風嘴形式對橋梁斷面三分力系數影響的數值模擬

樊書文， 李永樂

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

現代橋梁工程不斷發展，橋梁的跨度和所在海拔高度一次又一次的突破記錄，所受到的風荷載也越來越大。而由于相比于鈍體斷面，設置風嘴的流線型斷面改善了斷面氣動外形，使繞流的流態得到改善，提高了靜風穩定性[1-2]。自19世紀50年代末英國賽文橋開始，流線型鋼箱梁斷面出現在了大跨度橋梁的設計中，并逐漸占據了主要位置。當橋梁斷面受到風的作用時，氣流會產生旋渦，形成一個非常復雜的作用力，而這一復雜作用力可以通過構件氣動力系數來反映，構件的氣動力系數同時也是進行橋梁各類風致響應計算的重要參數。在流線型斷面設計的過程中，風嘴的不同形式會對構件氣動力系數產生一定的影響，因此對不同風嘴形狀的斷面氣動力系數的研究顯得較為重要。在工程應用中，改變風嘴的形狀主要通過風嘴角度和位置的變化來實現。

1　典型斷面幾何參數確定

實際橋梁工程中的橋梁斷面形式各異，且橋梁主體還安裝有一些具體的附屬設施(如路燈、護欄、檢修通道等)，如果用實際的橋梁斷面來研究氣動干擾效應規律，會使得研究過程過于復雜，且研究結果不具有一般性，難以推廣。因此本文對實際橋梁斷面以其特征尺寸為主要參數進行簡化處理，分析風嘴形狀對斷面氣動力系數影響的規律。

從目前國內外的研究現狀來看，很多研究機構對寬高比為5∶1的橋斷面進行了相應的氣動性能研究[3-8]。故本文也采用寬高比為5∶1典型斷面，模型寬度為B=600 mm(流線型斷面不計入風嘴的寬度)，高為H=120 mm，具體尺寸見圖1。針對這些斷面進行風嘴形狀對斷面氣動力系數影響的研究，風嘴角度θ=20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°和風嘴的位置m/n=1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0、2.2、2.4、2.6、2.8、3.0共18種計算工況。

圖1 　典型斷面幾何參數 (單位: mm)

2　計算區域設置及網格劃分

采用FLUENT進行數值模擬，選擇壓力基求解器，RANS湍流模型中的SSTk-ω湍流模型，和傳統的k-ε湍流模型相比更適應于具有逆壓梯度流動或分離流動的情況[9]。故本文所做計算均采用SSTk-ω湍流模型進行求解。壓力與速度耦合方式采用SIMPLEC方法，采用二階迎風離散格式求解速度分量與對流項，時間步長為0.005 s，步長迭代次數為20次。

圖2　斷面計算域與網格

3　斷面三分力系數計算結果及分析

3.1　氣動力系數

對于二維繞流，作用在結構上的氣動力系數定義為：

式中:ρ為空氣的密度；V0為來流平均風速( m/s)；B為斷面寬度；D為斷面高度；FD、FL和FM分別為作用在斷面上的升力、阻力和扭矩；CD、CL和CM分別是阻力系數、升力系數、升力矩系數。

3.2　風嘴角度的影響

圖3為斷面三分力系數隨著7種不同風嘴角度的變化曲線。從圖3(a)可以看出，升力系數均值隨著風嘴角度的增大沒有明顯的變化規律，且其值都接近于0，這是斷面的氣動外形的原因。由于斷面為對稱截面，上下兩面氣流通過時經過的路程一樣遠，故上方氣流的流動速度和下方氣流的流動速度相同，導致頂板處平均壓強和底板處平均壓強相同，所以升力接近于0。阻力系數均值隨著風嘴角度的增大整體呈現正斜率，其值始終是正值，從0.110 2逐漸增大到0.460 3處，前后壓差增大。力矩系數均值大體上隨著風嘴角度的增加而遞增。

圖3　斷面三分力系數與風嘴角度的關系

從圖3(d)可以看出，三分力系數的根方差均在風嘴角度為50°時達到最大值，而在其它風角度時其值基本不變且趨于0。

3.3　風嘴位置的影響

圖4為斷面三分力系數隨著不同風嘴位置的變化曲線。從圖4(a)可以看出，升力系數均值隨著風嘴位置m/n的比值的增加總體上趨于下降的趨勢。這是由于隨著風嘴位置m/n的比值的增加，下方氣流所流經距離大于上方氣流所流經距離，故下方氣流的流動速度比上方氣流的流動速度要大，導致低板處平均壓強逐漸大于頂板處平均壓強，所以升力逐漸由正值變為負值。當m/n=2.0的時候升力系數由正值變為了負值且出現極值，此后到m/n=2.4其值有略微上升，之后下降，但總體上變化量并不大。阻力系數均值隨著風嘴位置m/n的比值的增加而增加，增加幅度不大，其值始終是正值，當m/n=2.0時，出現極值。升力矩系數均值隨著風嘴位置m/n的比值的變化無明顯變化規律，其方向有順時針也有逆時針，當m/n=2.4時，力矩系數均值達到最大，且其方向為正值(逆時針)。

從圖4(d)可以看出，三分力系數的根方差隨風嘴位置m/n的比值的變化與隨風嘴角度變化相似，三分力系數根方差均在風嘴位置m/n=1.2時達到最大值，而在其它風嘴位置時其值基本不變且趨于0。

圖4斷面三分力系數與風嘴位置的關系

4　結論

通過對不同風嘴形式的斷面進行靜力氣動力分析，得出結論如下:

(1)相比于矩形鈍體斷面，增加風嘴可以明顯減小阻力系數，流線形斷面所受阻力遠低于矩形斷面。

(2)受風嘴角度的影響，升力系數在風嘴角度為50°時達到最大為0.000 5，在風嘴角度為40°時達到最小為-0.003 2；阻力系數隨著風嘴角度的增大而增大當達到極限時，等于矩形斷面阻力系數；從整體上來看升力矩系數隨風嘴角度的增大而增大，在風嘴角度為60°時出現極小值；三分力系數的根方差均在風嘴角度為50°時達到最大值，而在其它風嘴角度時其值基本不變且趨于0。

(3)受風嘴位置的影響，升力系數隨著風嘴位置m/n的比值的增加總體上趨于下降的趨勢；阻力系數隨著風嘴位置m/n的比值的增加而增加，且升力系數和阻力系數都在當m/n=2.0時，出現極值；力矩系數隨著風嘴位置m/n的比值的變化無明顯變化規律，當m/n=2.4時，力矩系數達到最大；三分力系數根方差均在風嘴位置m/n=1.2時最大，而在其它風嘴位置時其值接近于0。