大跨度斜拉橋主梁斷面成橋狀態(tài)與施工狀態(tài)的關(guān)系

大跨度斜拉橋主梁斷面成橋狀態(tài)與施工狀態(tài)的關(guān)系

0計(jì)算結(jié)果分析隨著橋梁結(jié)構(gòu)輪廓的延伸，結(jié)構(gòu)剛性大大降低。由風(fēng)引起的橋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)和風(fēng)負(fù)荷效應(yīng)是這些大橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的主要因素。如已建成的最大跨度懸索橋——明石海峽大橋(主跨1991m)和最大跨度斜拉橋——蘇通長江公路大橋(主跨為1088m)設(shè)計(jì)中都對風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行了相應(yīng)研究。目前大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要依靠風(fēng)洞試驗(yàn),并輔以數(shù)值模擬。隨著計(jì)算機(jī)硬件的提高,采用計(jì)算流體力學(xué)方法對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)主要構(gòu)件斷面氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算逐漸成為可能。AllenLarsen和Walther、周志勇分別采用離散渦方法對橋梁主梁斷面三分力系數(shù)和氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)等進(jìn)行了數(shù)值模擬。GiuseppeVairo采用二維k-εRNG紊流模型對丹麥大海帶東橋、法國諾曼底大橋主梁斷面成橋狀態(tài)三分力系數(shù)和氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結(jié)果與已有試驗(yàn)結(jié)果總體吻合良好。Sun和Owen等采用k-ε雷諾平均模型對二維矩形鈍體斷面的三分力系數(shù)和氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究顯示k-ε雷諾平均模型可以較為準(zhǔn)確地模擬鈍體斷面氣動(dòng)性能,值得注意的是該文獻(xiàn)所研究的斷面外形比較簡單,而實(shí)際橋梁斷面外形一般比較復(fù)雜。苑明順采用大渦模擬方法和復(fù)合式柱面固壁條件對亞臨界區(qū)(Re=1.4×106)圓柱繞流進(jìn)行了二維數(shù)值模擬,得到了比較合理的主要流動(dòng)參數(shù),如圓柱斷面的Strouhal數(shù)、阻力系數(shù)、升力系數(shù)、柱面時(shí)均壓力分析以及渦街幾何特性。Selvam等采用大渦模擬方法對丹麥大海帶東橋引橋主梁斷面的三分力系數(shù)和斯托羅哈數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。Bruno和Khris分別采用RANS和LES模型對大海帶東橋主梁斷面氣動(dòng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比。王元成、吳文權(quán)采用大渦模擬方法對雷諾數(shù)為2.2×104的方柱繞流進(jìn)行了數(shù)值模擬,研究表明三維模型的模擬結(jié)果優(yōu)于準(zhǔn)三維LES模型和二維RNG模型模擬結(jié)果,大渦模擬方法的三維模型能夠更好地描述鈍體繞流流場。Sarwar和Ishihara等分別采用k-ε模型和LES模型對閉口流線型斷面的三分力系數(shù)和顫振導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對橋梁主梁斷面的細(xì)部構(gòu)造對其氣動(dòng)性能的影響進(jìn)行了模擬,研究顯示:k-ε模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相差較大,而LES模型模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。Selvam以大海帶東橋?yàn)槔謩e建立了二維網(wǎng)格和三維網(wǎng)格,對其三分力系數(shù)進(jìn)行了計(jì)算,研究顯示當(dāng)雷諾數(shù)Re>50000時(shí),二維模擬具有足夠的精度。陳艾榮、艾輝林以方柱為例,分別對二維網(wǎng)格和三維網(wǎng)格進(jìn)行了大渦模擬,結(jié)果顯示二維和三維大渦模擬數(shù)值結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好,三維大渦計(jì)算結(jié)果整體略好于二維大渦模擬結(jié)果,但二維大渦模擬計(jì)算效率遠(yuǎn)高于三維大渦模擬,因此從工程應(yīng)用的角度考慮,二維大渦模擬的計(jì)算精度是可以接收的。綜合計(jì)算精度和計(jì)算效率,從工程應(yīng)用實(shí)際的角度考慮,本文決定選擇二維大渦模擬方法對某擬建的4塔斜拉橋主梁斷面的三分力系數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比,以驗(yàn)證本文計(jì)算方法的精度。在此基礎(chǔ)上,針對鋼護(hù)欄對橋梁主梁斷面三分力系數(shù)的影響進(jìn)行了試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究。1數(shù)值方法1.1速度比尺模型qgs實(shí)際大氣湍流中包含了不同時(shí)間與空間尺度的漩渦?？臻g大尺度漩渦通常為平均流動(dòng)的特征長度尺度,而小尺度漩渦則為Komogrov尺度。LES的基本假設(shè)是:(1)動(dòng)量、能量、質(zhì)量及其他標(biāo)量主要由大渦輸送;(2)流動(dòng)的幾何和邊界條件決定了大渦的特性,且流動(dòng)特性主要在大渦中體現(xiàn);(3)小尺度漩渦受幾何和邊界條件影響較小,并且各向同性,大渦模擬過程中,直接求解大渦,而利用亞網(wǎng)格尺度模型模擬小尺度紊流運(yùn)動(dòng)對大尺度紊流運(yùn)動(dòng)的影響。LES的控制方程是通過對N-S方程進(jìn)行空間濾波得到的,濾波的過程是去掉比過濾尺度小的漩渦,從而得到不可壓縮的大渦控制方程:?ρ?t+?(ρuˉi)?xi=0,(1)??t(ρuˉi)+??xj(ρuˉiuˉj)=??xj(μ?uˉi?xj)??pˉ?xj??τij?xj,(2)?ρ?t+?(ρuˉi)?xi=0,(1)??t(ρuˉi)+??xj(ρuˉiuˉj)=??xj(μ?uˉi?xj)-?pˉ?xj-?τij?xj,(2)式中,ρ為流體密度;uiuj為速度分量;p為壓力;μ為運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);τij為亞網(wǎng)格應(yīng)力,τij=ρuiujˉˉˉˉˉˉ?ρuiˉˉˉ?ujˉˉˉτij=ρuiujˉ-ρuiˉ?ujˉ,帶有上畫線的量為濾波后的場變量。Smagorinsky于1963年提出了亞格子模型,直至今天該模型仍然被廣泛應(yīng)用,與大多數(shù)現(xiàn)行的亞格子模型一樣,Smagorinsky模型仍然采用渦粘性概念假設(shè),與所求解速度場相關(guān)聯(lián)的拉伸張量分量Sij的偏斜部分τaijija可以表示為τaij=τij?13δijτkk=?2γtSˉˉij?(3)τija=τij-13δijτkk=-2γtSˉij?(3)式中,γt為渦粘性系數(shù);δij為Kroneker符號(當(dāng)i=j時(shí)δij=1;當(dāng)i≠j時(shí)δij=0);SijˉˉˉˉSijˉ為濾波后的變形速率張量,Sijˉˉˉˉ=12(?uiˉˉˉ?xj+?ujˉˉˉˉˉ?xi)Sijˉ=12(?uiˉ?xj+?ujˉ?xi)。Smagorinsky模型假設(shè)γt∝l·qSGS,其中l(wèi)是未求解渦運(yùn)動(dòng)的長度尺度,qSGS是對應(yīng)的速度比尺。假設(shè)l=Cs·Δ,Δ與普朗特的混合長假設(shè)相類似,速度比尺qSGS與速度梯度直接相關(guān),即qSGS=l|Sˉˉ|=l2SˉˉijSˉˉij???????√qSGS=l|Sˉ|=l2SˉijSˉij,所以γt=(CsΔ)22SˉˉijSˉˉij???????√。(4)γt=(CsΔ)22SˉijSˉij。(4)對于各向同性紊流,在Kolmogorov能譜慣性次區(qū)范圍內(nèi),可以推導(dǎo)得Cs得取值大致為0.18。而實(shí)際數(shù)值試驗(yàn)證明該值取值過大,一般取為0.10。1.2結(jié)構(gòu)體系及設(shè)置赤石大橋位于湖南省郴州某高速公路上,是一座4塔預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋,跨徑布置為165+380+380+380+165=1470m,主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土箱形斷面,主梁寬為B=28m,梁高為H=3.2m,成橋狀態(tài)主梁斷面見圖1。1.3結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分圖2所示為赤石大橋主梁斷面的計(jì)算域及邊界條件,上游速度入口距模型上游的距離為2B,下游壓力出口距模型下游的距離為6B,上下側(cè)速度入口邊界距模型中心的距離為2B。采用分塊四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格以提高計(jì)算效率,斷面附近區(qū)域采用加密的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以提高計(jì)算精度,接近橋面及護(hù)欄附近采用加密網(wǎng)格,在遠(yuǎn)離主梁斷面的區(qū)域采用間距較大的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以提高計(jì)算效率。為了考慮橋面防撞護(hù)欄的影響,在防撞護(hù)欄附近采用了局部三角形網(wǎng)格。圖3所示為主梁斷面成橋狀態(tài)網(wǎng)格劃分圖,離模型最近的一層網(wǎng)格厚度為0.0012B,網(wǎng)格總數(shù)為229480。圖4所示為主梁斷面施工狀態(tài)網(wǎng)格劃分圖,在靠近模型的周邊采用了邊界層網(wǎng)格,模型最近的一層網(wǎng)格厚度為0.0007B,網(wǎng)格總數(shù)為149660。1.4來流風(fēng)速及邊界條件采用LES亞格子Smagorinsky-Lilly湍流模型,具體參數(shù)取值如下:Cs=0.10,能量普朗特?cái)?shù)為0.85,壁面普朗特?cái)?shù)為0.85。考慮到無論在風(fēng)洞試驗(yàn)還是實(shí)際橋梁周圍,真實(shí)的風(fēng)環(huán)境中不可避免的會有一定的湍流成分,在計(jì)算中定義入口處的湍流強(qiáng)度為0.5%,湍流粘性比為10,以便于與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比。邊界條件設(shè)置如下:計(jì)算區(qū)域左側(cè)、上下側(cè)均設(shè)定為速度入口,速度分別為:Vx=V∞cosα,Vy=V∞sinα,α為風(fēng)攻角,來流風(fēng)速V∞=10m/s;計(jì)算域右側(cè)為壓力出口,相對壓強(qiáng)為0Pa,工作壓強(qiáng)為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。計(jì)算模型縮尺比取為λL=1/50,雷諾數(shù)為Re=3.73×105(以橋?qū)挒閰⒖紝挾?B=0.56m);時(shí)間步為Δt=0.005s。針對主梁斷面成橋狀態(tài)(帶防撞護(hù)欄)和施工狀態(tài)(未安裝防撞護(hù)欄)進(jìn)行了風(fēng)攻角分別為α=0°、±3°、±5°、±10°時(shí)的三分力系數(shù)數(shù)值模擬。2數(shù)值模擬結(jié)果2.1試驗(yàn)結(jié)果與分析主梁斷面三分力系數(shù)定義如下:CD=FH1/2ρV2∞HL?(5)CL=FV1/2ρV2∞BL?(6)CM=M1/2ρV2∞B2L?(7)CD=FΗ1/2ρV∞2ΗL?(5)CL=FV1/2ρV∞2BL?(6)CΜ=Μ1/2ρV∞2B2L?(7)式中,V∞為來流風(fēng)速;空氣密度ρ=1.225kg/m3;L為模型長度,阻力系數(shù)以主梁高度H為參考長度,升力系數(shù)和升力矩系數(shù)以主梁斷面的寬度B為參考長度。限于篇幅,圖5、圖6分別給出風(fēng)攻角為α=0°時(shí)主梁斷面成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)時(shí)周圍流場速度等值線及三分力系數(shù)時(shí)程曲線。為了檢驗(yàn)橋梁斷面三分力系數(shù)CFD數(shù)值模擬精度,分別針對主梁斷面成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)進(jìn)行了節(jié)段模型測力試驗(yàn),模型縮尺比為1∶50,模型長度L、寬度B和高度D分別為1.50、0.56、0.064m,試驗(yàn)風(fēng)速為V∞=10m·s-1。圖7所示分別為該主梁斷面成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)三分力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果,表1給出了風(fēng)攻角為α=0°時(shí),主梁斷面成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)三分力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果對比。從圖7(a)中可以看出,成橋狀態(tài)主梁斷面三分力系數(shù)總體吻合較好,僅當(dāng)風(fēng)攻角為α=+10°時(shí),阻力系數(shù)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差;從圖7(b)中可以看出,主梁斷面施工狀態(tài)三分力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好。從表1中可以看出,風(fēng)攻角為α=0°時(shí),主梁斷面成橋狀態(tài)阻力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏小約6.84%,主梁斷面施工狀態(tài)阻力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果偏小約0.72%;主梁斷面成橋狀態(tài)升力系數(shù)、升力矩系數(shù)分別比試驗(yàn)結(jié)果偏小約1.39%、7.42%;主梁斷面施工狀態(tài)升力系數(shù)、升力矩系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相對誤差較大。2.2抗拔受力性能對比為了研究橋梁主梁斷面附屬設(shè)施(防撞護(hù)欄)對主梁斷面三分力系數(shù)的影響,將同一風(fēng)攻角下的主梁帶防撞護(hù)欄和不帶防撞護(hù)欄對應(yīng)的三分力系數(shù)進(jìn)行比較,圖8所示為防撞護(hù)欄對主梁斷面阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果。從圖8中可以看出,鋼防撞護(hù)欄對主梁斷面阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)率約為30%左右,而對升力系數(shù)和升力矩系數(shù)的影響則不明顯。3結(jié)構(gòu)斷面極限精