超大跨度分離三箱主梁橋梁抗風性能及氣動優(yōu)化研究

崔 興

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司)

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超大跨度分離三箱主梁橋梁抗風性能及氣動優(yōu)化研究

崔 興

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理總公司)

對于超大跨度分離三箱主梁橋梁而言，對風的作用有著較強的敏感性，其抗風的性能已經(jīng)成為超大跨度橋梁設(shè)計中需要重點控制的因素。分離三箱主梁在超大跨度橋梁中是一種典型的主梁斷面形式，主要就分離三箱主梁中的抗風性能和氣動優(yōu)方案進行分析，并提出氣動措施的相關(guān)設(shè)置方法。

超大跨度橋；分離三箱主梁；抗風性能

1 前 言

當前，人們對于交通的需求在不斷的增強，加上國家與科技的快速發(fā)展，進一步推動了橋梁建設(shè)往更長、更廣的方向發(fā)展。但是，隨著橋梁跨度的日益增大，風力給其造成的振動問題也越來越突出，尤其是超大跨度橋梁中的抗風性能已經(jīng)成為了影響其安全建設(shè)與正常使用過程中的關(guān)健性因素。橋梁的主梁是整個橋梁中最主要的受風構(gòu)件，其抗風的性能在很大的程度上反映著整座橋梁的抗風性能，因此，對主梁的抗風性能進行合理的優(yōu)化，已經(jīng)成了超大跨度橋梁設(shè)計中的重中之重。

2 分離三箱主梁氣動措施方案與CFD 模擬方法

現(xiàn)以某超大跨度橋梁方案的總體布置為例，該橋的跨徑布置為：1 400m+3 500m+1 400m，系為三跨連續(xù)懸索橋，主纜利用碳纖維增強塑料，而主梁則采用分離三箱主梁引入已經(jīng)成功應用在單箱主梁與分離雙箱主梁的氣動措施優(yōu)化方案，針對分離三箱主梁建設(shè)，分別設(shè)計出了六種類型的氣動措施優(yōu)化方案，以對不同氣動措施對于分離三箱主梁的氣動特性造成的影響程度進行計算。針對設(shè)置了不同氣動措施的主梁斷面，可以通過CFD數(shù)值仿真軟件FLUENT計算出靜力三分力系數(shù)與顫振導數(shù)。利用線性方法計算出橫向屈曲和扭轉(zhuǎn)屈曲兩個類型靜風的失穩(wěn)臨界風速。利用兩個自由度半逆解法計算出橋梁顫振的臨界風速。基于FLUENT中的CFD數(shù)值模擬，可利用長方形計算區(qū)域方法，在迎風側(cè)邊界使用速度入口，背風側(cè)邊界則采用壓力出口，當入口的風速無豎向流動時，上、下邊界都可以采用壓力出口。在入口的風速受到風攻角影響而出現(xiàn)一定的豎向流動時，則將豎向流動的來流方向邊界設(shè)定為速度入口，相反的另一個界面為壓力的出口。

3 主梁氣動穩(wěn)定性能的優(yōu)化

3.1 合理的設(shè)主梁開槽寬度

主梁開槽的主要目的是為了利用開槽讓上下氣流可以進行相互的流通，以此對主梁的顫振穩(wěn)定性能進行優(yōu)化。如西堠門大橋、意大利墨西拿海峽大橋以及青島海灣大橋都是采用了這種主梁開槽的斷面形式，并且都能對橋梁的振動進行很好的抑制。如，將開槽的寬度分別取為:1m、2m、3m，而主梁的開槽寬度是2m的時候，主梁橫向屈曲臨界的風速是100.2m/s，其風速比其他的開槽主梁要高，但是相差不是很大，各個斷面橫向扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界風速都大于96m/s，其扭轉(zhuǎn)屈曲的臨界風速也是在開槽寬度為2m時達到最高值80.8m/s。因此，在對主梁進行開槽時必須嚴格對其寬度進行控制，如果開槽過小，則和單箱主梁沒有明顯的差異，如開槽的寬度過大，又較容易致使靜風的穩(wěn)定性降低，特別是對于主梁的扭轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能而言，當其主梁的開槽寬度超過2m時，其扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風速就會隨隨著槽的寬度增加而下降。

3.2 合理設(shè)置兩翼箱梁腹板的水平傾角

在主梁的兩側(cè)進行風嘴設(shè)置主要是為了對主梁的形狀進行改變，讓主梁的流線型變得更好，以達到對主梁繞流形態(tài)改善的目的。因此，恰當?shù)膶ζ鋬蓜t的風嘴進行設(shè)置，能夠在很大的程度上提升主梁的顫振穩(wěn)定性能。

為了對主梁兩測的風嘴形狀給主梁造成的影響進行考查，可以利用對分離三箱主梁兩翼腹板傾角進行改變的方法開展。如將其基準結(jié)構(gòu)傾角設(shè)置為0°，不同的傾角設(shè)置分別設(shè)置為:-5°和0°，從而得出當兩翼腹板的傾角為-5°時，主梁的顫振臨界風速最高達到了65.6m/s，比兩翼腹板傾角設(shè)置0°時顫振臨界風速上升了29.13%。當兩翼腹板傾角設(shè)置為0°時，主梁的顫振臨界風最高則是50.8m/s，當兩翼的腹板傾角為+5°時，其主梁他顫振臨界風速是53.6m/s，比兩翼腹板傾角設(shè)置為零時高，顫振臨界度風速上升了5.51%。從這個結(jié)果可以看出，比較扁平的主梁形式可以有效的提升主梁的顫振穩(wěn)定性能，但卻不能不斷的利用對其大小進行改變來增加三箱主梁兩翼腹板的傾角，因為這樣做也很容易降低主梁的顫振穩(wěn)定性能。

3.3 合理的設(shè)置分流板寬度

分流板主要是設(shè)置在主梁的兩側(cè)，其主要作用是對氣流作用進行分離。正常情況下，可以用兩條沿橋梁縱向通長平板安裝在主梁兩翼的風嘴處。合理的對分流板進行設(shè)置，可以讓氣流提前分為上、下兩個部分穿過橋梁的斷面，并在很大的程度上加強主梁的空氣阻礙，從而降低主梁的振幅，對橋梁的振動進行有效的抑制。分流板的寬度度增加，對主梁所受到的風阻力有著極大的影響，分流板寬度越寬，主梁受到的風阻力就會越大，橫向的屈曲臨界風速就會降低。而主梁中的扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風速也會隨著分流板的寬度而增加，在其寬度低于2m時呈上升趨勢，而在其寬度高于2m時，則呈下降趨勢。因此，相關(guān)的施工人員需將主梁的橫向與扭轉(zhuǎn)屈曲穩(wěn)定性進行綜合，在分離三箱主梁內(nèi)合理的對分流板的寬度進行設(shè)置，從而提高橋梁靜風穩(wěn)定的性能。

3.4 合理設(shè)置水平穩(wěn)定板

水平穩(wěn)定板屬于一種平板構(gòu)件，其本身的穩(wěn)定性能相對較好，因此在主梁中合理的設(shè)置水平穩(wěn)定板能夠有效的提升整個主梁的穩(wěn)定性。當主梁出現(xiàn)振動時，水平穩(wěn)定板就會對風的流動狀態(tài)進行擾亂，干擾風的脈動頻率，進而有效的改變脈動風給主梁造成的動力作用。并且水平穩(wěn)定板在對氣流進行擾亂時，還會制造成出一定的空氣阻尼，有效的對主梁振動進行抑制。

如，將下側(cè)水平穩(wěn)定板中心與橋面的高度值分別設(shè)定為:0m、1.5m、2.8m、4.1m。可以得出，當水平穩(wěn)定板與橋面高度距離為1.5m時，進行水平穩(wěn)定板的設(shè)置，就會致使主梁顫振臨界風速減弱；而在水平穩(wěn)定板與橋面高度的距離超過1.5m時，主梁顫振臨界風速就會隨著水平穩(wěn)定板的高度增加而上升，但是上升的幅度呈有限狀態(tài)；當水平穩(wěn)定板與橋面高度的距離是4.1m時，顫振臨界風速最高則達到了53.5m/s，與不設(shè)置水平穩(wěn)定板的情況上升了5.3%。因此，對于水平穩(wěn)定板進行合理的設(shè)置，可以有效的提高分離三箱主梁的顫振穩(wěn)定性能，需要相關(guān)的施工建設(shè)人員加以重視。

3.5 合理設(shè)置上部豎向穩(wěn)定板

上部豎向穩(wěn)定板氣動措施的設(shè)置主要是為了提升橋梁顫振穩(wěn)定性能。但是在主梁中設(shè)置相應的豎向穩(wěn)定板，會在一定程度上增加主梁擋風的面積，且其面積會隨著豎向穩(wěn)定板的高度而增加，主梁對于氣流的干擾作用就會更加明顯。橋梁的顫振大部分都是主梁的扭轉(zhuǎn)振動造成的，由主梁的扭轉(zhuǎn)引起豎向振動。而在橋梁中合理的設(shè)置豎向穩(wěn)定板，可以在很大的程度上增加豎向自由度在顫振過程中的參與度，從而提升橋梁的顫振穩(wěn)定性能。

如，將上部豎向穩(wěn)定板的高度分別設(shè)置為:0m、1m、2m、3m。可得出，當上部豎向穩(wěn)定板的高度為是1m時，顫振臨界的風速是為38.4m/s，與沒有設(shè)置上部豎向穩(wěn)定板的主梁下低了24.4%；而當上部豎向穩(wěn)定板的高度超過1m時，主梁的顫振臨界風速就會隨著上部豎向穩(wěn)定板增加的高度而上升；當上部豎向穩(wěn)定板的高底設(shè)置為3m時，主梁顫振的臨界風速相對較高，達到了132.5m/s，與沒有設(shè)置上部豎向穩(wěn)定板的主梁上升了160.8%。因此，可以看出，合理的對上部豎向穩(wěn)定板的高底進行設(shè)置，可以有效的加強分離三箱主梁顫振的穩(wěn)定性能。

3.6 合理的設(shè)置下部豎向穩(wěn)定板

下部豎向穩(wěn)定板通常都設(shè)置在主梁的底部位置，與上部豎向穩(wěn)定板的功能相同，也會對通過主梁的氣流進行干擾，增加主梁受風的面積。對于主梁開槽的三箱主梁而言，對下部豎向穩(wěn)定板進合理的設(shè)置，能夠在對主梁下側(cè)的氣流運動進行改變的同時，對主梁上側(cè)的氣流運動出造成一定的干擾作用。

如，將下部豎向穩(wěn)定板的各個高度分別設(shè)置為:0m、1m、2m、3m，當下部豎向穩(wěn)定板的高度是2m時，主梁的扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風速達到了154.4m/s，與不進行下部豎向穩(wěn)定板設(shè)置的主梁相比上升了99.7%；在下部豎向穩(wěn)定板高度超過2m時，主梁扭轉(zhuǎn)屈曲臨界風速就會降低，因此，將主梁的下部豎向穩(wěn)定板高度設(shè)置為為2m時，橋梁的靜風穩(wěn)定性是最好的。

4 結(jié)束語

總之，將氣動措施合理的設(shè)置到超大跨度分離三箱主梁橋梁抗風性能的優(yōu)化方案中，可讓其在不對橋梁結(jié)構(gòu)和使用性能進行改變的前提之下，利用一部分附加小型外部裝置或者對構(gòu)件的外形進行修改，就可以達到對主梁繞流形態(tài)改變的目的，從而起到對優(yōu)化主梁氣動特性的作用，大幅度的提升橋梁的整體抗風性能。

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2015-02-11

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