基于CFD對某大跨斜拉橋靜力三分力系數研究*

孫開旗 肖玉德

安徽交通職業技術學院 安徽 合肥 230051

引言

隨著橋梁跨徑的增大，使結構變得更輕柔，橋梁結構對風荷載的敏感性也隨之增加，歷史上發生過最著名的橋梁風毀事件——美國塔柯馬懸索橋風毀事故，建成后僅4個月在8級大風的作用下發生了強烈的風致振動，造成橋梁的風毀[1]。目前研究橋梁抗風問題的主要手段是風洞試驗，但該試驗周期長，而且需要消耗大量的人力和物力，風洞試驗無法得到大力推廣。隨著計算機技術的發展，計算流體力學(CFD)在橋梁風工程中已經得到廣泛的應用，CFD技術是通過計算機數值計算和圖像顯示，對包含有流體流動和熱傳導等相關物理現象系統所做的分析，模擬氣流經過橋梁結構時結構周圍的流場分布情況，該方法成本低，速度快，具有模擬真實和理想條件的能力。隨著越來越多橫跨江河甚至海峽的大跨度橋梁的出現，應用CFD方法研究橋梁氣動性能并應用其指導設計施工成為必然趨勢[2]。

本文基于計算流體力學，用CFD軟件對某斜拉橋雙邊箱梁截面進行靜態繞流模擬，求出不同風攻角下的三分力系數，以期對雙邊箱梁截面橋梁抗風研究做出貢獻。

1 靜力三分力系數

由平均風作用引起的靜荷載稱為靜力風荷載。在橫橋向風作用下，對主梁可以用靜力三分力表示，相應的氣動力系數在風軸上稱為阻力系數﹑升力系數和扭轉力矩系數[3]。

2 工程實例

2.1 基本概況

本文以某斜拉橋（見圖1）為研究背景，主橋跨徑布置(150+320+150)m，全長620m，為雙塔三跨雙索面半漂浮體系斜拉橋，主塔采用雙“子”式混凝土橋塔，過渡墩采用柱式橋墩。主塔下部采用啞鈴式方形承臺及群樁基礎，過渡墩下部采用啞鈴式矩形整體式承臺及群樁基礎。主梁采用預應力混凝土雙邊箱梁，主梁中心處梁高3.2m，頂面寬31.0m，底面寬31.2m（見圖2）。

圖1 立面布置圖

圖2 主梁橫斷面圖

2.2 計算域與網格劃分

計算模型的尺寸采用實際尺寸。經參考相關文獻和數次嘗試，計算域確定為：模型中心至速度入口距離為6B，至上下邊界的距離為8B，至壓力出口的距離為20B，主梁斷面計算域布置如圖3所示。

圖3 主梁斷面計算域布置圖

網格劃分是CFD軟件數值模擬中非常重要的一環，為使計算網格能適應流場特征量變化，流場特征量梯度較大處網格應加密，而特征量梯度較小處網格可適當稀疏，兩者之間網格尺寸應均勻過渡。網格劃分如圖4所示。

圖4 網格劃分圖

2.3 計算工況

考慮風攻角為：-12°﹑-10°﹑-8°﹑-6°﹑-4°﹑-2°﹑0°﹑+2°﹑+4°﹑+6°﹑+8°﹑+10°﹑+12°，共13個攻角變化工況。

3 數值模擬結果

指定入口來流速度為20m/s，取1.225kg/m3，湍流模型采用SST通過數值模擬，得到不同攻角下的三分力系數如表1所示。

表1 不同攻角下三分力系數

通過對本橋雙邊箱梁不同攻角下三分力系數數值模擬結果，可以得出：

阻力系數 從負攻角到正攻角開始呈逐漸減小趨勢，在0°附近為最小，而后逐漸增大，在+12°攻角時達到最大值；升力系數 從負攻角到正攻角整體呈逐漸增大趨勢，且在負攻角范圍內數值變化不大，而從正攻角開始數值增速較大，從+8°攻角開始數值變化較平緩；扭轉力矩系數 從負攻角到正攻角整體呈下降趨勢，變化較平緩，在負攻角范圍內為正值，而在正攻角范圍內為負值。

4 結束語

本文對某斜拉橋雙邊箱梁進行了數值模擬分析，得到該截面在不同攻角下三分力系數，以期對雙邊箱梁截面橋梁抗風研究提供一定參考作用。通過對比不同攻角下的三分力系數，得出以下結論：

阻力系數 從負攻角到正攻角開始呈逐漸減小趨勢，在0°附近為最小，而后逐漸增大，在+12°攻角時達到最大值；升力系數 從負攻角到正攻角整體呈逐漸增大趨勢，且在負攻角范圍內數值變化不大，而從正攻角開始數值增速較大，從+8°攻角開始數值變化較平緩；扭轉力矩系數 從負攻角到正攻角整體呈下降趨勢，變化較平緩，在負攻角范圍內為正值，而在正攻角范圍內為負值。

本文考慮風攻角取±12°﹑±10°﹑±8°﹑±6°﹑±4°﹑±2°﹑0°，豐富了《公路橋梁抗風設計規范》中主梁的靜氣動力系數宜選用風攻角-3°~+3°范圍內的最不利值的情況。

后續展望：考慮橋面車輛影響的主梁靜三分力系數，通過對比，得出有益結論，為橋梁設計﹑施工提供一定借鑒作用。