懸索橋主塔截面選形及阻力系數(shù)的確定

懸索橋主塔截面選形及阻力系數(shù)的確定r=t-vvz唐學(xué)慶【摘要】以一座主跨460m的雙層地錨式懸索橋?yàn)槔?，介紹混凝土主塔常用的截面形式及阻力系數(shù)的確定方法.分別采用規(guī)范查表、風(fēng)洞試驗(yàn)及數(shù)值模擬確定塔身截面阻力系數(shù)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較分析.研究表明:塔柱間的遮擋效應(yīng)對(duì)阻力系數(shù)的影響較大，塔身截面的橫向阻力系數(shù)不都在橫橋向風(fēng)作用下達(dá)到最大值，橋塔在受力分析時(shí)需綜合考慮這些因素，以確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性.【期刊名稱(chēng)】《山東交通學(xué)院學(xué)報(bào)》【年(勤期】2017(025)002【總頁(yè)數(shù)】5頁(yè)(P49-53)【關(guān)鍵詞】主塔;阻力系數(shù);風(fēng)洞試驗(yàn);數(shù)值模擬【作者】唐學(xué)慶【作者單位】大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧大連116024【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】U448.252.520世紀(jì)60年代，混凝土主塔大跨徑懸索橋在歐洲興起［1-2］，先后修建了一批至今仍很有影響的橋梁，如塔高123m的坦卡維爾橋、塔高120m的小貝爾特橋、塔高155m的恒比爾河橋。20世紀(jì)90年代，我國(guó)開(kāi)始建設(shè)懸索橋［3-4］，汕頭海灣橋、廣東虎門(mén)橋、香港青馬橋等為其中的代表，且多采用混凝土塔柱。從經(jīng)濟(jì)、受力、美觀(guān)等角度考慮，混凝土主塔通常設(shè)計(jì)為空心截面，箱室個(gè)數(shù)根據(jù)截面尺寸及實(shí)際需要一般為單室或雙室。截面形狀多從矩形出發(fā)，四邊倒圓角或是開(kāi)凹槽，常見(jiàn)的形式有D形截面和削角矩形截面。直線(xiàn)塔壁一般位于塔柱內(nèi)側(cè)，曲線(xiàn)或削角塔壁一般位于塔柱外側(cè)。對(duì)于懸索橋主塔這樣的高聳結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載為主要活載［5-6］，直接影響橋梁的安全性和經(jīng)濟(jì)性，塔身截面阻力系數(shù)的確定尤為重要，現(xiàn)階段，主要通過(guò)規(guī)范查表、風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬這3種方法進(jìn)行確定，其各有特點(diǎn)。本文以一座三跨雙層地錨式懸索橋主塔的橫橋向設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析和闡述。大連星海灣跨海大橋是一座三跨雙層地錨式懸索橋，主橋的立面布置圖如圖1所示（圖中長(zhǎng)度單位為m），跨徑布置為（180+460+180）m=820m，于2015年10月建成通車(chē)。加勁梁采用鋼桁架結(jié)構(gòu)、高10m，兩端設(shè)混凝土重力式錨碇。主纜由多股平行鋼絲成品索組成，吊桿順橋向間距10m、橫橋向間距25.2m。圖2為主塔構(gòu)造圖（圖中長(zhǎng)度單位為m），為門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，由塔柱和兩道橫梁組成。塔身全高111.8m，采用D形空心截面。塔柱橫橋向自上而下向外卜傾斜，由兩段斜率不同的直線(xiàn)倒圓角（R=500m）形成，內(nèi)側(cè)斜率保持不變。塔身截面如圖3所示（圖中長(zhǎng)度單位為m，圖中t、b分別為該矩形截面的高與寬）。由于塔身隨塔高有錐度變化，現(xiàn)將主塔自上而下分成3段加以考慮，依據(jù)文獻(xiàn)［6］分別查得阻力系數(shù)CH如表1所示（H為塔身的總高度）。對(duì)于D形等不規(guī)則截面，按包括該截面邊緣的矩形截面計(jì)算，同時(shí)需考慮圓弧角對(duì)阻力系數(shù)的折減。圖3所示截面中，上風(fēng)向塔柱迎風(fēng)面的圓弧角半徑為1.0m，下風(fēng)向?yàn)?.5m，前者對(duì)阻力系數(shù)的折減較后者多，表1中上風(fēng)向塔柱的阻力系數(shù)較下風(fēng)向小，正是折減系數(shù)不同的體現(xiàn)。然而兩塔柱間凈距不足30m.塔身均寬7.35m，上風(fēng)向塔柱對(duì)下風(fēng)向塔柱是否存在遮擋效應(yīng)、遮擋效應(yīng)多大、是否改變下風(fēng)向塔柱的阻力系數(shù)，以及塔柱間上、下橫梁的存在對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響等問(wèn)題，相關(guān)規(guī)范不可能全部涵蓋并一一解答，對(duì)于具體塔柱構(gòu)造，需進(jìn)一步借助風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段進(jìn)行驗(yàn)證和確定［7-8］。主塔模型的測(cè)力試驗(yàn)在大連理工大學(xué)DUT-1風(fēng)洞中進(jìn)行。該試驗(yàn)有兩個(gè)目的。一是獲得塔底截面的阻力系數(shù)，二是為后續(xù)的數(shù)值模擬方法作參照。故在保證一定剛度的前提下，僅要求模型幾何相似。試驗(yàn)采用均勻流場(chǎng)，風(fēng)速16m/s，模型縮尺比1/100。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)旋轉(zhuǎn)模型實(shí)現(xiàn)不同的來(lái)流風(fēng)向角，0°代表橫橋向來(lái)流，90°代表縱橋向來(lái)流，每隔一定角度進(jìn)行測(cè)力，對(duì)結(jié)果進(jìn)行無(wú)量綱化處理，得到塔底阻力系數(shù)塔底截面阻力系數(shù)如表2所示。在0°來(lái)流，即橫橋向風(fēng)作用下，塔底截面的阻力系數(shù)為1.055，較按規(guī)范查表得到的1.49小。另外，塔底截面的橫向阻力系數(shù)并不在0°來(lái)流時(shí)取得最大值，而需要來(lái)流具有一定的偏角。因風(fēng)洞試驗(yàn)具有足夠的可靠性，對(duì)于確定存在遮擋效應(yīng)、橫梁影響、截面不規(guī)則等問(wèn)題的橋塔阻力系數(shù)時(shí)，借助風(fēng)洞技術(shù)很有必要［9-10］。文獻(xiàn)［6］中也有規(guī)定，斷面形狀復(fù)雜的橋墩、橋塔可通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定或數(shù)值模擬方法計(jì)算其阻力系數(shù)。風(fēng)洞試驗(yàn)雖然特點(diǎn)明顯、結(jié)果可靠，但也有不足之處，如不能同時(shí)滿(mǎn)足所有的相似準(zhǔn)則，模型的支撐架影響流場(chǎng)的幾何相似性，試驗(yàn)過(guò)程周期長(zhǎng)、費(fèi)用高［11］。數(shù)值模擬方法克服了傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)諸多不足，操作過(guò)程在計(jì)算機(jī)上完成，無(wú)需額外費(fèi)用，可重復(fù)性好且效率高，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)方法模擬結(jié)構(gòu)周?chē)L(fēng)場(chǎng)的變化并求解其表面的風(fēng)荷載。該法最顯著的優(yōu)勢(shì)是可以進(jìn)行全尺度模擬，克服了雷諾數(shù)相似困難這一問(wèn)題，并可以方便地變化參數(shù)，研究不同參數(shù)的影響［12-13］。圖4為主塔1:100的三維實(shí)體模型，對(duì)其分塊以求解各部分的阻力系數(shù)。圖5為放置在6mx2mx2m計(jì)算域中的主塔模型，模型置于流域前1/3處，阻塞率為1.6%，滿(mǎn)足數(shù)值模擬外流場(chǎng)中一般認(rèn)為的小于3%的原則［14-15］。為了提高計(jì)算效率，將計(jì)算域分塊，在原流域中心分割出一個(gè)小長(zhǎng)方體，形成1.5mx1.0mx1.2m的內(nèi)域，使用加密四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散，內(nèi)域和邊界面間稱(chēng)為夕卜域，采用六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行離散。風(fēng)向角為0°代表橫橋向來(lái)流，90°代表縱橋向來(lái)流，主塔各分塊縱、橫向的阻力系數(shù)同樣按照式（1）計(jì)算，表3只給出了部分分塊的橫向阻力系數(shù)。由表3可知，下風(fēng)向塔柱的橫向阻力系數(shù)明顯較上風(fēng)向塔柱小；主塔各分塊的橫向阻力系數(shù)不都在0°來(lái)流時(shí)達(dá)到最大值，往往需要來(lái)流有一定的偏角。另外，橫橋向風(fēng)作用下，塔底截面的阻力系數(shù)遠(yuǎn)較按規(guī)范查表得到的小。不同風(fēng)向角下，風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬得到的塔底截面橫向阻力系數(shù)的對(duì)比曲線(xiàn)圖6所示?？芍Y(jié)果基本吻合。當(dāng)塔柱相對(duì)于來(lái)流呈串列式時(shí)，按規(guī)范查表獲取阻力系數(shù)不能很好地考慮塔柱間的遮擋效應(yīng)；下風(fēng)向塔柱的阻力系數(shù)較上風(fēng)向小，其中塔柱12（遠(yuǎn)離橫梁干擾的分塊）的阻力系數(shù)不足塔柱4的1/2。圖7為0°風(fēng)向角時(shí)橋面高度處的塔柱流場(chǎng)切片圖，可從流場(chǎng)的角度對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行機(jī)理解釋?zhuān)瑘D7中塔柱間的流場(chǎng)出現(xiàn)了較嚴(yán)重的相互干擾，上風(fēng)向塔柱對(duì)下風(fēng)向塔柱的遮擋效應(yīng)很明顯。1） 混凝土主塔的截面多從矩形出發(fā)，四邊倒圓角或是開(kāi)凹槽，這樣既美觀(guān)又利于抗風(fēng)，但也引起截面不規(guī)則問(wèn)題，在運(yùn)用規(guī)范查取阻力系數(shù)時(shí)需綜合考慮。尤其存在遮擋效應(yīng)、構(gòu)造復(fù)雜等情況時(shí)，有必要借助風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段進(jìn)行驗(yàn)證，確保橋塔設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。2） 本例主塔的風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果顯示，塔身截面的橫向阻力系數(shù)不都在橫橋