典型橋梁斷面阻力系數測力與測壓結果差異的數值模擬研究

摘要： 研究以阻力系數為對象，采用三維數值模擬方法，針對蘇通大橋主梁、薄平板及矩形三個典型斷面，在逐一驗證數值模擬精度的前提下，考察了三個典型斷面的總阻力系數與壓差阻力系數隨風攻角、雷諾數和湍流度的變化規律，分析摩擦阻力對總阻力貢獻率（簡寫為摩擦阻力貢獻率）的變化規律，并討論了這種差異的原因；此外，針對蘇通大橋主梁斷面，分析了欄桿對摩擦阻力貢獻率的影響。研究結果表明：對于三種典型斷面，薄平板斷面的摩擦阻力貢獻率最大，蘇通大橋主梁斷面的摩擦阻力貢獻率稍小，矩形斷面的摩擦阻力貢獻率幾乎可以忽略。三種斷面的摩擦阻力貢獻率隨著風攻角絕對值的增大而減小，其中薄平板斷面和蘇通大橋主梁斷面的摩擦阻力貢獻率隨著風攻角變化明顯，而雷諾數和湍流度變化對三種斷面的壓差阻力或摩擦阻力的影響很小；與無欄桿的主梁斷面相比，有欄桿的蘇通大橋主梁斷面的摩擦阻力貢獻率要下降一半左右。研究結論可為測壓方法在工程中的適用性提供參考。

關鍵詞： 橋梁斷面； 阻力系數； 壓差阻力； 摩擦阻力； 數值模擬

中圖分類號： U441+.3文獻標志碼： A文章編號： 10044523（2016）04074609

DOI：10.16385/j.cnki.issn.10044523.2016.04.023

引言

在大跨度橋梁結構抗風分析中，橋梁斷面的靜力三分力系數是一組非常重要的風特性參數，它反映了一定形狀的橋梁斷面受靜力風荷載的大小，其是橋梁結構抖振響應、馳振穩定性以及靜風荷載分析的關鍵參數。因而準確地測定橋梁斷面的三分力系數對大跨度橋梁的抗風設計是十分必要的。

第4期韓艷，等： 典型橋梁斷面阻力系數測力與測壓結果差異的數值模擬研究振 動 工 程 學 報第29卷目前風洞試驗測定橋梁斷面的三分力系數主要通過測力與測壓兩種方法來實現。測力方法是采用一定比例的節段模型，并通過測力天平等儀器來獲取主梁截面的三分力，進而計算出三分力系數。故測力法得到的阻力為斷面的總阻力，即壓差阻力和摩擦阻力之和。然而，采用測力方法無法得到主梁斷面每個區域所受風壓的大小，這不利于主梁斷面所受氣動力的精細化分析或主梁斷面的優化設計。而測壓方法通過在主梁斷面上布置測壓孔，通過獲得每個局部區域的風壓大小，經過積分之后就可獲得整個斷面所受的風荷載。但另一方面，采用測壓方法只能獲得空氣對斷面的法向壓力，而不能獲得空氣相對于斷面的摩擦阻力，故測壓法得到的阻力僅為壓差阻力。因此，采用測壓方法雖能獲得流場細節，但也容易造成一定的誤差。李加武等[1]、金挺和林志興等[2]以及殷峰[3]等在研究蘇通大橋斷面的雷諾數效應時，發現測壓法比測力法得到的靜阻力系數要小很多，前者大約只占后者的2/3。韓艷等[4]也采用測力和測壓法對江順大橋進行風洞試驗，發現測壓法測得的三分力系數要明顯偏小。劉志文和陳政清[5]對矩形斷面進行測力、測壓試驗，結果表明：矩形斷面的摩擦阻力對三分力的貢獻隨風攻角變化可以忽略。研究僅初步揭示了矩形斷面測力方法與測壓方法隨風攻角變化的差異，但矩形斷面摩擦阻力對三分力的貢獻隨雷諾數變化未進行研究。李加武[6]對流線型斷面進行了測力、測壓法試驗，結果表明：流線型斷面的摩擦阻力對三分力系數的貢獻在一定雷諾數范圍內隨雷諾數的增大而降低。該研究初步揭示了流線型斷面測力與測壓方法獲得的阻力系數隨雷諾數的差異，但流線型斷面摩擦阻力對三分力的貢獻隨風攻角變化未進行研究。研究表明[6]：升力系數和力矩系數絕對值較小且波動較大，摩擦阻力對其影響復雜且沒有明顯規律，但摩擦阻力對總阻力的貢獻顯著，故本文只對斷面阻力系數進行研究。

CFD數值模擬方法相對于風洞試驗方法，具有可重復性、較少的人力和物力、可視的流場結構等優點。隨著數值求解方法的發展和計算機硬件的進步，數值模擬方法在結構風工程中的應用越來越廣泛。瞿偉廉等[7]、曹豐產等[8]、樓小峰[9]、Sarwar和Ishihara [10]等也采用數值模擬方法較準確地計算了典型斷面的氣動力。另外，需要指出的是，CFD數值模擬方法能較容易地得到不同斷面總阻力（測力方法結果）與壓差阻力（測壓方法結果），故CFD數值模擬方法可較方便地得到摩擦阻力，即兩種試驗方法阻力系數的差異。劉志文等[5]、李加武[6]雖也將數值模擬方法得出的阻力系數與測力、測壓試驗結果進行對比，但研究中只對數值模擬結果的正確性進行了探討，而未根據數值模擬的優勢進一步討論各類典型斷面的測力與測壓差異產生的原因。

本文以阻力系數為研究對象，采用三維數值模擬方法，針對蘇通大橋主梁、薄平板及矩形三個典型斷面，在逐一驗證數值模擬精度的前提下，考察了三種不同斷面的總阻力系數與壓差阻力系數隨風攻角和雷諾數的變化規律；分析了不同斷面摩擦阻力貢獻率隨風攻角、雷諾數和湍流度的影響，探究這種差異的原因。此外，針對蘇通大橋主梁斷面，考察了主梁欄桿對摩擦阻力貢獻率的影響。

Abstract： The Sutong Bridges cross section， flat plate and rectangular cylinder were chosen as the typical sections in this paper， and the threedimensional numerical simulations were carried out under different conditions. The accuracy of the numerical simulation method adopted in the present study is proved. Then the trends of drag coefficient and pressure drag coefficient of the three sections varying with the wind attack angles， Reynolds number and turbulence were investigated. Meanwhile， the reasons of their different variations were discussed. Furthermore， the effects of handrail on the total drag coefficient and pressure drag coefficient of the Sutong Bridges girder section were analyzed. The results show that the friction drag of flat plate accounts for the largest proportion of the total drag， the Sutong Bridges girder section comes second， while the rectangular cylinder is the smallest. For the three typical sections， the proportions of friction drag in total drag decrease with the increase of wind attack angles， the Reynolds number and turbulence have a little effects on their friction drags or pressure drags. When the handrails are considered on the Sutong Bridges cross section， the contribution of friction drag to the total drag approximately decreases to 50%. The conclusions in this paper can provide a reference for the pressure distribution method applied to the engineering practice.

Key words： bridge deck； drag coefficient； pressure drag； friction drag； numerical simulation