基于CFD方法的大跨高墩刚构桥梁风荷载数值识别.pdf

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第27卷第10期2010年10月公路交通科技JournalofHighwayandTransportationResearchandDevelopmentVoL27No．100ct．2010文章编号：1002—0268(2010)10一0072—05基于CFD方法的大跨高墩刚构桥梁风荷载数值识别王润建1，李海光2(1．北京公科固桥技术有限公司，北京100088；2．金华市公路管理处，浙江金华321001)摘要：针对峡谷地区典型特大跨高墩桥梁结构风荷载的不确定性问题，采用计算流体动力学(CFD。ComputationalFluidDynamics)方法，对大跨变截面主梁和超高双柱薄壁桥墩的风荷载进行数值识别。研究不同气流攻角对主梁结构风荷载的影响、不同气流风偏角对超高薄壁墩风荷栽的影响、考虑尾流干扰效应的双柱薄壁桥墩气动力变化过程。同时，从气流作用微观角度分析了气流对大跨高墩刚构桥梁结构风荷载的作用机理。通过数值计算，为设计人员进行大跨高墩桥梁风荷栽的取值提供了参考，对目前我国相关桥梁设计规范的缺陷进行了有效的补充。关键词：桥梁工程；风荷栽；CFD；超高薄壁墩；数值识别中图分类号：U441+．2文献标识码：ANumericalIdentificationofWindLoadBasedonCFDMethodforRigid-frameBridgewithLong·-spansandHigh·-piersWANGRunjianl，LIHaiguan92(1．BeijingConskeBridgeTechnologyCo．，Ltd．，Bering100088，China；2．JinhuaHighwayManagementOffice，JinhuaZh@ang321001，China)Abstract：Consideringtheuncertaintyofwindloadfortypicalbridgestructureswithlong··spansandhish·-piersincanyonarea，theComputationalFluidDynamics(CFD)methodwasappliedtocarryoutthenumericMidentificationofwindloadonthelong—spanbeamwitllvariablecross-sectionandthesuper·higIlpierwiththin·wallanddouble—column．Theinfluenceofdifferentaircurrentattackanglesonmaingirderstructureunderwindload，theinfluenceofdifferentaircurrentwindageanglesonsuper—highpierwiththin-wallunderwindload，andtheaerodynamicchangeprocessofthepierwiththin—wallanddouble—columnundertheconditionofwakeinterferenceeffectwereinvestigated．Simultaneously，themechanismofaircurrentfunctionontherigidframebridgestructurewithlong··spansandhish·-piersunderwindloadwasanalyzedfromthemicrocosmicaspect．Thenumericalcalculationprovidedreferentialvaluesofwindloadofbridgestructureswithlong··spanandhish·-piersfordesignersasaneffectivesupplementtothedomesticbridgedesignspecification．Keywords：bridgeengineering；windload；ComputationalFluidDynamics；superpierwiththin—wall；numericalidentification0引言在我国西部山区高速公路建设中，出现了不少跨越深山峡谷的桥梁，其中高墩大跨刚构桥是常见的桥型，如图1所示。这种桥梁的桥面距离山谷底部地面或水面高达到150m以上，桥墩最大高度也达到150m以上，主梁最大跨度达到200m以上。由于跨度大、桥墩高、结构柔、桥位风环境分布复杂，收稿日期：2010-01-28作者简介：王润建(1977一)，男，山东泰安人，硕士，从事桥梁加固设计、检测评定研究．(wangnmjian@126．tom) 第10期王润建，等：基于CFD方法的大跨高墩刚构桥梁风荷载数值识别73这种高墩大跨刚构桥的抗风性能与传统刚构桥梁相比就变得非常脆弱。然而，在我国的相关桥梁设计规范中并没有对这种桥梁的主梁和超高薄壁墩的风荷载进行规定⋯，这给设计人员带来了很大的麻烦。图1高墩特大跨刚构桥示意图Fig．1mgid-framebridgewithlong-spansandhigh·piers目前对桥梁结构风荷载进行评价的最直接的方法就是进行物理模型风洞试验旧qJ，越来越多的大跨径桥梁结构相关研究均采用了风洞试验的方法H一71，但是由于建设经费和时间的限制，在实际工程中开展风洞试验的难度非常大。因此，有必要通过其他途径对该类桥梁的抗风性能进行研究。随着计算机技术和空气动力学理论的飞速发展，基于计算流体动力学(CFD，ComputationalFluidDynamics)技术的桥梁数值风洞技术已经进入了实用阶段，并且在超大跨径缆索承重桥梁的抗风性能研究实践中得到了充分的体现¨。13l。运用CFD技术对典型高墩特大跨桥梁结构的风荷载进行数值识别，研究大攻角对主梁结构风荷载的影响、不同风偏角对超高双柱薄壁墩气动力的影响，考虑结构尾流效应对双柱式桥墩的作用，并从气流微观角度揭示了大跨高墩刚构桥梁的气动性能变化机理。1流体运动控制方程反映流体流动的数学模型由控制方程和定解条件组成。牛顿型流体流动的控制方程包括质量守恒方程(连续方程)和动量守恒方程(Navier-Stokes方程)。对于非定常流动问题，定解条件包括初始条件和边界条件。连续方程是质量守恒定律在流体运动时的反映，任意情况下的流体连续方程为：f塑+业：0，POxi’(1)【或害+弘(川=amp+divpV=0，式中，P为流体的密度；t为时间；V为流体的速度矢量；n为流体的速度分量；助微分矢量算子；磬为单位体积内流体在所观察的时间间隔内的质量变化；divpV为在该段时间内由单位体积表面流出与流入质量之差。在桥梁空气动力学中，通常将气流假定为不可压缩的，则式(1)变为：j，’≥=0，或divV=0。(2)dXi动量守恒方程(Navie-Stokes方程)反映作用于流体的力与流体质点的加速度之间的关系。根据牛顿第2定律：pa=f+△·∥，(3)式中，，为作用在单位体积流体上的质量力；a为流体的加速度；P为作用在单位体积流体上的应力张量。如果流体是各项同性的，满足线性应力应变关系假设的Newton流体，其本构关系可表示为：矿=(一P+AdivV)+，+ZpD，(4)式中，盯为应力张量；D为应变率张量；P为热力学压强；肛为Newton流体的粘性系数；A为Newton流体的第2粘性系数；，为单位张量。从理论上讲，根据控制方程可以求解所有的问题，但是实际上受到计算条件的限制无法实现，因此还需要对基本方程进行各种假定推出变形的基本方程，从而建立不同的数学模型。基于以上基本流动控制方程，利用数值计算方法，就可以对不同的结构绕流稳定进行数值求解。2大跨刚构桥主梁的风荷载识别2．1主梁气动力计算方法及其气动力的定义典型的大跨刚构桥梁的主梁为变截面梁，如图2所示。为计算方便，本文采用二维计算流体动力学方法来进行风荷载识别¨4。15|。这样，主梁的风荷载计算就可以分解为分别对不同位置的断面结构进行风荷载识别。在此取有代表性的3种断面进行风荷载模拟，如图2所示。气流流过主梁结构后产生的风荷载主要包括：顺风向的阻力FD、横风向的升力凡和扭矩FM等。通常用无量纲量来表示，即静风3分力系数：阻力系数cD、升力系数c。以及扭矩系数cM。3分力系数的定义如下：r'FUr’FLr’FMcD=斗；cL=}；cM=_-L，{p驴H如U2B等p驴B2(5)式中，R、R和风分别为单位长度桥面的阻力、升力和力矩；P为空气质量密度；U为来流风速；日、且分别为主梁截面的高度和宽度。2．2主梁风荷载数值识别结果利用CFD技术，分别对以上3种断面、5种风 74公路交通科技第27卷F≥鲤，Z型2≯Z咝，!鲤，(b)主粱根部断面萤譬患线(c)2／5位置断面(d)主粱跨中断面图2大跨刚构桥主梁结构示意图(单位：em)Fig．2Mainbeamoflong-spanrigid·framebridge(unit：咖)攻角(攻角分别为一6。、一3。、0。、3。和+60)进即CD小^