连续刚构桥主梁气动特性数值分析.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t V0 1 ． 2 8 No ． 3 S e p ． 2 0 1 1 连续 刚构桥 主梁气动特性数值分析 李素杰 ， 彭元诚 ， 龙晓鸿 ， 曹化锦 1 ． 华中科技大学a ． 土木工程与力学学院； b ． 控制结构湖北省重点实验室， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ； 2 ． 中交第二公路勘察设计研究院有限公司， 湖北武汉4 3 0 0 5 6 摘要 基于流体动力学软件 ， 采用二维圆柱绕流的计算方法， 对连续刚构主梁截面进行了仿真分析。首先进 行了网格划分方案的比选， 将数值模拟结果与风洞实验结果进行对比， 进而验证了本文模型以及计算方法的正 确性。然后研究了不同风向角作用下， 双幅桥上下游梁截面的气动特性， 并与单幅桥梁截面气动特性进行对 比， 得 到了双幅桥梁截面气动 系数干扰 因子 ， 对 于研究双 幅桥梁截 面的气动特性具有重要的意义。 关键词 连续刚构 ； 数值模拟； 风动试验； 气动干扰 中图分类号 U 4 4 1 ． 3 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 - 0 9 8 5 【 2 0 1 1 0 3 -0t 5 6 -O 4 由于 自然风特性 的复杂性 ， 到 目前为止还不 能用数学解析方法精确描述风对桥梁 的作 用 ， 只 能制作一定缩 比尺的阶段模型， 通过风动试验测 定三分力 系数 来描 述风对 桥梁 的静力 作用H J 。 然而风动试验周期较长 ， 且需要耗费大量的人力 和物力。随着计算 机技术的发展， 计算机流体力 学 C F D 在结 构 风 工程 中 已经得 到 广泛 的应 用 。本文以北盘江 连续大跨斜腿 刚构桥 为工 程背景 ， 利用流体力学软件 F L U E N T对箱型梁截 面进行绕流分析。北盘江大桥 为双幅桥 ， 其中主 跨跨径为 2 9 0 m， 这部分为预应力混凝土空腹 斜 腿 式连续刚构 ， 如图 1 所示。主箱梁截面如图2 所示 ， 图中 为风攻角， 日为主粱高。本文首先进 行了网格的比选分析 ， 与风洞试验结果进行比较， 选取最佳计算网格 ， 并验证 了计算模型与求解模 式的可靠性 。同时研究 了不 同风攻角下 ， 上下游 主梁截面三升力系数的气动干扰效应。 图 1 主桥桥型布置／ c m 2 5 卜2 0 0 卜 ． - 一 6 5 0 斗2 0 0 - - 卜2 0 0 } _ 一 6 5 0 - } 一 2 0 0 - - [ 图2 控制主箱梁断面／ c m 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 6 1 5 作者简 介 李素杰 1 9 8 7 一 ， 女 ， 河南人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向为桥梁风振和建筑 隔振 E m a i l l i s u j i e 0 6 0 4 1 2 6 ． t o m 基金项 目中央高校基本科研业务费专项资 0 1 Q N 8 1 ； 贵州省交通厅科技项 目资助 第 3期 李素杰等 连续刚构桥主梁气动特性数值分析 1 5 7 1 基本方程和计算方法 2 网格方案比选及可行性验证 1 ． 1 基 本 方程 粘性流体动力学必须遵循的三个基本守恒定 律 ， 即质量守恒定律、 动量守恒定律和能量守恒定 律 。当流动处于湍流状态， 还要遵循 附加湍流运 输方程质量 。 根据守恒定律 ， 可得其控制方程为 2 _ 0 f 1 a a a y a z 式中 P是密度 ， t 是时间， “ ， ， W分别是速度矢量 在 ， Y ， 方向上的分量 。 1 ． 2计算模型与边界条件 在进行数值模拟时 ， 其关键 步骤就是定义一 个比较合理的计算域 ， 这样才能保证计算结果 的 精确性 。计算域太小不能保证计算精度 ， 而计算 域如果太大就可能会给计算机增加一定负担， 造 成资源浪费。学者们从数值模拟 的经验来看 当 外计算域大于模型的特征尺寸 l 0～ 2 0倍时 ， 能尽 量避免物体因后部卷起的分离涡打到外部边界上 又反射回来 ， 同时也使外边界附近的流场参数分 布较好地与所提取的边界相容 ， 求解可 以达到很 好的收敛性 。 模型采用 1 ／ 5 0的比例缩尺对本 文箱 型截面 进行 了二维建模分析。计算域取为 1 6 B2 4 B的 长方形 ， 计算域入 口到梁 断面中心 的距离为 8 B， 出口到截面中心得距离为 1 6 B， 上下边界距截 面 中心各 为 8 B， B为箱 梁截 面宽度 ， 如图 3所示。 计算采用 的边界 条件 J 入 口为速度 边界 条件 1 0 m ／ s ， 0 m ／ s ； 出 E l 为压力边界条件 参考压力为零 ； 上下面采用对称边界条件 ； 梁 断面结构表面采用无滑移壁面条件。 图 3 迎肛 【 侧上游箱梁 断面长方形计算域 定义好计算域后 ， 最重要的步骤就是建立计 算模型。建立模 型的方法多种多样 ， 本文是通过 在 A N S Y S 1 1 ． 0中建立平面模型， 并对其进行 网 格划分 ， 以 ． c d b的文 件格 式 输 出， 再 导 入 到 G a m b i t 中定义边界条件 。 为验证本文数值模拟结果的正确性 ， 对迎风 侧上游箱梁截面在 0度风攻角下的不同网格划分 进行了静三分 力系数 C F D数值模 拟。采用结构 化网格 ， 在截面周 围区域进行网格加密 ， 且网格间 距是渐变的。近壁面最小 网格尺 寸可用式 2 。 。 估算第一层 网格 的高度 A y满足 Y 1的要求。 空气 密度 P取 1 ． 2 5 k g ／ m ， 运动 粘性 系数 ／2取 1 ． 7 81 0 m ／ s ， 风速 V1 0 m ／ s 。 ， ． 1 7 2 e 2 网格划分的质量好坏严重影响到模拟结果的 精度和计算效率 ， 对于图 2中 为 4 6 5 a m， 为 0 度 的单截面， 本文提出了不同的平面 网格划分方 案 ， 并且对不同方案的仿真计算结果与风洞试验 进行了对比， 网格划分方案如图 4所示。 a 网格划分方案1 b网格划分方案2 c 网格划分方案3 d网格划分方案4 图 4 不 同网格 划分方案 T ∞∞●T ∞∞●●●一 1 5 8 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 不同网格划分方案下的计算结果和耗费时间 见表 1 所示。其 中 C 、 C 。 、 C 分别为截面阻力系 数 、 升力系数和扭转系数 。 表 1 不 同网格方案计算结果 风洞试验方案 1 方案 2 方案 3 方案 4 Cd 0． 61 94 0． 69 3 0． 66 0 0． 6 55 0． 6 32 CI 1 ． 1 6 95 1． 3 03 1 ． 01 0 1 ． 0 9 4 1 ．1 1 3 C 一0 ． 1 8 70 ． 1 0 90 ． 1 5 00 ． 1 6 50 ． 1 6 9 时间／ h 一 1 ． 1 3 1 ． 4 7 1 ． 5 3 由表 1可 以看出， 虽然方案 1和方案 2的计 算时间少 ， 但与方案 3和方案 4相比， 计算结果略 偏大 ， 计算精度较差； 而方案 3和方案 4运算结果 相近并且均与风洞试验结果接近 ， 但方案 3的计 算时间仅为方案 4的一半 。综合考虑计算精度和 计算时间方面的要求 ， 最终网格划分选取方案 3 。 长安大学对北盘江大桥进行了风动试验测量 主梁各断面的三分力系数 ， 将模型 固定在测力天 平上 ； 测试桥墩各断面的三分力系数时 ， 借助连接 件将模型固定在测力天平上。某试验梁节段模型 照片如图 5 。 图 5 节段 梁风洞试 验 不同风攻角下数值模拟三分力系数与风洞试 验实测三分力系数的对 比见表 2 。 表 2 数值模 拟与试验对比 由表 2可知 ， 阻力系数和升力系数相差不大 ， 阻力系数模拟结果与风动试验结果相差约 5 ％ ， 升力系数模拟结果与风动试验结果相差约 8 ％ ， 因此 F L U E N T数值模拟结 果与试验数据 比较 吻 合。采用 F L U E N T进行桥梁主梁截面的气动特性 研究是可行的。 3 双幅桥梁断面分力系数干扰效应 对于双幅桥梁断面情形 ， 本文还研究了不同 风攻角 见图 2 对双幅上下游梁截面三分力系 数的影响， 其中双幅桥断面气动系数干扰因子定 义 如下 r 、 一 蝠 王 鲎 煎亘 丕 一 单幅梁截面分力力系数 式中 i 取值为d 、 f 、 m， 取值为 1 、 2 。 C 1 表示双 幅上游梁截 面阻力 系数 ， c 2表 示双幅下游梁截面扭转系数 ， s C 1 表示双幅上 游梁截面阻力系数干扰因子 ， 5 C 2 表示双幅下 游梁截面扭转系数干扰因子 ， 其他有相似定义。 计算工况粱高 日为 4 6 5 c m时单幅梁截面和 双幅梁截面的气动特性模拟 ， 风攻角的变化范围 为 一1 0 。 ～1 0 。 ， 每次改变 1 。 ， 共有 4 2个计算工况 。 当风攻角为 1 0 。 时的双幅梁截面计算 网格如 图 6 所示 。 a 单副梁风攻角为l O o 时计算 网格 b双 副柒 风攻 角 为1 0 o 时 计 算 网格 图6 风攻角为 1 0 。 时网格划分 计算得出各工况下 的截面升力系数 ， 图 7给 出了上游梁截面与单幅梁截面的气动系数随风攻 角的变化对 比曲线 ， 图 8给出了上游梁截面与单 幅梁截面的气动系数随风攻角的变化对 比曲线。 1 ． 薹 求 一 风攻角l e 图7 上游梁与单幅梁截面气动系数 随风攻 角的变化 曲线 第 3期 李素杰等 连续刚构桥主梁气动特性数值分析 1 5 9 j _H H ， } ； 卜． j 一 一 风攻角／ o 图 8 下游梁与单 幅梁截 面气 动系数 随风攻角 的变化 曲线 从 图7和图 8可 以看出， 相对 于单 幅梁截面 来说 ， 双幅梁截面气动特性变化 比较大 ， 下游梁截 面气动系数干扰因子大于上游梁截面气动系数干 扰因子， 将部分风攻 角下上下游截面升力系数干 扰 因子列于表 3 。 表 3升力系数干扰因子 4 结 论 1 采用计算流体动力学软件 F L U E N T可以 有效的模拟箱梁截面的扰流现象。 2 相对于单幅梁截面来说 ， 双幅梁截面气 动特性变化比较大 ， 下游梁截面气动 系数干扰因 子大于上游梁截面气动系数干扰 因子 。 参考文献 李林，李乔，廖海， 等．桥梁断面静力三分 力系数的人工神经网络识别[ J ] ．西南交通大学学 报 ， 2 0 0 4， 3 9 6 7 4 0 7 4 4 ． 李薇．C F D方法研 究 桥梁 断 面三分 力 系数 的雷 诺数效应[ D] ．西安长安大学， 2 0 0 7 ． 刘琳娜 ．C F D方 法在 大跨 度 桥梁 气动 控制措 施研 究中的应用[ D] ．武汉武汉理工大学， 2 0 0 7 ． 刘明．连 续刚 构桥 梁 的气动 性 能数值 模拟 研究 [ D ] ．长沙 长沙大学， 2 0 0 9 ． 李黎 ， 曹化锦 ，陈元坤 ， 等．架 空输 电线 的找形 及舞动研究 [ J ] ．华 中科技大学学报 自然科学 版 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 1 0 2 1 0 5 ． 李黎，曹化锦， 罗先国， 等．输电塔一 线体系的舞 动及风振控制 [ J ] ．高电压技术，2 0 1 1 ，3 7 5 1 2 5 3． 1 26 0． 汪洁．高墩大跨连续刚构双幅桥风致干扰效应 研究 [ D] ．西安 长安大学 ， 2 0 1 0 ． Nu me r i c a l S i mul a t i O n f l0 r Ae r o d y na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f Co n t i n uo u s Ri g i d Fr a me Br i d g e s L I S u - j i e ， P E N G Y u a n c h e n g ， L O N G X i a o h o n g ，C A O H u a fi n 1 ．a ． S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d Me c h a n i c s ， b ．H u b e i K e y L a b o r a t o r y o f C o n t r o l S t r u c t u r e ， Hu a z h o ng Un i v e r s i t y o f S c i e nc e a n d Te c h n o l o g y，W u ha n 43 0 0 7 4，Ch i n a； 2 ．C C C S e c o n d H i g h w a y C o n s u l t a n t s C o ， L t d ， Wu h a n 4 3 0 0 5 6 ， C h i n a ； A b s t r a c t B a s - e d o n t h e c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a m i c s C F D ， t h e m e t h o d o f a t w o d i me n s i o n a l c y l i n d e r s u r r o u n d e d b y u n s t e a d y wi n d flo w wa s us i n g t o s o l v e t he be a m c r o s s s e c t i o n o f t h e Co n t i n u o us rig i d b r i d g e ．F i r s t ， t he me s h i n g s c h e me s a r e c o mp a r e d a n d o p t i mi z e d．Th e n u me ric a l s i mul a t i o n r e s ul t s a r e c o mp a r e d wi t h wi n d t un n e l t e s t s r e s u l t s t o v e rif y t h e v a l i d i t y o f t he mo d e l s a n d c a l c u l a t i o n me t h o d．The n t h e a e r o d y n a mi c e ha r a c t e r i s t i c s o f u p s t r e a m a n d d o wn s t r e a m be a m s e c t i o ns o f do u b l e wi d t h b r i d g e s u n d e r d i f f e r e n t a t t a c k a ng l e s a r e i n v e s t i g a t e d，a n d c o mp a r e d wi t h t he a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f s i n g l e b ridg e s e c t i o ns ．An d t h e c o e ffi c i e nt s o f a e r o d y n a mi c i nt e r f e r e n c e f a c t o r a r e o b t a i n e d ．Th e wo r k t u r n s o u t t o b e v e ry i mp o r t a n t t o t h e r e s e a r c h o f a e r o d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s o f u p s t r e a m a n d d o wn s t r e a m be a m s e c t i o n s o f d o u b l e wi dt h b r i d g e s ． Ke y wo r dsc o n t i n u o u s rig i d f r a me brid g e s；n u me r i c a l s i mu l a t i o n；wi n d t u nn e l t e s t s； a e r o d y n a mi c i n t e r f e r e n c e 4 2 O 8 6 4 2 O 2 4 1 l l O O O O O 0 O 搽 ． ． ] J] j] {1 J 1 J