基于CFD的桥梁抗风设计

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1、2014年5月第5期城市道桥与防洪桥梁结构91基于CFD的桥梁抗风设计崔禄(烟台市城建设计研究院有限公司，山东烟台264003)摘要：以某大桥方案为例，采用ICEM和FLUENT建立了定常和非定常模型，分析并得到了其空气动力学参数。叙述桥梁抗风设计的原理及具体流程，有助于类似工程在方案及初步设计阶段快速判定桥梁的抗风性能。关键词：桥梁；抗风；三分力系数；气动导数；气动导纳中图分类号：U442文献标识码：A文章编号：1009—7716(2014)05—0091—020引言+v(puu)：V(Itgradu)__Op+近年来，随着我国交通行业的发展，一些大跨O(p

2、v)+v(u)V(1ggradv)一．Op+—_一：桥梁也越来越多。目前这类桥梁的抗风大多由风洞实验得到相关的气动参数用于桥梁设计，但是由于O(pw)+V(pwu)VCugradw)一Op—_：一+风洞试验的昂贵费用和较长的周期，因而很少在方案及初步设计阶段中用到。但这类桥梁由于其投资式中：p为空气密度；为速度分量；为拉普拉斯额大，且前期方案对工程造价影响较大，而抗风又算子；p为压力；“为流体运动黏度系薮；、、Sw为是这类桥梁方案的重中之重，因此在方案及初步设动量守恒方程的广义源项；grad为梯度。计阶段的基于CFD的抗风设计就显露出它的强大3气动参数的模拟优

3、势来。三分力系数的静风作用的重要参数，可采用下1工程概况列公式【3得到：某大桥方案设计为192m+548m+192ITI三跨Bp连续悬索桥，加劲梁采用扁平钢箱梁，门字框架式n1U2藏索塔，钻孔群桩基础。根据气象资料，该桥的设计基准风速为38．1m／s，风速较大，因此，抗风设计在该：L桥中显得尤为重要。桥梁立面及扁平钢箱梁的断面．1A图详见图1、图2。Z式中：、厶、为单位长度上的阻力、升力、升力2理论背景^距；为平均风速；d和，为几何特征尺寸分别作用于桥梁的风荷载是由平均风作用、脉动风取截面的高和宽；A为扭转系数，标准化为的背景作用及结构惯性动力作用叠加而成。规

4、范【1]A=B。已经给出平均风和脉动风的背景作用的计算公式，用ICEM和FLUENT建立二维模型基于N—s但未给出静力三分力系数、结构惯性动力的公式，方程，采用LES模拟，具体详见图3～图5仅建议风洞试验。桥梁均位于大气边界层，且桥梁基于模型得到：Ca=0．286；Cl=一0．116；Cm=一0．251。工程中通常不考虑温度的变化，因此不必遵守能量气动导数的识别是大跨度桥梁的颤振和抖振守恒方程，但必遵循下列方程Izl：分析过程的重要基础。美国风工程研究中采用的线+V(pu)：0性表达式[4J：1(2B)(K／-／*+K／／；Wa+K；口+=~收稿日期：2013

5、—12—24作者简介：崔禄(1985一)，男，山东蓬莱人，助理工程师，从事路考+KII'~+：)桥设计工作。2014年5月第5期城市道桥与防洪桥梁结构95卸架程序逐步脱架施工台帽以上部分台身施合主梁和斜腿的结构计算，分析地基应力是否满工桥面系。足设计要求；若不满足，还须对斜腿基础进行阻滑建成后的环东路立交桥见图5。体系设计。主梁和斜腿的交接处是斜腿刚构受力较复杂的部位，主梁、斜腿、墩顶横梁在构造上应进行合理设计，必要时应进行局部应力分析。对于一般大桥以及中小跨径的斜腿刚构而言，主梁截面一般采用扁箱结构，设计时应注意预应力钢束的配置和锚固，将主梁端部顶、底板加厚

6、，腹板加宽，以抵抗该处较大的剪力，并满足锚图5建成后的斜腿刚构立交桥固要求。对扁箱截面的施工可采取先施工底板、腹板，再施工顶板的工艺，但须注意施工质量控制，5结语防止混凝土局部脱空以及龄期过长诱发截面开裂斜腿刚构具有梁拱两种桥梁结构形式的力学等安全隐患的发生。特征，斜腿和中跨梁体的组合结构具有拱式结构的力学特征，而两侧边跨具有梁式结构的力学特参考文献征。斜腿刚构的斜腿支承处可刚接也可铰接，主要[1】CJJ11-2011，城市桥梁设计规范[s]．2012．根据斜腿的刚度而定，如斜腿刚度小，可采用固[2】徐光辉．预应力混凝土刚架桥【M】．北京：人民交通出版社，19

7、95．[3]JTGD62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范结，反之可采用铰接，最终由结构计算控制。[S】．2004．斜腿基础要承担斜腿传递下来的竖向力和水【4]JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范[St．2004．平推力，工程实践中需要根据桥址处地质情况，结[5】JTGD63—2007，公路桥涵地基与基础设计规范[s]．2007．(上接第92页)式中：、、分别为升力、阻力及扭矩的气动导洞实验经济得多，因此实际工程建议均采用三维纳函数；、、分别为升力系数、阻力系数、扭矩模拟。系数的曲线斜率；Sz、Sa、S分别为升力、阻力、扭矩同时现阶段

8、气动导纳的尝试在低频区域比较的功率谱；