双边钢箱钢-混组合梁静力三分力系数分析.pdf

总第 期交通科技 第期 收稿日期：第一作者：陈星灿（），男，硕士生。通信作者：陈建兵（），男，教授。国家自然科学基金项目（）资助双边钢箱钢混组合梁静力三分力系数分析陈星灿陈建兵王东伟刘晨光（苏州科技大学土木工程学院苏州 ；中交一公局第二工程有限公司苏州 ）摘要抗风性能是桥梁设计中的要点，主梁断面静力三分力系数分析是斜拉桥抗风研究的基础，但未见双边钢箱钢混组合梁断面的相关研究。文中基于计算流体动力学（）技术，对某黄河特大桥主梁断面静力三分力系数开展研究，分析 模拟时不同网格精度对静力三分力系数的影响。结果表明，采用 技术可有效识别斜拉桥的主梁静力三分力系数；仅改变网格精度，三分力系数变化不明显，阻力系数呈现变小态势，升力系数和扭矩系数呈现变大态势，但计算效率大幅降低。关键词桥梁工程大跨度斜拉桥数值模拟静力三分力系数 中图分类号 由于跨径、截面高度、材料等方面的改变，桥梁结构越来越轻柔，研究其抗风性能越来越重要。为得到抗风分析的基础，对典型斜拉桥断面开展静力三分力系数研究。理论研究、现场实测、风洞试验及数值模拟是当前桥梁抗风研究的种主流方法，而计算流体动力学（）数值模拟相对于其他种方法有着诸多优势，如所耗时间短、所需费用低，以及流场可视化等特点。瞿伟廉等用 方法，对不同攻角下的扁平单箱梁模型进行了三分力系数的数值模拟，将模拟结果与风洞试验值进行对比，验证了采用 技术模拟桥梁三分力系数方法的可行性与可靠性。欧阳毅羲利用 软件试算得出最佳网格划分情况和雷诺数，进而计算得到主梁断面的三分力系数。郭树彬通过建立 数值分析模型，对波形钢腹板桁架混凝土板组合梁的抗风性能进行研究，发现 公路桥梁抗风设计规范 建议的气动三分力系数取值偏于保守。汪家继等通过 数值模拟，发现雷诺数效应和开槽宽度对静力三分力系数存在一定的影响，且对阻力系数的影响大于升力系数与升力矩系数；而来流湍流强度对三分力系数影响均不明显。王旭等基于计算流体力学（）方法，在二维和三维风场环境中，分别计算了同一桥梁断面的三分力系数，结果表明，三维的计算结果更加接近试验值。谭红霞等采用 软件，得到了某大桥拱肋断面和主梁断面的静力三分力系数，并与准确实验数据进行了比较，证明了数值模拟计算结果的准确性。樊书文等采用数值模拟的方法，分析风嘴形状因素对桥梁断面三分力系数的影响。李薇等 采用计算流体力学（）软件的种不同的湍流模型对流线形桥梁断面的三分力系数随雷诺数的变化进行数值模拟分析，并将分析所得结果与高雷诺数风洞试验数据进行对比，发现宜采用标准犽 模型对三分力系数进行数值模拟计算。虽然诸多学者对许多形式的主梁断面展开相关研究，但是对双边钢箱钢混组合梁的静力三分力系数的研究未见报道。本文以某黄河特大桥双边钢箱钢混组合梁斜拉桥为背景，通过 软件中的 建立二维模型，模拟得到主梁在风攻角为，下的静力三分力系数。再改变模拟时的网格精度，进行对比分析，得到网格精度对模拟准确度的影响规律，以期对该类型的主梁断面进行三分力系数研究分析提供相关参考。静力三分力系数 静风荷载的形成在理想条件下，位于流场中的桥梁断面可被视为流场中一个位置固定的刚体。当来流经过时，由于刚体的存在，使来流产生绕流现象，从而改变流线分布。由式（）伯努利方程可知犝狆常数（）式中：为空气密度；犝为来流速度；狆为压强。由式（）可知，桥梁断面表面来流速度慢的地方，压强狆大，桥梁断面表面来流速度快的地方，压强狆小，从而导致表面产生压强差，对桥梁断面上、下表面压强差的面积分，即主梁所受的升力荷载，桥梁断面前后表面的压强差的面积分，即主梁所受的阻力荷载；升力荷载与阻力荷载均可通过风洞试验得到。因为主梁断面的形心与升力荷载、阻力荷载的合力作用点通常不在同一位置，导致合力对主梁形心产生扭矩。这就是通常所说的三分力。静力三分力系数升力荷载、阻力荷载、扭矩为静风荷载的个分量。三 分 力 通 常 有 体 轴 和 风 轴种 表 达 方式 。在平均风速为犝的紊流风场中，桥梁断面所受静力三分力按照桥梁断面本身的体轴坐标分解图见图，其中来流风速犞的方向与断面的夹角称为风攻角。图体轴三分力图中，犉、犉、犕即为桥梁断面单位展长所受静风阻力、静风升力和静风扭矩，其具体表达式如式（）（）。犉犝犇 犆（）犉犝犅 犆（）犕犝犅犆（）风轴坐标系下的三分力分解图见图。图风轴三分力图中，犉、犉、犕即为桥梁断面单位展长所受静风升力、静风阻力和静风扭矩，其具体表达示为犉犝犅 犆（）犉犝犇 犆（）犕犝犅犆（）式中：为空气密度，取 ；犝为紊流风场平均风速，；犝为来流动压；犇、犅分别为截面的高度和宽度，；犆、犆、犆为主梁在体轴坐标系下的三分力系数。犆、犆、犆为主梁在风轴坐标系下的三分力系数。风轴和体轴之间可通过式（）、（）进行转换：犆犆 犇犅犆 （）犆犆 犆 犅犇（）工程背景沾临黄河特大桥是一座双边钢箱钢混组合梁斜拉桥，跨径布置图见图。主梁采用双边钢箱钢混组合梁，桥面宽，含检修道宽，主梁标准断面图见图，桥塔采用门形钢筋混凝土塔，主桥采用塔墩固结、塔梁分离的半漂浮体系，主梁与桥塔下横梁间设置支座；斜拉索呈扇形分布，斜拉索塔上索距为 ，梁上索距为。图斜拉桥总体布置图（单位：）图主梁标准断面图（单位：）主梁断面静力三分力系数模拟本文应用 软件完成三分力的数值模拟计算。首先，主梁断面二维几何模型，主梁三分力模型见图。图主梁三分力模型 年第期陈星灿等：双边钢箱钢混组合梁静力三分力系数分析进行数值模拟的第一步就是进行计算区域的选择，计算区域选择不合适，就会出现计算精度下降、网格大幅增加使计算效率大幅下降等问题。众多学者研究之后得出结论，计算域的阻塞度应满足小于的要求。满足阻塞度要求是计算域选取的重中之重，而模型在流场中的位置选择也至关重要。为满足湍流流经断面时发展完全、网格划分数量适中等要求，确保计算准确度和提高计算效率，入口位置和出口位置距离模型不宜太近，但入口位置和出口位置距离模型亦不宜太远。结合桥梁结构形式及尺寸，本文采用矩形风场，风场大小为 ，其中，结构迎风侧距离入口，结构背风侧距离出口 ，结构的上、下两侧距离计算域的上、下边界，计算域图见图。图计算域边界设置：）入口边界采用速度入口，风速犞 。）出口边界采用压力出口。）壁面上、下边界采用自由滑移壁面，主梁断面采用无滑移壁面。）湍流模型采用犽 湍流模型，湍流强度为，湍流黏性系数取；空气密度 。设置边界条件及网格划分结果见图。图网格划分在数值模拟过程中，采取迭代的方式对非线性方程组进行求解。使用 软件进行模拟时，采用稳态方法进行迭代计算，收敛准则采取默认设置，当所有无量纲参数均方差残差皆低于，进出口流量差满足要求；随着计算时间的增加，所监测的阻力、升力、扭矩值均逐渐趋于稳定，当监测值稳定时，软件停止迭代计算。根据上述方法，计算该桥梁结构主梁在风速为，风攻角分别为，时的静力三分力系数，模拟得到的静力三分力系数结果见表。表表静力三分力系数风攻角（）阻力系数犆升力系数犆扭矩系数犆 为清晰展现三分力系数与风攻角的规律，绘制模拟所得的静力三分力系数与风攻角的关系曲线坐标图见图图。图阻力系数图升力系数图 扭矩系数图 三分力系数陈星灿等：双边钢箱钢混组合梁静力三分力系数分析 年第期由图图 可知，主梁阻力系数在 间呈以 风攻角为对称轴的对称规律，由于主梁断面迎风面积在 攻角时最小，阻力系数值达到最小；升力系数随攻角的变化逐渐增大，呈以 风攻角为中心的中心对称规律；扭矩系数与升力系数一样呈现中心对称规律，但扭矩系数数值变化不明显，而且保持很小。为直观展示主梁断面周围流场分布，输出 风攻角时的风压分布图见图，风速分布图见图。图 风压分布图图 风速矢量图不同网格下精度差距为得到不同网格精度对计算结果及计算效率的影响规律，分别采用 ，为单位对跨中箱梁断面的计算域进行划分，并进行对比分析。在仅改变网格精度，计算域及边界条件不变的情况下，计算该桥梁结 构主 梁在，共种风攻角、风速下的三分力系数，并与上文计算得到的三分力系数进行比较，对比结果见图 图。图 阻力系数对比图 升力系数对比图 扭矩系数对比由图 图 三分力系数随攻角变化曲线图可知，在改变网格精度的情况下，阻力系数呈变小的态势，升力系数和扭矩系数呈变大的态势，且三分力系数与风攻角的变化规律不变，阻力系数在 间呈以 风攻角为对称轴的对称规律，升力系数和扭矩系数呈以 风攻角为中心的中心对称规律。但随着网格精度的提高，软件计算时间大大加长，且不与精度提升倍数相等。结语本文以沾临黄河特大桥为工程背景，对双边钢箱钢混组合梁斜拉桥主要截面进行了三分力系数的分析，得出以下结论。）双边钢箱钢混组合梁三分力系数的变化规律为：阻力系数在 间呈现以 风攻角为对称轴的对称规律，在 攻角时阻力系数数值最小，升力系数与扭矩系数都与攻角的变化呈正相关，数值随攻角的增大而增大，但扭矩系数始终很小。）通过 软件可有效模拟得到梁断面的三分力系数较为准确的结果。）在模拟过程中仅改变网格精度，三分力系数计算结果变化不大，阻力系数呈变小态势，升力系数和扭矩系数呈变大态势，但计算效率大幅降低。参考文献王勤傲大跨度斜拉桥风致振动响应分析广 年第期陈星灿等：双边钢箱钢混组合梁静力三分力系数分析州：华南理工大学，高宇琦，王浩，徐梓栋大跨度高铁连续梁桥箱梁断面静力三分力系数的数值模拟南京工业大学学报（自然科学版），（）：瞿伟廉，刘琳娜基于 的桥梁三分力系数识别的数值研究武汉理工大学学报，（）：欧阳毅羲基于 的泸州河东长江大桥抗风性能研究重庆：重庆交通大学，郭树彬波形钢腹板桁架混凝土板组合梁静力三分力系数分析建筑结构，（）：汪家继，樊健生，聂建国大跨度桥梁箱梁的三分力系数识别研究工程力学，（）：王旭，袁波，陈红鸟，等三维风场下的不同桥梁断面形式的气动特性数值分析应用力学学 报，（）：，谭红霞，陈政清 在桥梁断面静力三分力系数计算中的应用工程力学，（）：樊书文，李永乐风嘴形式对桥梁断面三分力系数影响的数值模拟四川建筑，（）：李薇，胡兆同，李加武桥梁断面三分力系数数值模拟公路交通科技，（）：，范士豪大跨人行悬索桥主梁气动特性及风致抖振响应研究石家庄：石家庄铁道大学，吴大健，段宝山，宋林装配式钢混组合梁纵向湿接缝设计研究武汉理工大学学报（交通科学与工程版），（）：公路桥梁抗风设计规范：北京：人民交通出版社股份有限公司，犃 狀 犪 犾 狔 狊 犻 狊狅 犳犛 狋 犪 狋 犻 犮犜 犺 狉 犲 犲 犮 狅 犿 狆 狅 狀 犲 狀 狋犆 狅 犲 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 狋 狅 犳犛 狋 犲 犲 犾 犮 狅 狀 犮 狉 犲 狋 犲犆 狅 犿 狆 狅 狊 犻 狋 犲犅 犲 犪 犿狑 犻 狋 犺犇 狅 狌 犫 犾 犲 狊 犻 犱 犲 犱犛 狋 犲 犲 犾犅 狅 狓犆犎犈犖犡 犻 狀 犵 犮 犪 狀，犆犎犈犖犑 犻 犪 狀 犫 犻 狀 犵，犠犃犖犌犇 狅 狀 犵 狑 犲 犻，犔 犐 犝犆 犺 犲 狀 犵 狌 犪 狀 犵（，；，）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，（），；，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；陈星灿等：双边钢箱钢混组合梁静力三分力系数分析 年第期