠離了模型區域，流場的結果也改變不大，流場與均勻流速場相接近，使其梯度的變化很小。而在尾流趨于流速及模型周邊，流場的壓力梯度就會很大。根據這個特點，在尾流區域及模型周邊都采用了密網格并且還設置了邊界層，選用疏網格安置在計算域的周邊，然后中間的區域再進行非常合理的過渡。

模擬對象的不同，導致幾何線性在復雜性上不一致，即使在合理的計算區域范圍中，大小也不相同。在本數值分析中，采用的是長方形的計算區域，在其中，Bt、Bu分別表示的主梁中心至背風、側風側邊界的距離，D是表示上下邊界的距離。在圖2的模型圖中，Bt=11.6 m、Bu=6.5 m、D=10 m,要滿足數值風洞中計算的要求，就要保證順風向阻塞率小于5%。如果很好的采用這個尺寸就可以滿足其要求。

根據流風速的方向來定上下邊界條件，如果是正方向，速度進口就定下邊界，壓力出口就定上邊界；如果是負方向，就定相反的；如果是水平方向，那么壓力出口就設置為上下邊界。在設置粘性系數與湍流強度時，一般都是通過邊界條件進行設置，以此來完成湍流數值的描述。

2 主梁三分力系數

按照所取坐標的不同，在主梁斷面作用的靜力三分力可以分為兩種不同的表達方式，及按風軸坐標系表示和按體軸坐標系表示。

表1 氣動力系數

風速不同，風政角不同，導致主梁的經歷氣動力系數也有非定常與定常兩種。一般來說，非定常分析是引入隨時間而變化的流場特性，為使風荷載時間的變化規律得以確定，需要分析可能出現的結構動力現象。而定常分析是指不需要引進時間變量，如果流場特性不會隨著時間而變化，讓空氣可以通過平均風速從靜止不動的橋梁繞過，以此可以形成一個定常流場，對于減少計算工作量來說是很好的簡化計算法。

由表1可見，采用非定場分析與定場分析的結果相差不是很大，而相對于此主梁形式，可以采用計算簡單，耗時比較少的定常計算進行分析。

3 主梁渦振性能分析

在經過各種鈍體結構斷面時，氣流很有可能會出現脫落現象，主要原因是兩側交替發生變化的流旋渦問題。在結構上，漩渦脫落會形成比較小的粘滯力，不過如果漩渦脫落的頻率在等于或者接近結構的自振頻率時，會引起結構共振出現，對其結構安全的危害非常嚴重。

使用斯托羅哈數St=fD/U可以描述漩渦脫落現象。在式中的f代表的是漩渦脫落頻率；D是流方向平面的特征尺寸；U作為來流速度。在進行頻譜分析之前要了解非定常氣動力的變化曲線，才可以對漩渦脫落頻率f進行提取，之后再利用St=fD/U進行計算就可以得到斯托羅哈書St。

非定常計算，主要是由不同風速與O攻角下的主梁氣動力進行。由計算所呈現的不同風速下斯托羅哈數和漩渦脫落頻率可以由表2可視。從表2可以看出，斯托羅哈數在此扁平主梁中還是比較小，有非常不錯的渦振性能。

表2 主梁渦振性能參數

4 主梁顫振導數

作為一種非常危險的自激發散振動，顫振如果在風速能達到臨界風速的時候，橋梁在振動中可以通過氣流出現的反饋作用不斷吸收大量能量，從而使振幅能出現逐步的增大一直到最后讓結構得以破壞。此顫振的自激力可以描述成為

式中：U代表來流風速；p代表空氣密度，h代表的是在做純豎向振動的時候振幅函數；α是作為純扭轉振動時振幅函數，K=ωB/U作為折算頻率。現在來說，對于求橋梁顫振發散臨界風速中最有效與最廣泛的應用方法就是顫振導數。一般求解顫振導數的方法有強迫振動法以及自由振動法。

主要是采用的強迫振動法來求解顫振導數，解耦兩個模型運動的自由度，假使模型分別作純扭轉以及純豎向運動。

當模型在進行純豎彎運動的時候，豎彎的振幅會隨著時間變化進行改變，公式為：h=h0cos(ωt)；當模型隨著純扭轉進行運動時，其扭轉的振幅隨時會隨時間變化，公式為：α=α0cos(ωt)。在此公式中，h0是作為模型純豎彎振動最大的振幅，α0是作為模型純扭轉振動最大的轉角，ω作為模型進行簡諧振動頻率。在本計算公式中，h0=0.03m,ω=2πHz,α0=3°。

通過進行編制UDF來實現模型強迫振動，再運用MATLAB軟件對提取的數據進行矩陣最小乘擬合計算就可以得到模型顫振導數。

5 超大跨度懸索橋貓道減振措施

5.1 控制面層的振動

針對施工人員對單聯貓道誘發的水平和風對兩聯貓道的風振問題以及扭轉振動的控制，可以運用鋼絲繩將兩聯貓道相連起來。這樣子就可以把一聯貓道面層所發生的振動以此傳遞至另一聯貓道上面，以相互的干涉作用對貓道的振動進行控制。在同時，懸掛著的連接繩可以當做TMD進行運作，通過振動可以吸收一部分的能量，在此方法上可以提高貓道的振動衰減率。

5.2 控制水平變位的措施

在垂直橋軸方向的變位中，如果想控制主風荷載作用下面層，就要用斜拉鎖與水平制振索將其兩聯貓道面層進行連接，以此使抵抗變形能力提高。相對于日本的來島大橋，曾經有風洞試驗證明，檔期風速達到12m/s時，15束的索骨架設時貓道水平在有無斜拉鎖變位分別是2.77和1.47，而44束的索骨架設時貓道水平變為在有無斜拉索變位是2.88和1.69。從這里可以看出來，對于貓道的側向振動，斜拉索的設置有很好的控制作用。

5.3 控制面層扭轉變形的對策

在主纜進行架設的時候，在面層外側運用鋼絲繩增大剛度，在以往的貓道設置抗風吊桿的位置上，對面層橫梁進行延長，突出面層的兩側，然后將其固定在外索上面，面層上的抗扭轉能力就能得到很大的提高。相對于來島大橋，經過計算解析要想達到與其相同的傾斜角，在外索必須要設置約1.3m的位置在貓道面層的外側上，通過間隔20m的橫梁與面層相連。

6 結束語

在對超大跨度懸索橋的扁平單箱主梁進行數值的模擬計算后，得出一下結論：(1)非定常分析與定常分析的結果相差不大，采用相對比較簡單，較少耗時的定常計算方法最佳。(2)如果在計算中得到扁平主梁的斯托羅哈數比較小，那就表示主梁模式有很好的渦振性能。(3)在風軸的坐標系下，三分力系數的絕對值會隨著風攻角不斷加大而不斷增大，比較大的風攻角下主梁相對而言穩定性能比較低。在文中的后段了解了一下關于在超大跨度懸索橋中貓道帶來的減振效果及其措施。不管是對數據的分析還是對其它結構的分析，都是為了保證主纜施工人員的安全及施工的質量。

[1] 李永樂,安偉勝,李翠娟,強士中.超大跨度懸索橋扁平單箱主梁氣動特性CFD分析[J].西南公路,2010，(11):15.

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2015-02-14

孫艷麗(1984- )，女，山東單縣人，工程師。

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1008-3383(2015)12-0123-02