门式变断面桥塔气动力系数及涡振性能研究.pdf

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1、第39卷第5期四川建筑科学研究2013年lO月SichuanBuildingScience139门式变断面桥塔气动力系数及涡振性能研究邵春生，刘多特，唐浩俊，王云飞，卢伟，曹平辉，李永乐(I．四川公路桥梁建设集团有限公司，四川成都610041；2．西南交通大学土木工程学院桥梁系，四川成都610031)摘要：为研究门式变断面桥塔风致静动力性能，采用CFD数值模拟方法对塔柱典型断面进行定常及非定常分析，考查了断面静力气动力系数及涡振参数，对桥塔涡振性能进行了初步评判；通过气弹模型风洞试验，测试了塔柱自振特性，考查了不同风速下均匀流及紊流场中桥塔涡振起振风速及塔顶水平向

2、位移响应，并与数值分析结果进行了对比。研究表明，风洞试验与CFD结果吻合，采用数值分析方法对桥塔顺桥向涡振性能进行预测具有足够精度；横桥向来流作用下，塔柱可能发生顺桥向涡振。关键词：桥塔；气动力系数；涡激振动；风洞试验；CFD中图分类号：TU399文献标志码：B文章编号：1008—1933(2013)05—139—050引言1断面选取及几何参数门式桥塔是缆索承重体系桥梁最为常用的形式南溪长江大桥是国家高速公路网成渝地区环线之一，随着跨江跨海桥对主跨跨径的要求，桥塔设计纳溪至宜宾段设置的一座特大型双塔单跨简支悬索更为高耸，相应刚度降低，风荷载作用下的桥塔静动桥，全桥

3、总长1295．89m，主跨820m。主梁采用钢力响应问题也更为突出¨引。箱梁断面，桥塔为混凝土双柱门式桥塔，北岸桥塔高对桥塔风致响应的研究主要集中在塔柱静风内137．61m，南岸桥塔高149．61m，塔柱至下而上向力、驰振、抖振及涡振方面。其中，驰振作为发散性内微倾斜3。52，断面尺寸随塔高线性递减。由于两振动，对结构具有毁灭性破坏，但通过合理的塔柱断岸桥塔高度不等，本研究偏安全的选取较高的南桥面设计，即可有效的避免发生；涡振是柔性体系在低塔进行分析，另外，为考察不同塔高位置断面的气动风速下极易发生的一种风振现象，与抖振同属限幅力性能，选取1／4、1／2、3／4三

4、种塔高典型断面进行振动，兼具自激和强迫振动性质，虽不及驰振具有毁计算，各断面特征尺寸如图1所示。灭性发散特点，但其发振风速较低，相对抖振往往具有更大周期性振幅，对施工状态下的结构稳定及疲翼[[I~=5『~IR0．7一劳性能、成桥状态行车舒适度及交通运营都具有较⋯一面口引大影响[4-5]。而静力气动力系数作为静风内力、抖振驰振计算的必要参数，在桥塔风振响应研究中也具量[口I,5IR0．7-3口雾l有同等重要地位。～i本文以南溪长江大桥为依托工程，采用CFD数值计算方法，对门式桥塔三种塔高下的典型断面静力气动力系数及涡振参数进行了考察，利用桥塔涡31．6⋯面口振“特征

5、参数”，近似计算并预测了横风下塔柱的涡图1南桥塔断面特征尺寸(单位：m)振起振风速，并通过缩尺气弹风洞试验，对桥塔涡振起振风速、塔顶位移均方根响应进行了i贝4试。2桥塔气动性能CFD分析2．1塔柱断面静力气动力系数收稿日期：2012-08-022．1．1模型设置及验证分析作者简介：邵春生(1974一)，男，黑龙江伊春人，高级工程师，研究方向：大跨度桥梁的施工。定义体轴坐标系下静力三分力系数有式(1)～E—mail：wangyunfeihn@163．com(3)。2013No．5邵春生，等：门式变断面桥塔气动力系数及涡振性能研究14l风向角a／(。)风向角a／(。J

6、(a)阻力系数(b)升力系数图5各计算断面不同风向角的三分力系数2．2塔柱断面涡振性能分析系数幅值谱图。旋涡的脱落频率与风速及结构的断面形状有通过对桥塔断面进行涡振性能计算，反映了不关，可用斯托罗哈数．s。来描述。同塔高位置横桥向和顺桥向各断面的涡激振动规S=fo／u(4)律。表3为各断面下的旋涡脱落频率，根据式(4)式中Hz)为旋涡脱落频率；D(m)为物体垂直于计算出了对应斯托罗哈数。来流方向平面上的特征尺寸；u(m／s)为来流速度。表3南岸桥塔断面涡振性能通过计算断面的斯托罗哈数，可以对等断面柱体的涡振性能进行分析，通过非定常分析，计算得到主梁断面三分力系数随

7、时间波动的时程曲线，对该曲线进行频谱分析，即可提取旋涡脱落频率／，根据式(4)可计算出断面的斯托罗哈数S．。涡激振动的计算中，同样取南桥塔1／4、1／2、3／4塔高断面计算涡激振动性能，各断面分别采用与实际高度设计风速进行分析。图6～7为南岸桥塔部分特征断面在对应风速下的升力时程曲线与升力迭代时间／s频率／Hz(a)升力系数时程曲线(b)升力系数幅值谱图6横桥向1／4塔高断面(南桥塔)分析结果可知，随着风速的增加、计算断面面积应于第二个卓越频率的斯托罗哈数的平均值为的减小，桥塔在横桥向和顺桥向的旋涡脱落频率均0．225，近似将1／2塔高处塔柱的顺桥向宽度7．25逐

8、渐增大，横