不规则截面双柱式桥塔抗风性能研究.pdf

年月第 卷 第期河北水利电力学院学报 文章编号：（）不规则截面双柱式桥塔抗风性能研究陈振华，向活跃，郭玉佳（河北水利电力学院 土木工程系，河北省沧州市黄河西路 号 ；西南交通大学 土木工程学院，四川省成都市二环路北一段 号 ）摘要：以实际工程为研究背景，采用 数值模拟方法分析了串列不规则截面桥塔的抗风性能。在不同风向角或间距比条件下，计算并对比了单个塔柱和双塔柱的气动力系数和斯托罗哈数，分析了双塔柱周围流场的时均压力和时均旋涡流线情况。结果表明：两个塔柱的阻力系数和斯托罗哈数相比单个塔柱均发生不同程度的降低。随着风向角的增大，单个塔柱和上游塔柱的阻力系数为降低趋势，而下游塔柱为上升趋势。斯托罗哈数对风向角和间距比的变化并不敏感。随着间距比增大，上游塔柱的阻力系数增大，逐渐接近单个塔柱。在间距比为时，两个塔柱的阻力系数发生较大变化，斯托罗哈数达到最小值，此时两柱之间的大旋涡破裂，同时在两塔柱附近出现独立的旋涡。关键词：；桥塔；气动力系数；斯托罗哈数中图分类号：；文献标识码：随着桥梁跨度越来越大，桥塔也在不断增高，其风致振动问题也更为突出。对于大跨度斜拉桥和悬索桥而言，双柱式桥塔是十分常见的结构形式。与单柱式桥塔相比，双柱式桥塔的周围流场更为复杂。在横桥向来流风作用下，下游塔柱处于上游塔柱的尾流范围内，其气动特性和动力响应相比单个塔柱有着明显差异，并且下游塔柱的存在也会改变上游塔柱的抗风性能。所以，研究串列双塔柱的抗风性能在实际工程中具有重要意义。相邻结构之间的气动相互作用在土木、航空等工程领域十分常见，国内外已经有一些学者对其进行了研究。当多个结构在流场中密集分布时，结构之间的气动干扰会很大程度上影响卡门旋涡脱落。并列排布的两个物体就是典型的气动干扰问题，并列圆柱之间周期性的旋涡脱落会改变单个圆柱的原始旋涡脱落情况。而对于串联物体，他们的气动特性会直接受到彼此的影响。将串列双圆柱之间的各种干扰类型分为接近干扰、尾迹干扰和重叠区域。等观察到圆柱间距在区间内，作用在下游柱体上的气动力均大于上游柱体。当两柱体自由振动时，它们的尾迹干扰复杂，振动响应与独立圆柱有明显差异。等采用数值分析方法研究了串列双圆柱的振动响应，发现上游圆柱尾流明显导致下游圆柱振动幅值增大。当两柱间距足够长时，典型的涡激振动出现在上游柱体。杜晓庆等采用大涡模拟（）方法，研究了串列双圆柱的表面风压分布、气动力系数和斯托罗哈数等与流场之间的内在关系，揭示了双圆柱之间的气动干扰机理。刘小兵等通过刚性模型测压风洞试验，研究了不同数量和间距下串列多圆柱气动力的干扰效应，研究发现串列多圆柱发生流态切换的临界间距比为 。等指出下游柱体存在明显涡激振动，这取决于两个柱体的间距。针对方柱、桥塔等钝体结构的气动干扰效应，一些学者也开展了相关研究。李胜利等通过 数值模拟，研究了串列矩形、倒直角、倒内凹圆弧和倒外凸圆弧等种断面钝体的气动干扰效应。唐浩俊等研究发现不同的间距比将显著改变串列圆角方柱气动特性，其临界间距比约为。张志杰等 研究发现串列六边形截面桥塔也存在明显的气动干扰效应。收稿日期：修回日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）第一作者简介：陈振华（），男，河北石家庄人，助教，在读博士，主要从事桥梁风工程研究。：通讯作者简介：向活跃（），男，四川成都人，副教授，博士，主要从事车桥耦合振动和桥梁风工程研究。：以上研究的分析对象大多是典型的圆形、矩形或者类似矩形结构。在实际的桥梁工程中，桥塔断面较为复杂。工程中的具体问题不能简单的参考已有的研究成果。面向实际工程，有必要对串列不规则形状塔柱的抗风性能展开深入研究。以实际工程中的一座双柱式桥塔为研究对象，分别取单个塔柱和串列双塔柱进行数值分析。在不同风向角或间距比条件下，对比了单个塔柱和串列双塔柱的气动力系数、斯托罗哈数。结合不同间距比下双塔柱附近流场的时均压力、时均速度流线变化情况，进一步研究了双塔柱的气动干扰效应。分析方法 计算模型以某大跨度悬索桥的双柱式桥塔为研究对象，桥塔的外轮廓为不规则多边形截面。随着桥塔高度的增加，截面高度不变，宽度不断减小，两柱间距也不断减小。将具有代表性的桥塔高度处的截面作为计算截面，如图所示。改变风向角和两个塔柱的间距，研究实际工程中单柱和串列双塔柱的抗风性能。图桥塔截面（单位：）（：）采用计算流体动力学软件 对桥塔截面进行数值模拟。模型缩尺比为：，计算模型的高度犎 ，宽度犫 。如图所示，计算域为长方形，上下边界的间距犇 犫，以保证阻塞率小于的要求。迎风侧边界与截面形心的距离犔 犫，背风侧边界与截面形心的距离犔 犫。采用放射性结构化网格进行网格划分，近壁面网格足够小，以满足计算精度。随着与壁面距离的增大，网格也逐渐稀疏，以兼顾计算效率，如图所示。计算域的边界条件设置为：迎风侧设为速度入口，风速犞，背风侧为压力出口，上下边界为对称边界条件。塔柱表面设置为无滑移壁面。采用 犽 湍流模型。选用 算法解决速度和压力的耦合方程组。采用非定常计算，时间步长狋 。单个塔柱和串列双塔柱的数值模拟参数保持一致。图计算模型和计算域示意图 图双塔柱附近的网格划分 气动力系数及斯托罗哈数气动力系数是描述结构所受静风荷载的无量纲参数，阻力系数和升力系数可以定义为公式（）和（）。犆犉犝犃（）犆犉犝犃（）式中，犆和犆分别为结构的阻力系数和升力系数；犉和犉为结构的阻力和升力；为空气密度；犝为来流风速；犃代表结构的迎风面积。涡激振动是大跨桥梁在低风速下发生的一种限幅振动，其与结构附近流场的周期性旋涡脱落有关。旋涡脱落频率可以用无量纲参数（斯托罗哈数）来表示，斯托罗哈数可以定义为公式（）。犛犳 犇犝（）式中，犳为旋涡脱落频率；犇为垂直来流方向结构的特征尺寸；犝为来流风速。第期陈振华等：不规则截面双柱式桥塔抗风性能研究 分析方法验证为了验证本文数值方法的可行性，首先计算 和 风向角下正方形截面（）的阻力系数和升力系数。表为本文的计算结果与相关文献的对比。从表可以看出，计算结果与其他文献相近，因此本文的计算方法是可靠的。表方柱计算结果对比 系数（）本文试验 试验 模拟 犆犆 单个桥塔的抗风性能图为不同风向角下单个桥塔截面的阻力系数和升力系数。从图可以看出，正攻角下，随着风向角的增大，升力和阻力系数均为降低趋势。在 风向角范围内，气动力系数相对平稳。在 风向角范围内，气动力系数明显降低。由于升力系数为负数，其绝对值随风向角的增大表现为增大趋势。在 风向角范围内，气动力系数又趋于平缓。图和图列出了，和 风向角下升力系数时程的频谱分析结果和瞬时涡量图。从图和图可以看出，所有风向角下塔柱尾流中均有明显的旋涡脱落现象，频谱分析的卓越频率即为旋涡脱落频率。在频谱分析振幅最大位置处，无量纲频率也就是相应的斯托罗哈数，计算结果如表所示。图不同风向角的阻力系数和升力系数 （）（）（）图升力系数频谱分析 （）（）（）图不同风向角的瞬时涡量图 河北水利电力学院学报 从表可以看出，在 风向角之间，单个塔柱的斯托罗哈数基本稳定在 之间。在 风向角下，斯托罗哈数为 。在 风向角范围内，斯托罗哈数有轻微减小，在 风向角下达到最小值 ，此时涡振风速较高。在 风向角范围内，斯托罗哈数增大，在 风向角达到最大值 ，相应的涡振风速有所降低。表不同风向角下单个塔柱的斯托罗哈数 （）犛 双塔柱的抗风性能 风向角的影响固定间距比犱犫为不变，改变风向角的大小，研究风向角变化对两个塔柱抗风性能的影响。图为 风向角下两个塔柱的阻力系数。从图可以看出，上游塔柱的阻力系数随着风向角的增大呈现下降趋势，这和单个塔柱的规律是基本一致的。下游塔柱的阻力系数随着风向角的增大呈现增大趋势。上游塔柱的阻力系数相比单个塔柱有所降低。由于下游塔柱处于上游塔柱的尾流区域内，其 阻 力 系 数 明 显 小于 单 个 塔柱，且有 可 能 是负值。图不同风向角下双塔柱的阻力系数 表为不同风向角下两个塔柱的斯托罗哈数。从表可以看出，除 风向角有微小差别外，上游塔柱和下游塔柱的斯托罗哈数基本相同，其随风向角的变化规律与单个塔柱基本一致。在所有风向角下，两个塔柱的斯托罗哈数在整体上均小于单个塔柱，其涡振风速有一定的提高。表不同风向角下两个塔柱的斯托罗哈数 （）犛（上游柱）犛（下游柱）间距比的影响固定风向角为 不变，改变两个塔柱的间距比，研究间距比变化对两个塔柱抗风性能的影响。图为不同间距比下两个塔柱的阻力系数。由图可知，上游塔柱和下游塔柱的阻力系数呈现不同的变化规律。间距比小于时，上游塔柱的阻力系数明显小于单个塔柱，其数值随着间距比增大而迅速增加；下游塔柱的阻力系数值随着间距比增大而由负变正。两柱间距比大于时，上游塔柱的阻力系数逐渐接近单个塔柱；下游塔柱的阻力系数一直为负值，且随着间距比的增大，其绝对值先增大后减小。表为不同间距比下两个塔柱的斯托罗哈数。从表可以看出，上游塔柱和下游塔柱的斯托罗哈数相差很小，且对间距比变化并不敏感。在间距比为时，两个塔柱的斯托罗哈数有所降低，在间图不同间距比下两个塔柱的阻力系数 距比为时斯托罗哈数达到最小值 。在间距比大于时，两个塔柱的斯托罗哈数逐渐升高到 ，略低于单个塔柱的情况。从斯托罗哈数的角第期陈振华等：不规则截面双柱式桥塔抗风性能研究度来看，双塔柱的涡振性能要强于单个塔柱。在间距比为时，双塔柱的涡振性能最佳。表不同间距比下两个塔柱的斯托罗哈数 犱犫 犛（上游柱）犛（下游柱）图为不同间距比下双塔柱的时均压力云图，时均速度流线也在图中有所展示。可以看出，下游塔柱均完全处于上游塔柱的尾流区间内。由于上游塔柱尾流的影响，下游塔柱的流场与单个塔柱差别很大，下游塔柱表面均为负压，导致其阻力系数有可能为负值。间距比为时，从时均流线上可以看出两柱之间有一对停滞的大旋涡，在上游塔柱的上下表面和下游塔柱的背风侧也分别有一对旋涡。间距比为时，两柱之间的大旋涡破裂，在上游塔柱背风侧和下游塔柱迎风侧形成了独立的旋涡。与此同时，上游塔柱背风侧的负压绝对值明显变大，导致上游塔柱阻力系数也迅速增大。下游塔柱背风侧的旋涡充满整个背风侧表面且狭长，这可能是导致下游塔柱的阻力系数升高的原因。大旋涡的破裂和新旋涡的形成直接改变了旋涡脱落频率，导致斯托罗哈数在此时最小。间距比大于时，随着间距比的增大，两柱背风侧旋涡均在减小，下游塔柱迎风侧旋涡在逐渐增大。（）犱犫（）犱犫（）犱犫（）犱犫 图不同间距比的时均压力云图 结论）对于单个桥塔而言，随着风向角的增大，升力系数和阻力系数均呈现降低趋势。斯托罗哈数随风向角的变化基本稳定，在 风向角下涡振性能最佳。）相较单个塔柱，两个塔柱的阻力系数均发生不同程度的降低。随着风向角的增大，上游塔柱的阻力系数呈现下降趋势，而下游塔柱呈现上升趋势。上游和下游塔柱的斯托罗哈数基本相同，且均小于单个塔柱的情况，说明双塔柱的涡振性能较好。）上游塔柱的阻力系数随着间距比增大而增大，并且逐渐接近单个塔柱；下游塔柱的阻力系数较小，多数情况下为负值。双塔柱的斯托罗哈数对间河北水利电力学院学报 距比变化不敏感。在间距比为时，斯托罗哈数最小，两个塔柱的涡振性能最佳。间距比较小时，两柱之间有一对停滞的大旋涡。随着间距比的增加，两柱之间的大旋涡破裂为上游塔柱背风侧和下游塔柱迎风侧的较小旋涡，下游塔柱背风侧的旋涡也变得狭长。参考文献 ，（）：，（）：，（）：，（）：杜晓庆，施春林，孙雅慧，等高雷诺数下串列圆柱尾流致涡激振动的机理研究振动工程学报，（）：刘小兵，吴倩云，姜会民，等串列多圆柱气动力干扰效应的试验研究振动与冲击，（）：，（）：李胜利，路毓，王东炜串列钝体三分力系数气动干扰效应数值模拟公路交通科技，（）：唐浩俊，李永乐，胡朋串列双塔柱风荷载及涡振性能研究工程力学，（）：张志杰，李永乐，向活跃，等串列六边形截面桥塔气动干扰效应研究铁道标准设计，（）：，（）：刘小兵，吴倩云，孙亚松不同风向角下方柱气动特性的风洞试验研究建筑结构，（）：犛 狋 狌 犱 狔狅 狀犠 犻 狀 犱犚 犲 狊 犻 狊 狋 犪 狀 犮 犲狅 犳犇 狅 狌 犫 犾 犲犆 狅 犾 狌 犿 狀犅 狉 犻 犱 犵 犲犜 狅 狑 犲 狉狑 犻 狋 犺犐 狉 狉 犲 犵 狌 犾 犪 狉犛 犲 犮 狋 犻 狅 狀 ，（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔 狑 狅 狉 犱 狊：；（责任编辑：孙刚）第期陈振华等：不规则截面双柱式桥塔抗风性能研究