大跨度拱橋箱梁靜力三分力系數研究

郭俊峰

(中鐵二十三局集團有限公司, 四川成都 610072)

目前我國公路與鐵路的建設正處于高速發展期，橋梁作為連接陸路交通的重要紐帶，在鐵路與公路的建造中發揮著關鍵作用[1]。隨著橋梁建造技術的不斷發展以及新材料的使用，各類型橋梁的跨度不斷被刷新。越來越多的大跨度橋梁被廣泛地建造在山區、峽谷等復雜地形之中。現代大跨度橋梁普遍具有柔軟、纖細且結構阻尼比較低的特點，因此其對風的作用變得越來越敏感。風荷載已成為大跨度橋梁建造與運營必須考慮的重要因素之一。在橋梁設計階段，精確識別主梁截面靜力三分力系數是橋梁抗風分析的基礎。

橋梁抗風的主要研究手段包括風洞試驗、CFD數值模擬、理論研究以及現場實測4種方法。相比于風洞試驗和現場實測，CFD數值模擬具有費用低、周期短、不受試驗條件限制等優點，因而被廣泛應用于結構抗風分析之中。高宇琪[2]基于CFD數值模擬對東南沿海某大跨度連續梁橋箱型斷面靜氣動力系數開展研究，識別了主梁斷面的靜力三分力系數，并分析了主梁截面尺寸和風攻角對靜氣動力系數的影響規律。呂銘泉[3]針對山區某高墩大跨度橋梁，利用CFD數值模擬對不同工況下的風場特征進行了仿真分析，研究了風攻角、主梁高度以及橋梁橫坡等參數對主梁斷面靜力三分力系數的影響規律，同時還展示了各工況下箱梁截面周圍流場的特征。樊書文[4]基于CFD數值模擬研究了風嘴角度及風嘴位置對主梁斷面靜力三分力系數的影響。鄭史雄[5-6]等人通過風洞試驗研究了斜向風作用下倒梯形桁梁橋的靜氣動力參數。鄒明偉[7]將倒梯形桁架主梁斷面簡化為二維等效模型，并利用CFD數值模擬對模型進行了氣動參數識別，參數結果與風洞試驗吻合較好，從而驗證了文中模型簡化原則的合理性。

本文所研究的對象為西部峽谷地區某大跨度中承式拱橋，拱肋采用鋼-混凝土結合拱方案，拱上立柱采用雙柱式框架墩，主梁采用單箱三室預應力混凝土梁，其截面如圖1所示。通過對比CFD數值模擬結果與風洞試驗結果，驗證計算模型簡化的合理性及數值風洞的可靠性，從而為大跨度拱橋的設計與抗風研究提供參考。

圖1 主梁斷面圖(單位：mm)

1 CFD數值模擬

1.1 靜力三分力系數

風荷載產生的本質原因是主梁氣動外形改變了其周圍流場分布特性[8]。在風的作用下，主梁截面會受到三個方向的靜風荷載，包括阻力FH，豎向力FV以及扭矩MT。在主梁截面類似的情況下，該靜風荷載與主梁截面的特征尺寸成比例。為了便于研究，引入無量綱的靜力三分力系數來描述這種特征。在體軸下的靜力三分力系數如式(1)所示：

(1)

式中:ρ為空氣密度；D為主梁斷面的高度；B為主梁斷面的寬度；U為風速；CH為阻力系數；CV為升力系數；CM為升力矩系數。

1.2 計算域與網格劃分

如圖1所示，真實的橋梁結構十分復雜。對于現有的計算條件，要模擬各個細部結構對流場的影響很難實現，因此需要對橋梁結構進行適當的簡化。本文將橋梁表面視為光滑無摩擦的壁面，同時忽略道砟板上鐵軌細部結構、橋上路燈等附屬結構，建立反映主要氣動特性的主梁簡化模型，如圖2所示。

圖2 簡化后的主梁斷面

將主梁斷面如圖2所示簡化之后，以1∶100的幾何縮尺比建立主梁模型并對數值計算域劃分。合理確定數值計算域的大小和邊界條件是CFD數值模擬的重要前提，同時也對計算結果的準確性有著重要影響。結合CFD計算經驗與試算結果，確定如圖3所示的二維計算域。

圖3 流場計算域尺寸與邊界條件示意(單位：mm)

計算域左側邊界為速度入口條件，右側邊界為壓力出口條件，上下邊界設置為對稱邊界條件。主梁截面設置為無滑移固定壁面邊界。結構中心距入口邊界為12 m，距出口邊界為20 m，距上、下邊界均為4 m。

在距結構最近的圓形區域采用非結構化網格，其余區域采用結構化網格，結構表面網格尺寸為1 mm，相鄰網格之間的膨脹率為1.05，主梁斷面附近的網格劃分見圖4。

圖4 主梁斷面周邊網格劃分

1.3 靜力三分力系數的識別

結合工程需要，選取風攻角a的變化范圍為-5 °、-3 °、0 °、+3 °、+5 °。將5種不同風攻角工況下的流場進行劃分，并在有限元分析軟件的Fluent模塊中進行計算。計算參數設置如下，來流速度U=20 m/s，采用SSTk-ω湍流模型，湍流強度0.5 %，湍流粘度比取2。

待計算完成后，提取各工況下主梁斷面的阻力，升力與升力矩。將各參數代入公式(1)即可得到主梁斷面在體軸系下的靜力三分力系數(風軸系下的三分力系數可通過坐標轉換得到)，如圖5所示。

圖5 主梁斷面靜力三分力系數

2 風洞試驗

為了驗證本文所采用計算模型簡化的合理性以及CFD數值模擬的精確性，特地設置一組節段模型風洞試驗，并將試驗值與CFD計算值對比。風洞試驗截面尺寸為2.0 m(高)×2.4 m(寬)的矩形，考慮到風洞尺寸，主梁節段實際尺寸以及試驗要求等因素，該主梁節段模型根據實橋尺寸采用1∶40的幾何縮尺比制作。主梁模型高為76.3 mm、寬為550 mm、對應的主梁實際尺寸高為3.05 m，寬為22 m。懸掛于風洞中的模型見圖6。通過數據采集和分析系統可測出主梁在靜風作用下的阻力、升力和升力矩，進而可得主梁的靜力三分力系數。將試驗結果與CFD計算值進行比較(這里僅比較風軸系下的靜力三分力系數，體軸系同理)，如表1所示。

圖6 主梁風洞試驗模型

表1 主梁靜力三分力系數的CFD計算值與試驗值對比

從表1可以看出，基于CFD數值模擬的結果與風洞試驗結果吻合較好，阻力系數誤差最大值為1.6 %，對應的風攻角為+5 °；升力系數誤差最大值為5.3 %，對應的風攻角為0 °；升力矩系數誤差最大值為5.6 %，對應的風攻角為+5 °，均滿足工程精度需求。對于同一風攻角來說，阻力系數CFD數值 模擬的精度最好，升力系數CFD數值模擬的精度次之，升力矩系數CFD數值模擬的精度較低。

3 結束語

本文分別采用CFD數值模擬與風洞試驗的方法分析了西部峽谷地區某大跨度中承式拱橋的靜力三分力系數，并對比分析了兩種方法的計算結果，可得如下結論：

(1)文中所述的二維簡化計算模型是合理的，基于CFD數值模擬的計算結果與風洞試驗結果吻合良好，滿足工程精度要求，可為橋梁設計及抗風性能分析提供參考。

(2)對于同一風攻角來說，阻力系數的CFD數值模擬精度最好，升力系數的CFD數值模擬精度次之，升力矩系數的CFD數值模擬精度較低。