連續梁拱組合結構氣動特性研究

余 海 洪

(中鐵四川生態城投資有限公司，四川 眉山 620562)

0 引言

梁拱組合是一種將拱橋和梁橋特點相結合的新型特殊橋梁形式。它具有結構剛度大、跨越能力強、外形美觀、方便施工等特點。隨著我國經濟的飛速發展，鐵路扮演的角色也是越來越重要，梁拱組合橋作為大跨度橋梁的主要橋型在我國鐵路工程中被廣泛采用。如溫福鐵路昆陽特大橋(64 m+136 m+64 m)、廣東小欖水道特大橋(100 m+220 m+100 m)等。國內外學者也對其理論逐漸完善。于向東等[1]建立了梁拱組合結構的全橋空間分析模型及橫向框架模型，研究發現主梁箱梁橫向應力沿順橋向成峰狀變化，橫橋向應力有翼緣至跨中逐漸減小的趨勢，李愛飛[2]采用CFD技術對橋梁截面進行二維風場數值模擬，在橫風作用下對梁拱組合橋的穩定性進行對比分析，討論了吊桿張拉力以及列車荷載對橋梁穩定性的影響。

本文以某梁拱組合橋為工程背景，采用數值模擬進行全橋足尺模型三維風場模擬，計算了結構的靜力三分力系數，研究了主梁和拱肋的氣動特性，分析了風攻角和護欄對橋梁氣動性能的影響。

1 工程背景

本文以35 m+130 m+35 m連續梁拱組合橋為工程背景進行研究，橋梁主梁采用C45預應力混凝土連續箱梁單箱單室結構，頂板寬度為11.8 m，梁高為2 m，跨中處梁高由2 m變為3.45 m。

2 氣動特性分析

2.1 CFD模型建立

使用大型CFD軟件FLUENT對主梁的渦振性能進行研究，對主梁建立CFD分析模型。對全橋進行三維風場模擬。同時考慮主梁和拱肋相互作用下氣動特性的影響，以及研究在風攻角和護欄的其他因素影響下的影響。將主梁模型平均分為節段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。

為計算準確，將結構表面網格進行加密處理，在劇烈變化的區域網格的劃分密集，而在流場變化較慢的地方網格劃分稀疏，最終劃分網格為2 460萬。部分節段劃分情況如圖2所示。

橋梁主梁、拱肋和吊桿等構件均采用無滑移壁面邊界條件。邊界條件如圖3所示。

采用湍流模型為標準k-ε模型，使用simple算法求解，通過FLUENT求解主梁氣動性能。空氣密度ρ取1.225 kg/m3，空氣粘性系數μ取1.79×105N·s/m2。

2.2 風速影響分析

分別模擬計算在風攻角為0°，均勻流風速在V=10 m/s～50 m/s的工況下，氣動性能的值。

對比分析這五種工況，結果是近似的，可以得到三分力系數是準確的，橋梁節段三分力系數沿順橋向變化情況如圖4～圖6所示。

3 氣動特性的影響因素研究

3.1 風攻角對氣動特性影響

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

體軸坐標系下氣動力系數計算公式定義如下:

(1)

(2)

(3)

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

風軸坐標阻力FD、升力FL和體軸坐標阻力FV、升力FH的轉換關系如下：

(4)

文章考慮計算在入口風速為30 m/s時，且風攻角為±2°，±4°，±6°幾種工況下，橋梁結構主要節段的三分力系數隨風攻角變化如表1所示，橋梁主要節段氣動力系數隨風攻角變化如圖8,圖9所示。

表1 風攻角變化下橋梁主要結構三分力系數

根據模擬結果可以得到，主梁節段L5位置接近支座處，它的氣動性變化不大，而拱肋節段G5受主梁氣動特性干擾較小，升力矩系數變化不大，同時升力系數也呈現較明顯上升的趨勢，阻力系數也下降明顯。這是由于負攻角時在橋梁的迎風面是處于正壓區，背風面為負壓區，隨著風攻角增大，兩者壓力差減小，所以主梁節段和拱肋阻力系數隨風攻角增大而減小，主梁節段的升力和升力矩系數變化不明顯。

3.2 護欄對氣動性的影響

對全橋模型建立有無護欄兩種工況模擬全橋三維風場，對比有無護欄的工況下橋梁氣動性能。

表2 主要節段氣動特性參數計算結果

由表2可知，在L2有護欄的情況下，阻力系數減小了42.9%，升力系數增大16.5%，升力矩系數絕對值減小了1倍。由此可以得到護欄對橋梁主梁節段的氣動性影響是不能忽視的。而拱肋靠近主梁位置的節段G1在無護欄的情況下阻力系數增大了18.8%，升力系數減小了82.9%，升力矩系數絕對值減小了37.5%；拱肋節段G5阻力系數變化不大，升力及升力矩系數變化較大，說明在考慮氣動性能時，護欄是必不可少的考慮因素之一。

4 結語

文章采用CFD數值模擬技術對連續梁拱組合橋進行氣動特性分析，在考慮風攻角和護欄的各種工況下，對橋梁的氣動性能進行對比分析，得出了以下幾個結論：

1)在對橋梁進行氣動性分析時，建立合理的全橋三維模型，其中網格劃分，參數的選取都對后續處理有著極大的影響。

2)在考慮不同風攻角的作用情況下，隨風攻角角度的變化(-6°～6°)，連續梁拱組合橋主梁劃分的各個節段變化的趨勢大體相似，主梁及拱肋的阻力系數逐漸減小，升力系數以及升力矩系數變化不大，而拱肋節段的跨中節段升力系數在風攻角逐漸變大的過程中隨之上升。總的來說風攻角對橋梁的氣動性影響是不可忽視的。

3)在考慮氣動特性的過程中，有無護欄的影響也是很大的，在有護欄的工況下，主梁的升力系數更大，同時阻力系數更小；拱肋階段的阻力系數和升力系數都更小。所以在分析橋梁氣動性影響時，考慮護欄等橋面設施也是必不可少的。

參考文獻:

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

[2] 李愛飛.沿海鐵路梁拱組合橋梁車—橋系統抗風研究[D].長沙：中南大學,2012.

[3] 埃米爾·希繆.風對結構的作用[M].上海:同濟大學出版社,1992.

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

[5] 李春光.紊流風場中大跨度橋梁非線性氣動穩定性研究[D].長沙：湖南大學,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,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導納識別研究[J].土木工程學報,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的雷諾數效應[J].長安大學學報,2010,30(6):44-49.