山區峽谷高墩連續剛構橋抗風性能與氣動外形優化

周 艇

(中鐵十八局集團第二工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

風對橋梁的破壞形式多種多樣，橋梁風毀事件數不勝數，其中比較著名的有法國的Roche-Beruard橋、美國的Nigara-Clifton橋和Tacoma Narrows橋[1]。近年來，隨著橋梁設計向輕、柔、長特點發展的趨勢日漸明顯，橋梁抗風研究已成為設計、施工和運營過程中不可忽視的內容。

隨著國家交通網絡的建設與完善，越來越多的橋梁開始在山區峽谷中建設。然而，山區峽谷風具有風速大、陣風強烈、風切變頻繁等特點[2]，對山區峽谷橋梁進行抗風研究和尋找合理可行的抗風優化方法至關重要。

主梁作為橋梁主要的抗風構件，其抗風性能在很大程度上決定著整個橋梁的抗風性能，對主梁的氣動外形進行合理優化，已成為大跨徑橋梁在設計和施工過程中不可忽視的內容。國內外許多學者在這方面進行了研究，如馬凱研究了欄桿等附屬設施對橋梁氣動三分力系數的影響[3]；廖海黎等提出空氣動力擾流板對改善懸索橋的顫振具有良好的效果[4]；胡長燦等研究了氣動外形對橋梁渦激共振和顫振的影響[5]；周立、葛耀君研究了欄桿、汽車等對鋼主梁氣動三分力的影響[6]；程怡、葛耀君等研究了不同高度的穩定板對橋梁渦振的影響[7]。在參閱了大量相關文獻后[8-10]，發現目前關于橋梁氣動外形方面的論文往往和渦振、顫振等聯系在一起，而研究氣動外形對阻力系數影響的文獻極少，本文以某山區峽谷高墩連續剛構橋梁為例，研究了增加上穩定板、下穩定板和翼緣板流線化處理等措施對阻力系數的影響，希望填補此方面研究的不足[11-12]。

2 工程概況

木絨大橋為四川省甘孜州雅江縣境內鮮水河上的一座三跨連續剛構橋，全長589 m，主跨跨徑布置為120 m+220 m+120 m，兩個主墩高度均為155 m。主梁采用單箱單室箱型截面，梁高為4.5～14.0 m。

該工程周邊山區海拔3 900～4 800 m，鮮水河河道下切十分強烈，河谷峽窄，呈典型的“V”型斷面，沿河嶺谷高差懸殊，相對高差一般在500～1 500 m，為典型的高山峽谷。受海拔以及區域地貌影響，橋位處風速較高。根據施工監控，橋位處常遇風速可達20 m/s左右。

3 木絨橋抗風性能研究

3.1 原結構的抗風性能

選取1/4跨處的主梁截面作為研究對象，該截面梁高7 m，橋面寬9 m，外翼緣高0.2 m。在流體計算軟件(CFD)中建立二維模型，計算采用的風速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數為5×105，邊界層網格大小為15 mm，流場范圍為135×135 m，網格數量共276 591個。

風作用在結構上的力一般可以分解為沿來流方向的阻力FD、垂直來流方向的升力FL和使結構產生扭轉的升力矩ML，即氣動三分力，如圖1所示。

圖1 主梁截面氣動三分力示意

其計算采用如下公式：

式中，ρ為空氣密度，取1.225 kg/m3；U為風速，取20 m/s；H和B為主梁的特征長度，分別取7 m和9 m；CD(α)、CL(α)和CM(α)為氣動三分力系數；α為風攻角。利用CFD軟件，求解在施工階段風軸坐標系下，主梁截面在-3°、0°和3°風攻角下的三分力系數，結果如圖2所示。

圖2 不同風攻角下主梁的三分力系數

《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T 3360-01-2018)規定，數值模擬結果與風洞試驗的結果中，阻力系數的相對誤差不宜超過15%。對比CFD軟件計算所得阻力系數與風洞試驗所得阻力系數，結果如表1所示。

表1 CFD模擬計算阻力系數與風洞試驗阻力系數

通過表1可以看出，數值模擬與風洞試驗所得的阻力系數相對誤差最大為7.25%，滿足規范要求，同時也證明采用CFD軟件具有較高的可靠度以及模型的正確性。

3.2 中央上穩定板對阻力系數的影響

中央上穩定板布置于橋面中心的正上方，分別選取0.1h、0.15h、0.20h和0.25h(h為主梁高度)高度的穩定板，計算采用的風速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數為5×105，邊界層網格大小為15 mm，流場范圍約為135×135 m，網格數量約288 900個。計算得到-3°、0°和3°風攻角下主梁的阻力系數如圖3所示。

圖3 增設不同高度的中央上穩定板后主梁的阻力系數

從圖3可以看出，隨著風攻角的增大，增設不同高度的穩定板后，主梁的阻力系數逐漸減小，且變化趨勢基本相同；此外，在-3°風攻角下增設不同高度的穩定板均會使阻力系數增大，其中高度為0.15h的穩定板會使阻力系數增大18.78%左右；而在3°風攻角下增設不同高度的穩定板均會使阻力系數減小，此時增設高度為0.15h的穩定板效果最好，阻力系數能減少32%左右；在0°風攻角下增設不同高度的穩定板均會使阻力系數減小，且不同高度的穩定板對阻力系數的減小效果相差不大，均在30%左右。這主要是因為漩渦的位置和大小影響了主梁迎風側和背風側的壓強差，不增設中央上穩定板時，在主梁背風側會出現一個范圍很大的漩渦，從而形成一個負壓區，主梁迎風側和背風側就會出現一個很大的壓強差；增設中央上穩定板后(見圖4)，主梁背風側雖然也會出現漩渦，但其范圍小，且距離主梁遠，主梁迎風側和背風側的壓強差相對較小。這種壓強差的減小引起了阻力系數的減小。

圖4 增設中央上穩定板后主梁壓強和速度紋理分布

3.3 中央下穩定板對阻力系數的影響

中央下穩定板布置于梁底面中心的正下方，同樣選取高度分別為0.1h、0.15h、0.20h和0.25h的中央下穩定板，建立CFD模型，計算采用的風速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數為5×105，邊界層網格大小為15 mm，流場范圍約為135×135 m，網格數量約295 600個，計算得到-3°、0°和3°風攻角下主梁的阻力系數如圖5所示。

圖5 增設中央下穩定板后主梁的阻力系數

圖6 增設中央下穩定板后主梁壓強和速度紋理分布

從圖5可以看出，隨著風攻角的增大，增設0.10h和0.15h高度的穩定板后，主梁的阻力系數變化趨勢與原主梁結構的變化趨勢基本相同，而增設0.20h和0.25h高度的穩定板后，主梁的阻力系數逐漸減?。淮送?，相比于不加穩定板的情況，增加不同高度的下穩定板后，不同風攻角下的阻力系數均有不同程度的減小，其中，在-3°和0°風攻角下增設高度為0.15h風攻角的穩定板效果最好，阻力系數減少約41.75%和46.35%；在3°風攻角下增設高度為0.20h風攻角的穩定板效果最好，阻力系數能夠減少約28.49%。這是因為增加了下穩定板后，主梁下方的空氣流動方向發生了改變，從而改變了主梁背風側的壓強分布。未增設下穩定板時，主梁下方的空氣以接近水平方向通過主梁底部，然后繞過底板處的轉角，以接近垂直的方向繞至主梁背風側，并在背風側形成大范圍低壓區，從而在主梁迎風面和背風面之間形成較大的壓強差；增設下穩定板后(見圖6)，主梁下方的空氣先是斜向繞過下穩定板，然后沿斜向流至主梁背風側，在主梁后方較遠處形成低壓區，此時主梁迎風面和背風面之間的壓強差較小。這種壓強差的改變直接引起了后者阻力系數的減小。

3.4 翼緣板流線化處理對阻力系數的影響

翼緣板流線化處理是將翼緣板端部的平直面改變成流線曲面，建立CFD模型，計算采用的風速為20 m/s，空氣密度取1.225 kg/m3，湍流模型為大渦模型，雷諾數為5×105，邊界層網格大小為15 mm，流場范圍約為135×135 m，網格數量約236 500個，計算得到-3°、0°和3°風攻角下主梁的阻力系數如圖7所示。

圖7 流線化處理后主梁的阻力系數

從圖7可以看出，在 -3°、0°和 3°風攻角下，隨著風攻角的減小，主梁氣動外形修改前后阻力系數的變化趨勢基本相同，且在翼緣板流線化處理后，主梁的阻力系數均出現了10%左右的增大。這是因為翼緣板進行流線化處理后，氣流提前分為上下兩部分通過橋梁斷面，在很大程度上增加了主梁的空氣阻礙，且橋梁橫向尺寸越大，主梁受到的風阻力就越大，但該方案能夠降低主梁的振幅，抑制主梁的振動。

圖8 翼緣板流線化處理后主梁壓強和速度紋理分布

流線化處理后的翼緣板改變了主梁背風側的空氣流向，對于原主梁結構，背風側翼緣板處生成了漩渦，主梁上方的空氣繞過漩渦，以接近水平的方向從主梁后方通過；對翼緣板進行流線化處理后(見圖8)，背風側翼緣板處不再生成漩渦，主梁上方的空氣直接繞過翼緣板，以接近垂直的方向流向主梁背風側，并且在和主梁下方流上來的氣體相遇后，在主梁背風側生成漩渦，垂直流向的氣體以及生成的漩渦降低了主梁背風側的壓強，增大了主梁迎風側和背風側的壓強差，使得經流線化處理后的主梁阻力系數增大。

4 結論

(1)原主梁結構計算得到的阻力系數與同濟大學TJ-5風洞試驗結果的最大誤差為7.25%，滿足規范中不超過15%的要求，證明了CFD軟件的可靠性以及模型的正確性。

(2)計算了增加不同高度的中央上穩定板后的主梁阻力系數。結果表明：在-3°風攻角下增設不同高度的穩定板均會使阻力系數增大，其中高度為0.15h的穩定板會使阻力系數增大18.78%左右；而在3°風攻角下增設高度為0.15h的穩定板效果最好，阻力系數能減少32%左右；在0°風攻角下增設不同高度的穩定板對阻力系數的減小效果相差不大，均在30%左右。

(3)計算了增加不同高度的下穩定板后的主梁阻力系數。結果表明：在-3°和0°風攻角下增設高度為0.15h風攻角的穩定板效果最好，主梁的阻力系數減少約41.75%和46.35%；在3°風攻角下增設高度為0.20h風攻角的穩定板效果最好，主梁的阻力系數能夠減少約28.49%。

(4)計算了對翼緣板進行流線化處理后主梁的阻力系數。結果表明：在-3°、0°和3°風攻角下，隨著風攻角的減小，主梁氣動外形修改前后的阻力系數變化趨勢基本相同，且在翼緣板流線化處理后，主梁的阻力系數均出現了10%左右的增大。