帶水線的斜拉索氣動(dòng)特性數(shù)值分析

黃貽鳳

（華東交通大學(xué)軌道交通學(xué)院，江西 南昌330013）

隨著斜拉橋結(jié)構(gòu)跨度或高度的不斷增加，結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越柔，對(duì)風(fēng)的敏感性也隨之增加，風(fēng)荷載成為控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素之一。拉索是斜拉橋的關(guān)鍵構(gòu)件，考慮到拉索的柔性、相對(duì)小的質(zhì)量及較低的阻尼，在風(fēng)或支承端的作用下易產(chǎn)生強(qiáng)烈的橫向振動(dòng)。拉索的振動(dòng)不僅會(huì)給行人帶來(lái)不舒適感和不安全感，同時(shí)它也會(huì)使拉索產(chǎn)生疲勞，破壞拉索的防腐系統(tǒng)，嚴(yán)重地影響拉索的壽命[1]。拉索的風(fēng)雨激振是在風(fēng)和雨的共同作用下發(fā)生的大幅低頻的振動(dòng)，是振幅最大、危害最嚴(yán)重的一種風(fēng)致振動(dòng)。風(fēng)雨激振時(shí)，拉索的上下表面各形成一條雨水水線，沿拉索往下流。在拉索振動(dòng)時(shí)，水線在拉索表面振蕩。1998年的國(guó)際橋梁空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上，拉索風(fēng)雨激振被確定為未來(lái)一段時(shí)間的四大重點(diǎn)問(wèn)題之一[2]。大量觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)表明風(fēng)雨激振給橋梁帶來(lái)巨大的破壞性，嚴(yán)重危害橋梁的安全，對(duì)風(fēng)雨激振形成的機(jī)理和控制措施的研究刻不容緩。

為了確定水線對(duì)拉索氣動(dòng)特性的影響，本文采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件FLUENT 分別對(duì)設(shè)置不同大小水線的拉索進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)，對(duì)帶水線的拉索繞流進(jìn)行模擬，研究水線對(duì)拉索繞流的影響，計(jì)算各種工況拉索的三分力系數(shù)，并與同條件下的光面拉索進(jìn)行對(duì)比研究。

1 計(jì)算模型的選取

已有文獻(xiàn)表明[3-4]：拉索傾角α=30°左右，風(fēng)向角β=30°～35°最易發(fā)生風(fēng)雨激振，且水線位置角為40°左右時(shí)拉索的振動(dòng)幅度較大。故本文選擇拉索傾角α=30°，風(fēng)向角β=35°，水線角θ=47°。各角度的含義見(jiàn)圖1所示。其中，以拉索中點(diǎn)為原點(diǎn)畫(huà)坐標(biāo)軸，將迎風(fēng)一側(cè)的水線定義為上水線，背風(fēng)一側(cè)的水線定義為下水線；Fd，F(xiàn)l分別為氣流流經(jīng)所受到的阻力和升力。已有研究表明[5-7]：上水線是風(fēng)雨激振產(chǎn)生的主要原因，下水線對(duì)拉索風(fēng)雨激振影響非常小。本文僅考慮上水線的存在對(duì)于拉索周?chē)鲌?chǎng)的影響，本文所提到的水線就是指上水線。水線角θ 為上水線斷面和原點(diǎn)連線與縱軸正向所成角度，用它來(lái)控制上水線位置[8]。

圖1 各角度含義的示意圖Fig.1 Diagrammatic sketch of various angles

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，人們常采用的人工水線形狀有：圓弧形、圓形、矩形、八字形等[9]。已有風(fēng)洞試驗(yàn)中觀察到：上水線的外形最接近圓弧形[6]。因此，為驗(yàn)證不同大小水線對(duì)拉索氣動(dòng)特性的影響，本文采用大小不同的3 種水線，截面均為圓弧形。3 種水線的弦長(zhǎng)b 均為20 mm，水線高h(yuǎn) 分別取為4，8 和10 mm。弦長(zhǎng)b 和高h(yuǎn) 的含義如圖2所示。為了確定水線對(duì)拉索的影響，同時(shí)還選取了同種尺寸同樣放置狀態(tài)的光圓拉索做對(duì)比數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)。

取拉索直徑D=0.2 m，拉索在高度方向的投影長(zhǎng)度均為3.6 m，計(jì)算域?yàn)椋洪L(zhǎng)×寬×高=（50D+索在長(zhǎng)度方向的投影長(zhǎng)度）×（20D+索在寬度方向的投影長(zhǎng)度）×18D，入口邊界到拉索中心距離為10D，出口邊界到拉索中心距離為40D，左右邊界到拉索截面中心的距離均為10D，計(jì)算域見(jiàn)圖3。已有研究表明[10]：雨振只在風(fēng)速為8～18 m·s-1的范圍內(nèi)發(fā)生，故本文選擇的風(fēng)速為15 m·s-1。

圖2 水線大小Fig.2 The size of the waterline

2 網(wǎng)格劃分

對(duì)帶水線的拉索進(jìn)行結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格如圖4所示。圖4僅示出了h=10 mm 水線拉索的網(wǎng)格圖。

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 The computing domain

圖4 帶水線拉索結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的局部網(wǎng)格圖Fig.4 The fractional grid graph of structuring grid for the stayed cable with waterline

圖5 （a） 阻力系數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5，從圖5可以看出。

1） 帶不同高度水線的拉索，其三分力系數(shù)差別很小，因而水線高度對(duì)三分力系數(shù)的影響不明顯，這可能與它們同處亞臨界狀態(tài)有關(guān)。這與A Bosdogianni，D Olivari 的結(jié)論是一致的[5]。隨著水線高度的增加，阻力系數(shù)和升力系數(shù)均小幅變小，而升力矩系數(shù)則先變小后變大。

圖5 三分力系數(shù)隨水線高度的的變化趨勢(shì)圖Fig.5 The tendency chart of the three force coefficients along the height of the waterline

2） 雖然水線的截面積與拉索的截面積相比是微乎其微的，但設(shè)置了水線后，由于改變了拉索的外形，三分力系數(shù)均明顯變小。阻力系數(shù)減小約0.21，降幅43%左右；升力系數(shù)減小約0.11，降幅53%左右；升力矩系數(shù)減小約1.04，降幅30%左右。以上結(jié)果表明：由于水線的存在，水線附近拉索的表面壓力產(chǎn)生急劇變化，進(jìn)而引起三分力系數(shù)的急劇變化。根據(jù)準(zhǔn)定常假設(shè)，處于平均氣動(dòng)升力的負(fù)斜率區(qū)，則有可能存在馳振不穩(wěn)定性，導(dǎo)致拉索大幅振動(dòng)；所以水線的存在可能導(dǎo)致拉索的不穩(wěn)定。

4 結(jié)語(yǔ)

采用FLUENT 軟件分別對(duì)設(shè)置不同大小水線的拉索進(jìn)行了數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)，計(jì)算各種工況拉索的三分力系數(shù)，并與同條件下不設(shè)肋條的光面拉索進(jìn)行對(duì)比研究。計(jì)算表明：

1） 拉索設(shè)置水線后，雖然水線尺寸很小，但水線對(duì)三分力系數(shù)的影響很大，設(shè)置水線后三分力系數(shù)均明顯變小，水線的存在可能導(dǎo)致拉索的不穩(wěn)定。

2） 由于帶不同高度水線的拉索同處亞臨界狀態(tài)，水線高度對(duì)三分力系數(shù)的影響不明顯。

[1]劉旭政，張春榮，陳水生.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的拉索耐久性評(píng)價(jià)模型[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，27（2）：8-12.

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