連續(xù)梁拱組合結(jié)構(gòu)氣動特性研究

余 海 洪

(中鐵四川生態(tài)城投資有限公司，四川 眉山 620562)

0 引言

梁拱組合是一種將拱橋和梁橋特點相結(jié)合的新型特殊橋梁形式。它具有結(jié)構(gòu)剛度大、跨越能力強、外形美觀、方便施工等特點。隨著我國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，鐵路扮演的角色也是越來越重要，梁拱組合橋作為大跨度橋梁的主要橋型在我國鐵路工程中被廣泛采用。如溫福鐵路昆陽特大橋(64 m+136 m+64 m)、廣東小欖水道特大橋(100 m+220 m+100 m)等。國內(nèi)外學(xué)者也對其理論逐漸完善。于向東等[1]建立了梁拱組合結(jié)構(gòu)的全橋空間分析模型及橫向框架模型，研究發(fā)現(xiàn)主梁箱梁橫向應(yīng)力沿順橋向成峰狀變化，橫橋向應(yīng)力有翼緣至跨中逐漸減小的趨勢，李愛飛[2]采用CFD技術(shù)對橋梁截面進行二維風(fēng)場數(shù)值模擬，在橫風(fēng)作用下對梁拱組合橋的穩(wěn)定性進行對比分析，討論了吊桿張拉力以及列車荷載對橋梁穩(wěn)定性的影響。

本文以某梁拱組合橋為工程背景，采用數(shù)值模擬進行全橋足尺模型三維風(fēng)場模擬，計算了結(jié)構(gòu)的靜力三分力系數(shù)，研究了主梁和拱肋的氣動特性，分析了風(fēng)攻角和護欄對橋梁氣動性能的影響。

1 工程背景

本文以35 m+130 m+35 m連續(xù)梁拱組合橋為工程背景進行研究，橋梁主梁采用C45預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁單箱單室結(jié)構(gòu)，頂板寬度為11.8 m，梁高為2 m，跨中處梁高由2 m變?yōu)?.45 m。

2 氣動特性分析

2.1 CFD模型建立

使用大型CFD軟件FLUENT對主梁的渦振性能進行研究，對主梁建立CFD分析模型。對全橋進行三維風(fēng)場模擬。同時考慮主梁和拱肋相互作用下氣動特性的影響，以及研究在風(fēng)攻角和護欄的其他因素影響下的影響。將主梁模型平均分為節(jié)段L1～L20，拱肋模型平均劃分為G1～G8，吊桿模型平均分為D1～D22，如圖1所示。

為計算準(zhǔn)確，將結(jié)構(gòu)表面網(wǎng)格進行加密處理，在劇烈變化的區(qū)域網(wǎng)格的劃分密集，而在流場變化較慢的地方網(wǎng)格劃分稀疏，最終劃分網(wǎng)格為2 460萬。部分節(jié)段劃分情況如圖2所示。

橋梁主梁、拱肋和吊桿等構(gòu)件均采用無滑移壁面邊界條件。邊界條件如圖3所示。

采用湍流模型為標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型，使用simple算法求解，通過FLUENT求解主梁氣動性能。空氣密度ρ取1.225 kg/m3，空氣粘性系數(shù)μ取1.79×105N·s/m2。

2.2 風(fēng)速影響分析

分別模擬計算在風(fēng)攻角為0°，均勻流風(fēng)速在V=10 m/s～50 m/s的工況下，氣動性能的值。

對比分析這五種工況，結(jié)果是近似的，可以得到三分力系數(shù)是準(zhǔn)確的，橋梁節(jié)段三分力系數(shù)沿順橋向變化情況如圖4～圖6所示。

3 氣動特性的影響因素研究

3.1 風(fēng)攻角對氣動特性影響

主梁截面的風(fēng)荷載主要包含的三分力系數(shù)[3]：阻力FH、升力FV、力矩MT，如圖7所示。

體軸坐標(biāo)系下氣動力系數(shù)計算公式定義如下:

(1)

(2)

(3)

其中，CD(α)，CL(α)，CM(α)分別為風(fēng)攻角為α?xí)r的靜風(fēng)阻力、升力、升力矩系數(shù)；B為橋梁斷面寬度；D為橋梁斷面高度。

風(fēng)軸坐標(biāo)阻力FD、升力FL和體軸坐標(biāo)阻力FV、升力FH的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下：

(4)

文章考慮計算在入口風(fēng)速為30 m/s時，且風(fēng)攻角為±2°，±4°，±6°幾種工況下，橋梁結(jié)構(gòu)主要節(jié)段的三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化如表1所示，橋梁主要節(jié)段氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化如圖8,圖9所示。

表1 風(fēng)攻角變化下橋梁主要結(jié)構(gòu)三分力系數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果可以得到，主梁節(jié)段L5位置接近支座處，它的氣動性變化不大，而拱肋節(jié)段G5受主梁氣動特性干擾較小，升力矩系數(shù)變化不大，同時升力系數(shù)也呈現(xiàn)較明顯上升的趨勢，阻力系數(shù)也下降明顯。這是由于負攻角時在橋梁的迎風(fēng)面是處于正壓區(qū)，背風(fēng)面為負壓區(qū)，隨著風(fēng)攻角增大，兩者壓力差減小，所以主梁節(jié)段和拱肋阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角增大而減小，主梁節(jié)段的升力和升力矩系數(shù)變化不明顯。

3.2 護欄對氣動性的影響

對全橋模型建立有無護欄兩種工況模擬全橋三維風(fēng)場，對比有無護欄的工況下橋梁氣動性能。

表2 主要節(jié)段氣動特性參數(shù)計算結(jié)果

由表2可知，在L2有護欄的情況下，阻力系數(shù)減小了42.9%，升力系數(shù)增大16.5%，升力矩系數(shù)絕對值減小了1倍。由此可以得到護欄對橋梁主梁節(jié)段的氣動性影響是不能忽視的。而拱肋靠近主梁位置的節(jié)段G1在無護欄的情況下阻力系數(shù)增大了18.8%，升力系數(shù)減小了82.9%，升力矩系數(shù)絕對值減小了37.5%；拱肋節(jié)段G5阻力系數(shù)變化不大，升力及升力矩系數(shù)變化較大，說明在考慮氣動性能時，護欄是必不可少的考慮因素之一。

4 結(jié)語

文章采用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對連續(xù)梁拱組合橋進行氣動特性分析，在考慮風(fēng)攻角和護欄的各種工況下，對橋梁的氣動性能進行對比分析，得出了以下幾個結(jié)論：

1)在對橋梁進行氣動性分析時，建立合理的全橋三維模型，其中網(wǎng)格劃分，參數(shù)的選取都對后續(xù)處理有著極大的影響。

2)在考慮不同風(fēng)攻角的作用情況下，隨風(fēng)攻角角度的變化(-6°～6°)，連續(xù)梁拱組合橋主梁劃分的各個節(jié)段變化的趨勢大體相似，主梁及拱肋的阻力系數(shù)逐漸減小，升力系數(shù)以及升力矩系數(shù)變化不大，而拱肋節(jié)段的跨中節(jié)段升力系數(shù)在風(fēng)攻角逐漸變大的過程中隨之上升。總的來說風(fēng)攻角對橋梁的氣動性影響是不可忽視的。

3)在考慮氣動特性的過程中，有無護欄的影響也是很大的，在有護欄的工況下，主梁的升力系數(shù)更大，同時阻力系數(shù)更小；拱肋階段的阻力系數(shù)和升力系數(shù)都更小。所以在分析橋梁氣動性影響時，考慮護欄等橋面設(shè)施也是必不可少的。

參考文獻:

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