基于数值风洞的拱桥风荷载研究

《基于数值风洞的拱桥风荷载研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、⋯⋯一s◎基于数值风洞的拱桥风荷载研究李小年，艾辉林，马如进(同济大学桥梁工程系，上海200092)摘要：计算流体动力学方法可以解决复杂拱桥的三维绕流问题。以九堡大桥主桥为工程背景，通过数值模拟得出了大桥主梁的静力三分力系数以及空间拱肋的风荷载参数，最终分析得到该桥的风荷载响应及一类稳定安全系数，为复杂桥梁结构的抗风研究提供了参考。关键词：拱桥；三分力系数；风荷载；数值风洞0引言及混凝土桥面板组成。主、副拱肋均为钢箱结构，以横近年随着计算流体力学技术的发展，及高速、大容向连杆相连，副拱肋拱顶设置3道横撑。主

2、拱肋为主量计算机的出现，应用数值风洞技术对复杂工程结构要承重构件，其轴线为二次抛物线，处于同一平面内但的三维绕流场进行数值模拟已成为可能口]。利用大涡外倾12。，立面矢高43．784m。间距为27．6m的两侧数值模拟方法[2铷针对整个桥梁空间进行流场模拟，不钢主纵梁内部设系杆索，每隔4．25m设置一道横梁，仅能够获得传统风洞试验方法可得的相应参数，而且每两道横梁之间设置两道小纵梁，其上铺设26cm厚还能够考虑复杂拱肋结构的三维绕流特征。的混凝土桥面板。拱桥吊杆间距8．5in，吊杆上端锚本文以杭州市九堡大桥为

3、工程背景，利用大涡数固于主拱肋，下端锚固于钢主纵梁。九堡大桥主桥横值模拟技术，解决了复杂拱桥的三维空间绕流数值模断面如图2所示。拟问题，给出了大桥主梁的静力三分力系数以及空间拱肋的风荷载参数，并在此基础上进行了风荷载响应分析和弹性稳定性分析。1工程背景九堡大桥主航道桥采用结合梁一钢拱组合体系拱桥，上部结构中的梁与拱有机结合形成一连续完整结构，支承在V形墩上，跨径布置为188ITI+22ITIq-188ITI+22m+188m，如图1所示。图2九堡大桥主桥横断面圭堑塞叵n对于九堡大桥这种结构新颖的复杂拱桥，目

4、前的《公路桥梁设计规范》中相关条文与规定不能满足抗风设计需求，而传统的风洞试验方法亦无法获得各个具体构件的风荷载参数；因此，数值模拟方法则成为解决≤三鲑嚣噩蓝瑟酒：照鸶鏊塾墼一目复杂拱桥风荷载与风致振动问题的有效途径。图1九堡大桥主桥总体布置图2主梁断面三分力系数该桥拱肋系统由主拱肋、副拱肋、横向连杆以及拱2．1数值模拟方法顶横撑等构件组成，钢一混凝土组合梁桥面系由钢箱在桥梁抗风研究中，静力三分力系数(阻力系数主纵梁、工字形横梁、小纵梁组成的双主梁格构体系以Co、升力系数C以及升力矩系数CM)是静风荷载稳定

5、收稿日期：2012-0514性、抖振响应以及驰振稳定性分析中的重要参数，三分No．32012上咯31◎一⋯一s力系数的取值将直接影响桥梁抗风分析的精度。采用2·72·4／数值风洞模拟主梁断面，取主梁断面宽37．7m，高——t—一一214．5m。成桥状态断面考虑桥面栏杆、防撞栏及底部1．8的检修轨道等附属结构；施工状态断面则仅考虑钢主纵梁与小纵梁，以得到横桥向风作用下的三分力系数。套1．2⋯0+阻力系数通过求解带初边值条件的流动控制方程，可以得．9+升力系数O·6_▲-扭矩系数到感兴趣的流场参数，如速度、压力

6、等，并对绕流物体0_3的表面压力积分，则可得到作用在物体上的气动力，如o．o阻力、升力和扭矩。参考图3所示的风轴坐标系统，以一6—4—20246风向角)断面形心为参考点，则三分力系数定义为：阻力系数：CD—FD／qH；图5施工状态主梁三分力系数升力系数：C一F／qB；升力矩系数：CM===FM／qB。式中：q一0．5ID为来流动压；ID和分别为空气密度和来流速度；F。、F、F分别为每延米阻力、升力和扭矩；B为主梁宽度；H为主梁高度；a为风攻角。图6成桥状态O。风攻角流场显示图3风荷载坐标系统示意图由体轴到风

7、轴，阻力和升力的转换存在简单的几何关系：CH-／'丽+II—C。‘c。s—C。B／H。sinCv一—1／—2_p二U_~一BL一CCD·。H／Bsina—CL·‘co。sa2．2结果分析图7施工状态0。风攻角流场显示通过数值风洞模拟，得到体轴坐标下主梁三分力气动参数数值模拟结果显示：主梁在施工状态下系数结果如图4～图5所示。图6～图7给出了主梁的气动参数明显较成桥状态要大，原因在于施工状态断面在0。风攻角下的流场图。下主要由两个独立的主纵梁产生风荷载，而主纵梁的1．5L、、／l断面形式相当于矩形断面，因此会

8、产生较大的风阻力，．／r1．2且施工阶段风参数表现出对风攻角的不敏感。0．9+阻力系数纂—·一千十r素：-打0．6—箍箍素簸3主副拱三维气动参数模拟R0．3¨13．1数值模拟方法一／，。0．0／由于拱肋为空问三维结构，气流流经拱肋形成的—1厂—0．3／L———一流场即受到周围拱肋的相互干扰，同时也受到桥梁结～-0．6构其他部分的影响，包括桥面及墩台等。本文借助数一6—4—20246风向角)值风洞技术直接数值模拟全