雙索面懸索橋橋塔風(fēng)荷載的數(shù)值模擬

雙索面懸索橋橋塔風(fēng)荷載的數(shù)值模擬

1物理風(fēng)洞試驗(yàn)隨著社會(huì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，橋梁設(shè)計(jì)在滿足安全、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)的同時(shí)，更加注重美學(xué)的要求。而橋塔是斜拉橋和懸索橋等大跨度橋梁最突出的構(gòu)件之一,造型至關(guān)重要,也是景觀設(shè)計(jì)的重點(diǎn),甚至具有標(biāo)志性意義,因此出現(xiàn)了越來(lái)越多的復(fù)雜造型橋塔?，F(xiàn)有規(guī)范中只給出了簡(jiǎn)單橋塔截面的風(fēng)荷載計(jì)算方法,而沒有給出復(fù)雜橋塔截面的風(fēng)荷載以及考慮塔柱之間的干擾對(duì)其風(fēng)荷載的影響。對(duì)于復(fù)雜造型橋塔所承受的風(fēng)荷載,需要專門的研究。傳統(tǒng)的物理風(fēng)洞試驗(yàn)方法雖然準(zhǔn)確直觀,但由于現(xiàn)代結(jié)構(gòu)的形狀多數(shù)比較復(fù)雜,其周圍流場(chǎng)也變化多端,這給模型的制作以及在試驗(yàn)中的測(cè)量帶來(lái)較大困難;在縮尺試驗(yàn)中也只能滿足部分相似數(shù)的模擬;此外,物理風(fēng)洞試驗(yàn)一般周期長(zhǎng)、成本高、需要復(fù)雜昂貴的測(cè)試設(shè)備等,也限制了風(fēng)洞試驗(yàn)方法在工程實(shí)踐中的應(yīng)用。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)(numericalwindtunneltechnology)是利用計(jì)算流體力學(xué)方法在計(jì)算機(jī)上模擬結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)的變化并求解結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載,具有成本低、周期短、效率高、重復(fù)性好和條件易于控制等優(yōu)點(diǎn),且不受模型尺度的影響,可進(jìn)行全尺度模擬,克服了試驗(yàn)中難以滿足的Reynolds數(shù)相似的困難;還可以方便地變化各種參數(shù),以研究不同參數(shù)的影響。本文針對(duì)某雙索面懸索橋的橋塔(為巴洛克風(fēng)格結(jié)構(gòu),圖1),分別采用規(guī)范計(jì)算和數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)等兩種方法對(duì)其所受的風(fēng)荷載進(jìn)行了研究,其中對(duì)湍流的模擬采用大渦模擬法(LES),用瞬時(shí)的Navier-Stokes方程直接模擬湍流中的大尺度渦,不直接模擬小尺度渦,而小渦對(duì)大渦的影響通過近似的模型來(lái)考慮。2不同截面的塔柱布置根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/TD60—1—2004)(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)第4.4.1條,作用于橋塔上的靜風(fēng)荷載可按下式計(jì)算:FH=12ρV2gCHAn(1)FΗ=12ρVg2CΗAn(1)式中,CH為橋塔的阻力系數(shù);An為橋塔的順風(fēng)向投影面積。由于該橋塔造型復(fù)雜多變,依次把兩根塔柱橫橋方向分為左、右兩塔柱,每根塔柱從底部到頂部分為圖2所示的塔1—塔7的7塊,共14塊;塔柱之間的橫梁分為下橫梁和上橫梁,總共分為16塊。每塊塔柱所取橫截面如圖3所示。從圖3可以看出,塔柱各分塊并不是規(guī)整的矩形截面,按《規(guī)范》第4.4.2條求其阻力系數(shù)時(shí),取相應(yīng)截面外邊緣的矩形截面計(jì)算?？紤]橋塔高寬比時(shí),取其最不利狀態(tài),認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)架設(shè)完成,因此高寬比統(tǒng)一取為40,從而可以得到橋塔各部分截面的阻力系數(shù)CH,如表1所示。3橋塔結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬該橋塔截面形狀隨高度變化較大,屬于三維復(fù)雜空間結(jié)構(gòu),各塔柱和橫梁之間會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的氣流相互干擾,流場(chǎng)非常復(fù)雜。因此,不能用簡(jiǎn)單的二維模型來(lái)計(jì)算。本文利用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù),采用大渦模擬方法,通過建立三維的橋塔幾何模型(圖4)、網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)求解,從而獲得不同風(fēng)向下的流場(chǎng),精確地求出橋塔各部位的風(fēng)荷載參數(shù)。由于計(jì)算區(qū)域較大,網(wǎng)格劃分需要分塊進(jìn)行,在橋塔周圍和流場(chǎng)變化較大的區(qū)域進(jìn)行細(xì)分,遠(yuǎn)離橋塔的區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量相應(yīng)減少,在保證計(jì)算精度的同時(shí)盡量減少網(wǎng)格數(shù)量,最終得到網(wǎng)格數(shù)量約380萬(wàn)塊。橋塔表面網(wǎng)格劃分見圖5。數(shù)值模擬主要計(jì)算參數(shù)見表2。坐標(biāo)軸定義如下,不同角度下的橋塔結(jié)構(gòu)計(jì)算采用邊界不動(dòng)、旋轉(zhuǎn)模型的方法實(shí)現(xiàn),即x軸為風(fēng)的來(lái)流風(fēng)向,y軸為水平側(cè)向,z軸為豎直向上方向。結(jié)果列出了來(lái)流風(fēng)阻系數(shù)、側(cè)向及豎向荷載系數(shù)。風(fēng)向角的定義為橫橋向?yàn)?°,順橋向?yàn)?0°,橋塔各風(fēng)向角下坐標(biāo)系統(tǒng)如圖6所示。橋塔各部分分塊與規(guī)范方法相同。通過數(shù)值模擬可以獲得每個(gè)分塊的氣動(dòng)荷載,從而計(jì)算得到氣動(dòng)參數(shù),每個(gè)分塊各方向的體型系數(shù)定義為Cx=Fx12ρv2Si,Cy=Fy12ρv2Si,Cz=Fz12ρv2Si(2)Cx=Fx12ρv2Si,Cy=Fy12ρv2Si,Cz=Fz12ρv2Si(2)式中,Cx,Cy,Cz為第i分塊x,y,z方向的氣動(dòng)荷載系數(shù),Cx為通常定義下的阻力系數(shù);Fx,Fy,Fz第i分塊所受x,y,z方向的力;ρ為空氣密度;v為來(lái)流風(fēng)速;Si為第i分塊在某一坐標(biāo)軸上投影面積,本文為風(fēng)荷載計(jì)算方便,投影面積統(tǒng)一選用90°風(fēng)向角下的迎風(fēng)面投影面積。橋塔各分塊的投影面積見表3。通過計(jì)算,可以得到橫橋向風(fēng)作用下橋塔各分塊體型系數(shù),如表4所示,順橋向風(fēng)作用下橋塔各分塊體型系數(shù),如表5所示,其中,橫橋向風(fēng)作用下流場(chǎng)切片圖如圖7所示,順橋向風(fēng)作用下流場(chǎng)切片圖如圖8所示。從圖中可以看出,各塔柱之間的流場(chǎng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的相互干擾。在橫橋向風(fēng)作用下,右塔柱由于受到左塔柱的遮擋,塔柱下部橫橋向體型系數(shù)出現(xiàn)負(fù)值,塔柱中部和上部體型系數(shù)僅為左塔柱的7.2%～40.4%;在順橋向風(fēng)作用下,由于塔柱間的相互干擾和塔柱截面自身的不對(duì)稱性,塔柱各分塊同時(shí)產(chǎn)生了很大的橫橋向受力,體型系數(shù)最大處達(dá)到順橋向的45.5%。4塔底主要內(nèi)力單柱利用有限元軟件ANSYS建立該橋塔的空間有限元分析模型,采用規(guī)范計(jì)算和數(shù)值模擬所得到的兩種體型系數(shù)對(duì)橋塔施加橫橋向和順橋向風(fēng)荷載,從而得到橋塔在不同工況下的內(nèi)力和位移響應(yīng)。通過計(jì)算,可以得到橋塔在橫橋向風(fēng)荷載作用下,采用數(shù)值模擬方法的風(fēng)荷載取值時(shí),塔頂橫橋向位移為3.2mm;采用規(guī)范方法的風(fēng)荷載取值時(shí),塔頂橫橋向位移為5.6mm,為數(shù)值模擬方法的1.75倍;在順橋向風(fēng)荷載作用下,采用數(shù)值模擬方法風(fēng)荷載取值時(shí),塔頂順橋向位移為18.8mm,采用規(guī)范方法風(fēng)荷載取值時(shí),塔頂順橋向位移為40.4mm,為數(shù)值模擬方法的2.15倍。塔底主要內(nèi)力(單柱)見表6。采用規(guī)范方法計(jì)算時(shí)在風(fēng)的來(lái)流方向,橋塔內(nèi)力是數(shù)值模擬方法的1.75～2.3倍,結(jié)果偏于保守;而在來(lái)流風(fēng)的垂直方向,規(guī)范方法則無(wú)法考慮兩個(gè)橋墩之間的相互影響以及橋墩截面形狀本身的不規(guī)則性引起的橫風(fēng)向受力,得到橋塔的橫風(fēng)向受力很小,結(jié)果偏不安全。5風(fēng)荷載結(jié)果對(duì)比隨著計(jì)算流體力學(xué)方法的日趨成熟,為復(fù)雜物體繞流及多個(gè)物體之間流場(chǎng)相互干擾的數(shù)值模擬提供了可能。而規(guī)范方法只對(duì)一些簡(jiǎn)單截面及單個(gè)物體給出了風(fēng)荷載阻力系數(shù),無(wú)法考慮結(jié)構(gòu)三維效應(yīng)對(duì)風(fēng)荷載的影響?；谝?guī)范計(jì)算和數(shù)值模擬兩種方法對(duì)某