高墩剛構橋施工期風荷載數值模擬

董康康,閆亞光

（河北工程大學,河北 邯鄲 056000）

0 引言

高墩連續剛構橋通常具有高墩支撐以及橋下空間大的典型特點，所以更易受風場影響，橋梁受風影響所表現出的風場特性也較一般地區橋梁更為強烈。主橋結構周圍受靜風和紊流作用的影響會產生不可忽視的風致響應，甚至會影響到項目施工人員及機具的安全[1]。可能會引起主橋結構施工過程中的穩定性等問題，存在安全隱患，對風場中橋梁結構的穩定性造成破壞。因此在施工前對主橋模型進行風荷載的數值模擬計算是十分必要的，它是后期研究主橋結構各梁塊內力和變形狀況以及掌握結構的最不利位置的前期工作。

1 建立三維流場數值模型

1.1 Gambit中模型的建立

在Gambit中建立韓城河大橋主橋結構的三維數值模型，并構造出大橋計算域，運用非結構化網格進行劃分。鑒于計算量的增大，劃分出的主橋模型所在部分不宜太大，區域過大的直接影響就是所在部分網格數量過大，易引起軟件計算的崩潰[2～4]。橋模型計算域被劃分為9個模塊區域，其中中心區域分為上下兩部分。故主橋模型計算域被劃分為10個模塊區域來進行網格的劃分，如圖1所示。劃分橋梁模型采用1 m的面網格，再用5 m的體網格對橋所在中心區域進行劃分，如圖2中心區域所示。根據劃分出的模塊區域離主橋模型的遠近來決定網格劃分的疏密程度，中心周圍模塊區域的網格劃分依次采用10 m、15 m的網格尺寸[5～8]，如圖2所示。

圖1 主橋模型計算域劃分圖

圖2 主橋模型網格劃分效果圖

1.2 設置模型邊界條件

根據主橋模型所在地形情況在Gambit中進行韓城河大橋主橋結構的建模，并完成其計算域的構建。+X方向為東，-X方向為西，根據韓城河大橋的地形實際情況，設置風速入口方向為+X，風速出口方向為-X。主橋模型邊界條件設置如表1所示。

表1 主橋模型邊界條件

2 不同風攻角下的主橋典型梁塊截面風壓數值模擬

2.1 不同風攻角下主梁各梁塊截面位置示意

設置5種不同的風攻角工況，風攻角由小到大為、-5°、-2°、0°、2°、5°，運用Fluent軟件對5種工況分別進行模擬[9～10]，入口風速設置為23.268 m/s。選取主橋結構最高墩27#墩的主梁結構作為研究對象，27#墩主橋模型施工期最大懸臂示意圖如圖3所示。

圖3 施工期最大懸臂下的主橋結構梁塊示意圖

如圖3所示，韓城河大橋27#墩最大懸臂狀態下箱梁施工標段中主梁懸臂兩端各劃分為15段來進行懸臂掛籃施工。由于1#梁塊和27#橋墩距離很近，橋墩的存在會對1#梁塊周圍風場特性造成一定的影響。選取位于橋墩位置附近的1#典型梁塊作為研究對象。

2.2 不同風攻角下主梁1#梁塊截面風壓分布云圖分析

5種不同風攻角工況下的1#梁塊截面風壓分布云圖如圖4所示。

圖4 根部1#梁塊-5°～5°風攻角風壓云圖

從圖4可看出主橋模型1#根部梁塊迎風側承受著正壓力，其余各面均承受負壓力，所有風攻角工況圖中橋墩位置都有很大的負壓，可能是橋墩對其附近風場產生的阻礙作用，橋墩附近位置出現很多流場漩渦，懸臂根部梁塊周圍承受范圍不小的負壓。其中風攻角為-5°時根部梁塊周圍壓強場最強，最小壓強為-547.332 9 Pa，最大壓強為471.274 5 Pa。所有風攻角工況圖中右上角主梁梁塊翼緣、梁塊截面底板右下方位置以及根部梁塊背風面由于流場的回旋作用而承受很大的吸力；由-5°～5°不同風攻角的壓力分布云圖可看出，1#根部梁塊的上方區域呈現負壓區，隨著風攻角由負向正的增大1#根部梁塊上方負壓區面積和壓力值都在逐漸減小，5°風攻角時，1#根部梁塊上方負壓區面積減小，負壓強值為-464.362 7 Pa，正壓強值為351.517 6 Pa。隨著風攻角由負到正的不斷變化，根部梁塊迎風面的正壓區的面積和壓強值都在不斷減小。

3 結論

綜上所述，選取的主梁模型典型梁塊1#梁塊截面迎風側均承受正壓力，上下方區域與背風側均承受負壓。尤其是梁塊下方區域出現類似橋墩形狀的負壓區，原因是橋墩對風場的阻礙而出現繞流現象，導致橋墩表面周圍附近出現負壓。隨著梁塊截面上風攻角由負向正的增大，梁塊負壓區的區域面積總是減小；隨著風攻角由負向正的增大，梁塊周圍正壓區面積逐漸增大；27#橋墩會對懸臂根部1#梁塊截面周圍的風場造成一定的影響，從而導致梁塊周圍正壓區與負壓區均增大。