大跨鋼桁梁斜拉橋施工期主梁氣動系數數值識別

鄭建新，李鑫

大跨鋼桁梁斜拉橋施工期主梁氣動系數數值識別

鄭建新，李鑫

（中交第二航務工程局有限公司，長大橋梁建設施工技術交通行業重點實驗室，湖北武漢430014）

忠建河大橋為“V”形峽谷區雙塔雙索面鋼桁梁斜拉橋。文中結合該工程，通過數值模擬研究其在施工狀態下的主梁氣動力系數。采用二維非定常雷諾平均（URANS）的計算流體動力學方法計算主梁繞流空氣場，在此基礎上對桁梁截面靜風荷載系數和顫振導數進行識別，所得結果與已發表文獻中具有類似幾何形式主梁的數據進行對比驗證。分析表明，URANS方法用于桁梁氣動系數識別是切實可行的，建議工程計算采用。

鋼桁梁；風荷載；CFD；氣動系數；顫振

0　引言

鋼桁加勁梁的氣動系數是進行顫振分析計算的基本參數，就其獲取手段而言有現場實測、風洞試驗和數值模擬三種途徑。現場實測僅針對已建成橋梁可行，工程中對橋梁氣動系數的研究主要依靠風洞試驗和數值模擬[1]。風洞試驗是最傳統最基本的研究方法，但研究周期較長，價格昂貴，近年來，越來越多的研究者開始嘗試通過計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD）方法進行數值模擬識別獲得橋梁的氣動系數[2-5]。然而，這些研究多局限于矩形柱體、流線型箱梁等具有簡單幾何外形構件的氣動穩定性，對鋼桁梁氣動系數的CFD數值模擬研究則報道不多。

1　工程概況

忠建河大橋（ZJHB）為跨徑布置（46+134+400+ 134+46）m的雙塔雙索面公路鋼桁加勁梁斜拉橋，橋址處地形起伏較大，微地貌為“V”形峽谷。鋼桁加勁主梁寬26 m，高6 m。橋梁總體布置見圖1，鋼桁梁標準斷面見圖2。

圖1　橋梁總體布置圖（單位：m）Fig.1 Overall layout of the bridge（m）

圖2　鋼桁梁標準斷面圖（單位：cm）Fig.2 Standard cross section of the steel truss（cm）

2　數值模型

流動計算采用非定常雷諾平均URANS方法，數值模擬在通用流體計算軟件FLUENT平臺上進行。數值計算域尺寸和邊界條件如圖3所示。

圖3　數值計算域與邊界條件Fig.3 Numerical computational domain and boundary conditions

計算域為矩形，左側為速度入口邊界條件，右側為壓力出口邊界條件，上下為對稱邊界，截面邊界為壁面。以主梁寬度為特征尺寸，計算域寬度為36B，斷面距離上游入口58B，距離下游出口94B。為保證各工況計算雷諾數的一致性，計算來流風速保持為恒定常數。橫型參數見表1。

圖4　施工階段主梁簡化幾何模型Fig.4 Simplified geometric model of main truss in construction

表1　數值計算模型參數Parameters of the computational model

出于研究目的，加勁主梁桁架忽略豎桿的影響，取余下全橋貫通的部分進行截面簡化，見圖4。圖4中的兩個典型截面分別選取了桁架節點處的主梁斷面和兩節點中間位置處的主梁斷面，本文后面所討論的主梁氣動系數均是基于這兩個典型斷面計算結果所取的平均值。

網格劃分采用混合網格方案，數值計算域被劃分為兩個部分，遠離復雜幾何外形的外圍區域劃分成結構畫的四邊形網格，而斷面附近的區域劃分的是非結構四邊形網格，具體網格生成情況見圖5，模型網格總數量約為240 000。數值模擬計算中，風攻角的變化通過旋轉內部斷面的幾何位置多次重復建模實現，這與橋梁模型風洞試驗時常用的攻角改變方式十分類似，計算中考查了-5°、-3°、-1°、0°、1°、3°和5°共7個風攻角條件下的主梁靜力三分力系數。

圖5　計算網格Fig.5 Calculate mesh

3　主梁靜力三分力系數數值識別

平均風產生的靜風荷載可以通過靜力三分力系數描述：阻力系數CD=2FD/（ρU2D），升力系數CL=2FL/（ρU2B）和扭矩系數CM=2FM/（ρU2B2），其中：U為入口風速；ρ為空氣密度；B為主梁寬度；D為主梁高度。

本文計算的三分力系數通過與矮寨大橋（AZB）的計算數據進行對比驗證[6]。矮寨大橋與本文研究的橋梁截面較為類似，其橫截面圖如圖6所示。

圖6　矮寨大橋橫截面簡化圖Fig.6 Simplified cross section of Aizhai Bridge

與本文研究情況不同的是，矮寨大橋研究的是成橋狀態的橫截面，在分析中考慮了附屬結構的影響，其相關數據是使用LES模型研究得出。兩者對比如圖7所示。

從圖7中可以看出，兩座橋三分力系數具有相似的變化趨勢，對本文數據的正確合理性提供了支持。

圖7給出了使用RANS模型計算的忠建河大橋主梁三分力系數隨風攻角的變化情況，從圖中可以看出，扭矩系數數值接近于0，可以忽略，主梁不會有扭矩發散的危險。阻力系數在0攻角附近達到最小值，并且隨風攻角變化平緩。升力系數的斜率為正，保證了不會發生主梁弛振。

圖7　三分力系數對比Fig.7 Comparison of aerodynamic coefficients

4　主梁顫振導數數值識別

顫振導數的識別方法主要有兩種：自由振動法和強迫振動法。自由振動法先讓模型斷面做自由振動，對其振動時程數據進行分析識別出顫振導數。強迫振動法則通過直接測定自激力，再直接推算顫振導數。自由振動法在風洞實驗中易實施，但精度不高。強迫振動法具有更高的準確度和穩定性，但該方法需要復雜的設備和昂貴的費用。對于CFD方法而言，強迫振動法較之于自由振動法更方便，故本文采用強迫振動法。Scanlan建立的適用于橋梁主梁斷面的顫振自激力表達式中，其氣動升力L和氣動力矩M如下：式中：k=bω/U為折減頻率；ω=2πf為圓頻率；f為強迫振動頻率；h和h.為豎向位移及其對時間的導數；α和α.為扭轉位移及其對時間的導數；B為橋橫截面寬度；U為來流平均風速；定義U*= U/fb為無量綱折減風速；Hi*和Ai*（i=1，2，3，4）是顫振導數，其中H1*、H2*分別為由豎向運動與扭轉運動引起的氣動阻尼對自激升力的貢獻，H3*、H4*分別為由扭轉運動與豎向運動引起的氣動阻尼對自激升力的綜合貢獻，A1*、A2*分別為由豎向運動與扭轉運動引起的氣動阻尼對自激扭矩的貢獻，A3*、A4*分別為由扭轉運動與豎向運動引起的氣動慣性及氣動剛度對自激扭矩的綜合貢獻。

圖8為使用強迫振動法通過CFD模擬計算出的忠建河大橋的顫振導數，并給出矮寨大橋相應的顫振導數。通過兩者的對比可以看出，兩者的顫振導數隨著風速的變化，有著相似的變化趨勢，可作為對本文計算結果的一個驗證。據此說明，URANS對于桁梁顫振導數的識別具有可行性。

圖8　顫振導數對比Fig.8 Comparison of flutter derivatives

5　結語

本文研究了忠建河大橋施工期間的氣動參數，結果的合理性通過與文獻中具有類似截面的橋梁進行對比驗證，結果顯示，兩者的三分力系數和顫振導數的變化趨勢均有相似性。研究表明，URANS方法對于桁梁氣動導數的識別是可行的，可以推薦應用到工程計算中。

[1]項海帆.進入21世紀的橋梁風工程研究[J].同濟大學學報，2002，30（5）：529-532. Xiang Hai-fan.Study on bridgewind engineering into 21stCentury [J].Journalof TongjiUniversity,2002,30(5):529-532.

[2]SHIMADA K,ISHIHARA T,WAKAHARA T.Prediction of flutter characteristicsof rectangular cross-sections by k-εmodel[C]//The second international symposium on advances in wind and structures.Busan,Korea.2002:291-296.

[3]LARSEN A.Computation of aerodynamic derivatives by various CFD techniques[C]//The fourth international symposium on computationalwind engineering.Yokohama,Japan.2006:287-290.

[4]LARSEN A,WALTHER J.Discrete vortex simulation of flow around five generic bridge deck sections[J].W ind Eng.Ind. Aerodyn,1998(98):591-602.

[5]SUN D,OWEN J S,WRIGHT N G.Application of the k-ε turbulencemodel for a wind-induced vibration study of 2D bluff bodies[J].Wind Eng.Ind.Aerodyn,2009(97):77-87.

[6]陳艾榮，艾輝林.計算橋梁空氣動力學—大渦模擬[M].北京：人民交通出版社，2010. CHEN Ai-rong,AIHui-lin.Calculation of bridge aerodynamics: large eddy simulation[M].Beijing:China Communications Press，2010.

Numerical identification of aerodynamic characteristics of long-span truss girder bridge under construction

ZHENG Jian-xin,LIXin
（CCCCSecond HarborEngineering Co.,Ltd.,Key Lab of Large-span Bridge Construction Technology, Ministry of Communication,Wuhan,Hubei430014,China）

Zhongjianhe Bridge is located in"V"shaped canyon area,its form is double tower cable-stayed steel trussgirder. Combined with the project,we studied the aerodynamic characteristics of themain girder bridge during construction through numerical simulation.The flow around a truss bridge is simulated by two-dimensional(2D)unsteady Reynolds-averaged Navier-stokes(URANS)approach.Aerodynamic coefficients of wind loads acting on the truss girder section and flutter derivatives are investigated.The results are compared with published data of another famous bridge with similar cross section. The results show that the URANSmethod is adequate to identify the truss girder aerodynamic characteristics,and proposed in engineering calculation.

truss girder;wind loads;CFD;aerodynamic coefficients;flutter

U441.3

A

2095-7874（2016）04-0047-04

10.7640/zggw js201604012

2015-10-22

2016-01-04

鄭建新（1982—），男，湖北紅安人，碩士，工程師，橋梁與隧道工程專業，從事橋梁結構分析與施工監控。E-mail：173240029@qq.com