風攻角對某大跨斜拉橋氣動系數影響研究

孫開旗，肖玉德

（安徽交通職業技術學院，安徽 合肥 230051）

0 引言

靜三分力系數是在橋梁抗風領域中最基本的無量綱氣動參數，用于表征橋梁風荷載，是橋梁靜風荷載馳振響應分析、抖振響應分析和穩定性分析的基礎。

本文以計算流體力學為基礎，用相關軟件對斜拉橋主梁截面周圍的靜力流動進行了數值模擬，研究風在不同攻角下對靜三分力系數和Storohar 的影響，得出風攻角對本橋主梁氣動特性的影響規律，進而對實際工程起到指導、借鑒作用[1]。

1 氣動系數

1.1 靜風三分力系數

靜風三分力和靜風三分法力系數表示如式（1）至式（3）所示。

式 中：FD——阻 力；FL——升 力；MT——扭 轉 力 矩；CD——阻力系數；CL——升力系數；CM——扭轉力矩系數；ρ——空氣密度；U——來流風速；D——主梁特征高度；B——主梁特征寬度。

1.2 Storohar 數

流體流過橋梁結構后通常會產生旋渦脫落現象，這是引起橋梁結構渦激振動的主要原因。Storohar 數計算如式（4）所示。

式中：St——Storohar 數；f——渦脫頻率；H——結構特征尺度（橋梁截面高度）；U——來流速度。

2 工程實例

2.1 基本概況

本文以某斜拉橋為研究背景，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。主梁中心處梁高3.2m，頂面寬31.0m，底面寬31.2m。本文研究風攻角對橫隔梁處斷面氣動系數影響。

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：主梁中心至速度入口距離為6B，至上、下對稱邊界的距離為8B，至壓力出口的距離為20B，其中B 為橋梁寬度值，主梁模擬區域計布置如圖1 所示。

圖1 主梁模擬區域布置

網格生成是CFD 軟件數值模擬的重要組成部分。為了使計算網格適應流場特征量的變化，需要對流場特征量梯度大的網格進行加密，而特征量梯度小的網格可以適當稀疏，兩者之間的網格大小應均勻[2]。網格劃分如圖2 所示。

圖2 網格劃分

2.3 計算工況

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

3 風攻角對靜力三分力系數影響

3.1 數值模擬結果

指定入口來流速度為20m/s，ρ 取1.225kg/m3，湍流模型采用SST k-ω。通過數值模擬，得到不同攻角下的三分力系數，如圖3、表1 所示。

表1 不同攻角下三分力系數

圖3 不同風攻角下三分力系數

通過數值模擬可以得出。

阻力系數CD從風攻角-12°向0°基本呈逐漸減小趨勢，而從風攻角0°向+12°呈逐漸增大趨勢；風攻角0°時為最小值0.024，風攻角-12°時為最大值0.519。

升力系數CL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為負值，正攻角范圍內為正值，風攻角+8°后數值變化較平緩。

扭轉力矩系數CM從負攻角到正攻角整體基本呈平緩下降趨勢，數值在0 附近波動；在負攻角范圍內為正值，而在正攻角范圍內為負值。

3.2 規范建議取值

《公路橋梁抗風設計規范》5.3.2 條對部分形式的主梁斷面阻力系數給出了式（5）。

本文橋梁斷面阻力系數按照規范建議取值為1.3，與數值模擬值差距較大，主要是因為本文橋梁斷面與規范中箱梁斷面有區別且規范中未考慮來流風攻角的情況，數值模擬與規范建議結果存在一定的差異，因此對實際較復雜斷面，應采用風洞試驗或者數值模擬進行分析確定靜三分力系數[3]。

4 風攻角對Storohar 數影響

通過對升力系數時程曲線進行FFT 變換，得到渦脫頻率f，再代入式（4）求出St，結果如表2、圖4 所示。

由表2 及圖4 可知，風攻角-10°和-6°時升力系數頻譜圖卓越頻率不明顯；風攻角-8°～+6°范圍內Storohar 數變化不大，在0.4 附近波動；隨著風攻角的增大，Storohar 數也變大[4]。

表2 不同攻角下Storohar 數

圖4 不同風攻角下Storohar 數

5 結語

本文對某斜拉橋主梁截面周圍的靜力流動進行了數值模擬，通過分析風在不同攻角下對靜三分力系數和Storohar 數的影響，得出以下結論：

（1）阻力系數從風攻角-12°向0°基本呈逐漸減小趨勢，而從風攻角0°向+12°呈逐漸增大趨勢；風攻角0°時為最小值0.024，風攻角-12°時為最大值0.519。

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為負值，正攻角范圍內為正值，風攻角+8°后數值變化較平緩。

扭轉力矩系數從負攻角到正攻角整體基本呈平緩下降趨勢，數值在0 附近波動；在負攻角范圍內為正值，而在正攻角范圍內為負值。

（2）對實際較復雜斷面，應采用風洞試驗或者數值模擬進行分析確定靜三分力系數。

（3）風攻角-10°和-6°時升力系數頻譜圖卓越頻率不明顯；風攻角-8°～+6°范圍內Storohar 數變化不大，在0.4 附近波動；隨著風攻角的增大，Storohar 數也變大。