基于CFD数值模拟对大跨桥梁主梁断面颤振研究.doc

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基于CFD数值模拟对大跨桥梁主梁断面颤振研究王黎明中铁第一勘察设计院集团有限公司摘要：随着桥梁设计跨度增大，结构对风荷载作用极为敏感。采用CFD数值模拟方法研究桃花峪黄河大桥主梁断而颤振问题，根据分状态强迫振动法给出了颤振导数识别方法建立了数值计算模型，经计算得出结论:在+5°风攻角下造成竖向振幅为0.03m所需风速约为13.2m/s,在+3°风攻角下造成相同竖向振幅所需风速约为14.2m/s;在+5。风攻角下造成扭转振幅为6。所需风速约为13.1m/s,在+3°风攻角下造成相同扭转振幅为6。所需风速约为14.0m/s,风攻角是颤振重要因素;经模拟气动流场得到主梁结构在0。、+3。及-3°攻角下颤振临界状态涡量变化情况可知随着风速增大涡量图为一对细长互不干涉正负涡量逐步增大至正负交替漩涡，在尾流处耦合成2个相互交替大漩涡。关键词：颤振;风攻角;风速;主梁断而;作者简介：王黎明(1975—),男，河北平山人，高级工程师，主要研究方向:公路桥梁设计及施工。收稿日期:2017-04-05基金：陕西省交通运输厅科研项目(15-01K) StudyonFlutterofMainGirderofLongSpanBridgeBasedonCFDNumericalSimulationWANGLimingChin且RailwayFirstSurver&DesignInstituteGroupC0・，LTD.;Abstract：Withtheincreasingspanofbridgedesign,thestructureisverysensitivetowindload.UsingCFDnumericalsimulationmethodtostudythetaohuayutheYellowRiverbridgesectionflutter,flutterderivativesidentifica/tionmethodisanumericalcalculationmodelisestablishedaccordingtothegivenstateforcedvibrationmethod,thecalculatedconclusioncausedbyverticalamplitudeof0.03mrequiredwindspeedisabout13.2m/sat+5DEGwindangleofattack,causingthesameverticalamplituderequiredaboutwindspeedfor14.2m/sat+3DEGwindsttackangleis6degrees;causedbythetorsionamplituderequiredwindspeedisabout13.1m/sat+5DEGwindangleofattack,causingthesametorsionamplitudeis6degreesrequiredspeedisabout14.0m/sat+3DEGwindattackangle,windattackangleisanimportantfactorofflutter;aerodynamicflowfieldobtainedbysimulatinggirderflutterin0degrees,+3degreesand~3degreesatcriticalstatechangesofvorticityshowsasthewindspeedincreasesthevorticitygraphisapairofelongatednon-interferenceinpositiveandnegativevorticityincreasesgradual1toalternateinthewakevortexatTwomutuallyalternatingvortices.Keyword：flutter;windattackangle;windspeed;maingirdersection;Received：2017-04-05 0引言大跨桥梁对风作用十分敏感，在桥梁概念设计阶段必须考虑抗风问题丄口。桥梁风致震动作用分为两类:其一为脉动风对桥梁结构作用，即静风荷载与动力作用下强迫振动;其二为平均风作用下形成自激震动也。颤振是结构动力失稳导致的发散性自激震动，是大跨桥梁抗风研究主要内容固。传统桥梁抗风特性研究主要是缩尺模型风洞实验，试验往往受到人力、经费时间限制，随着计算机技术进步，计算流体力学(ComputationalFluidDynamic,简称CFD)逐步发展具备了取代风洞实验的可能性血。CFD可以模拟实际尺寸模型以及实际流场大小并根据实际情况设置不同参数，可以大大节省经济成本提高工作效率世1，为此本文以CFD数值模拟方法研究大跨桥梁断面颤振问题。 1主梁断面CFD颤振计算根据《建筑结构荷载设计规范KB50009-2012,风荷载对桥梁输入能量大于结构自身阻尼耗费能量导致桥梁颤振，桥梁颤振是由空气动力学引起的自发性震动。针对大部分桥梁主梁结构，临界风速为桥梁颤振重要指标，临界风速指主梁结构在此风速下阻尼为零，超过临界风俗后桥梁发生颤振。颤振分为两类，其一为硬颤振(下文简称颤振)，风速略有增加结构阻尼瞬间下降;其二为软颤振，风速略有增加结构阻尼逐步下降，产牛振幅增大想彖。本文选用足尺模型计算，数值计算方法釆用分状态强迫振动法，利用颤振导数识别颤振时响应发散临界风速值。1.1分状态强迫振动考虑模型节段自由度运动对应颤振倒数，选用分状态强迫振动法，针对二维模型考虑扭转与竖向2个自由度，得出节段模型运动方程为：式中:ni为节段模型单位长度；I为质量惯性矩；L分别为节段模型单位长度气动升力;M为节段模型单位长度气动升力距；2八Eh表示扭转、弯矩阻尼比；3八3h表示扭转、弯矩圆频率，针对颤振倒数识别，给出纯竖弯h(t)、扭转a(t)运动方程：式中:h°为结构运动振幅;f为结构震动频率，设置模型做纯弯运动，根据公式(2)可知:纯竖弯在周期整数倍上均值为零，由于气动的非线性使得纯竖弯平均值偏离平衡位置，在后续计算中需进行零值化处理。1.2颤振导数识别通过ANSYS9.0软件进行结构计算输出扭转系数与时间升力，将对应系数转化为对应时刻气动力记为亂与Li(i=l,2,・・・，n),由公式(2)求得对应时刻竖向运动速度记为入、由此得到关于颤振导数S’S,公式:其中: 在式(6)、式(7)中：分别为升力与扭矩平均值。Ih、11|、入、入分别为结构刚度，由最小二乘法拟合求得：为使模型在流场中运动，需自编UDF求出桥梁断面受力与位移，首先在UDF编译中定义时间步升力、阻力、扭转系数。然后计算得出结构所受扭矩与升力，将输出速度赋予断而周围结构化网格进行下一时间步计算，设定足够计算时间步以保障整体流场计算迭代至满意效果，每一次迭代后进行网格更新同时输出断面位置信息。结合工程实例对桃花峪黄河大桥进行0。、±3°及+5。风攻角不同风速下断面影响特性以及颤振特性，最后绘制输出对应受力与时程曲线。2大跨桥梁主梁断面颤振研究2.1几何模型与网格划分以桃花峪黄河大桥主梁为工程实例进行计算，其主梁截断面施工尺寸见图1,模型四周釆用结构化三角形网格见图2所示:靠近模型表面处网格相对设计为较小网格，远处流场设计为较大网格。因此网格尺寸由近壁到边界采用尺寸函数控制以得到合理网格布局。图1主梁节段模型尺寸(单位:m)Figure1Dimensionofgirdersegmentmodel(unit:m)下载原图图2壁面网格布局Figure2Wallmeshlayout下载原图计算模型选取各项结构参数见表1。表1桃花峪黄河大桥足尺模型计算结构参数Table1Calculationofstructuralparametersoftaohuayutheyellowriverbridgemodel下载原表2.2结果分析 采用FLUENT软件分别计算了0°、±3°及+5。风攻角下不同风速主梁震动状态受力情况，以+3°风攻角为例得到主梁不同震动状态下升了系数与扭矩系数见图3。图3+3°风攻角下震动状态三分力系数Figure3+3°windattackanglevibratingthreecompo-nentcoefficient下载原图在图3中未呈现波动状态实线为模型静止状态下分立系数时程，此时尾流漩涡脱落不足以引起规律的脉动气动力。风速在13.3m/s情况下升力系数与扭矩系数呈有阻尼变化规律，随着时间增大而减小，风速为14.6m/s时升力系数与扭矩系数在4s后消失说明此风速高于颤振范围，因此风速13.3、14.6、14.2m/s分别低于、高于以及在颤振风速范围内。与位移规律相同，在+3°风攻角下来流风速小于颤振风速时模型扭矩及升力系数趋于零。由图3亦可知当风速为13.3m/s时，扭矩及升力系数并未随着时间增加而趋于与静止状态重合，这是由于附加攻角引起的，此时风攻角为大于+3°某个值。计算模型在+3。、+5。攻角下颤振风速范围内竖弯扭转位移与风速关系如图4所示。图4算例主梁+3°、+5°攻角下颤振范围振幅比较FigureComparisonofflutteramplitudeat+3degreeand+5degreeangleofattack下载原图由图4(a)可知在使主梁结构达到相同竖向振幅条件下+5°攻角所需风速远小于3°攻角下所需风速，在+5°风攻角下造成竖向振幅为0.03ni所需风速约为13.2m/s,在+3°风攻角下造成竖向振幅为0.03m所需风速约为14.2m/s;由图4(b)可知扭转振幅与竖向振幅变化规律相似，在+5。风攻角下造成扭转振幅为6。所需风速约为13.1m/s,在+3。风攻角下造成扭转振幅为6。所需风速约为14.0m/s;由图4亦可知风攻角越大主梁竖向振幅与扭转振幅变化越剧烈，说明风攻角是颤振重要因素。经ANSYS9.0计算得出+5°风攻角下模型颤振风速范围在10.9^13.5m/s,对应扭转振幅为1.6。为。,与风洞实验回所得实际情况基木一致。当模型模拟震动稳定时取风速在11.2v13.3m/s内震动稳定时位移时程,设计拟合公式为y=ai+a2•sin(a3t+a4),其中，且】为静风位移;出为震动振幅忌t+a’为震动相位忌为震动频率，根据模型所得相关参数拟合得到不同风速下位移随时间变化公式。以步长为0.4,选取风速在11.2、13・3m/s内震动振幅等各相关系数如表2所示。由表可知随来流风速增加，震动频率出逐渐减小;随着风速增大扭转位移耳竖向位移相位差呈递减趋势，但扭转位移震动始终领先于竖向位移。表2颤振风速内不同风速位移拟合系数Table2Fittingcoefficientofdifferent windspeedinflutterwindspeed下载原表3可视化流场特征分析经模拟气动流场得到主梁结构在0。、+3。及-3°攻角下颤振临界状态涡量图如图5所示。图5不同攻角平稳与颤振条件下涡量图Figure5Vorticityatdifferentanglesof8ttackunderstationaryandflutterconditions下载原图在图5中红色带代表顺时针涡量、蓝色代表逆时针涡量，由图5可知:在攻角來流风速低于颤振临界风速时，断而尾流处形成一对细长涡流，随着距断而距离增大，二者相互间隔增大。与此同时图中颜色逐渐变浅至耗散，说明涡量能量逐渐减小。来流风速高于颤振临界风速时，两束涡量波动逐步在尾流处耦合成两个相互交替大漩涡。在+5°攻角下出现了等幅震动软颤振现象，其风速涡量图如图6所示。图6+5°攻角下不同风速涡量图Figure6Vorticityatdifferentwindspeeds8t+5de-greeangleofsttack下载原图图6(a)为低于软颤振风速涡量图，图6(Ifd)为软颤振范围内风速流场涡量图。由图可知随着风速增大涡量图为一对细长互不干涉正负涡量逐步变为交替两个漩涡，且漩涡能量逐步变大，振幅逐渐增大，影响范围也随之增大。图7为+5°攻角风速12.5m/s下同一周期不同时刻涡量图，图7(a)为扭转振动最低点涡量图，图7(c)为扭转振动最高点涡量图，图7(b)及图7(d)为扭转震动平衡点时涡量图。图7+5°攻角风速12.5m/s下同一周期不同时刻涡量图Figure7+5degreeangleofattackwindspeed12.5m/sthesameperioddifferenttimevortex下载原图由图7可知:在门T时刻也就是扭转振动最低点，正向窝量位于断面最右侧，经T/4后正向涡量漩涡大部分与断面分离，再经T/4后负向窝量到达断面最右侧，再经T/4后负向窝量漩涡基本脱离断面，涡量图在一个周期内完成一个轮回。 4结论本文结合桃花峪黄河大桥工程实例，对桥梁主梁断面进行CFD数值模拟，研究了其断而颤振问题，根据模型数据分析共得出以下几点结论：(1)根据分状态强迫振动法给出了颤振导数识别方法，并结合桃花峪黄河大桥建立了梁主梁断CFD数值模拟模型，为下文模型计算奠定了理论基础，可将模型推广以用CFD数值计算方法解决类似问题。⑵经模型计算可知风速13.3、14.6、14.2m/s分别低于、高于以及在颤振风速范围内；在+3°风攻角下来流风速小于颤振风速时模型扭矩及升力系数趋于零;来流风速处于颤振风速段内时模型扭矩及升力系数保持等幅震动，因此在进行主梁结构设计时，需特别考虑来流风速以及风攻角问题。(2)针对来流流场进行可视化特征分析可知来流风速高于颤振临界风速时，两束涡量波动逐步增大至交替脱落漩涡，在尾流处耦合成两个相互交替大漩涡。在+5°攻角下出现了等幅震动软颤振现象，风速低于软颤振风速时，涡量图为一对细长互不干涉正负涡量，来流风速在软颤振风速范围内时，漩涡能量逐步变大，振幅逐渐增大，影响范围也随之增大。参考文献[1]龚慧星.大跨度桥梁主梁涡激振动展向效应试验研究[D].长沙:湖南大学，2016.[2]刘十一，葛耀君.非线性子系统的大振幅时域自激力模型[J].哈尔滨工业大学学报，2015(9):73-78・[3]贾…全.山区窄式悬索桥加劲梁断面气动选型数值分析[D].兰州：兰州交通人学，2015.[4]工向军，刘志刚，李荣，等.基于CFD数值模拟方法的日光温室建模研究[J].农机化研究，2014(6):184-188.[5]张建.扁平钢箱梁的颤振性能数值研究及涡振性能试验研究[D].成都:西南交通大学，2014.[6]李永乐，安伟胜，李翠娟，等.基于风致静动力稳定性的超大跨径桥梁主梁比选研究[J]•公路交通科技，2012(8):51-55+77.[7]马兴峰.大跨直立混凝土斜拉桥体系动力性能分析[J].公路工程，2014 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