基于cfd的雙箱斷面氣動性能分析

基于cfd的雙箱斷面氣動性能分析

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，大型橋梁建設(shè)也取得了迅速發(fā)展。中國全長550米的盧浦大橋和全長420米的萬縣大橋創(chuàng)造了鋼拱橋和混凝土拱橋的世界記錄。主航道橋為半徑為1890米的潤陽長江街橋，其次是主航道1.088米的蘇通大橋。西交門橋以半徑為1650m的范圍影響了懸掛式鋼箱梁橋的世界記錄。西堠門大橋是舟山大陸連島工程第4座特大跨徑橋梁,為大跨度懸索橋,見圖1(圖中高程系統(tǒng)為國家85高程).其走向由北向南,北連冊子島,南連金塘島.跨徑布置為578m+1650m+485m,主跨長度位列中國第一,世界第二.主橋在北錨碇和南塔之間設(shè)計為連續(xù)加勁鋼箱梁,連續(xù)長度為2228m.1風(fēng)振控制措施隨著橋梁跨徑的不數(shù)增大,橋梁結(jié)構(gòu)趨向于輕型化和柔性化,導(dǎo)致風(fēng)致振動,成為控制橋梁設(shè)計、施工及運營期安全的關(guān)鍵因素.當大跨度橋梁結(jié)構(gòu)受內(nèi)在氣動性能的限制,原有結(jié)構(gòu)無法避免風(fēng)致振動時,有必要采取有效措施,進行風(fēng)振控制措施研究.西堠門大橋是一座兩跨懸吊式懸索橋,它的跨徑將在鋼箱梁懸索橋中創(chuàng)造一項新的世界紀錄.跨度為1624m的丹麥大海帶橋顫振臨界風(fēng)速為62.0m/s,跨度1490m的中國潤揚大橋的顫振臨界風(fēng)速為63.0m/s.基于上述2座大橋的抗風(fēng)研究經(jīng)驗,對于采用流線型箱梁的典型懸索橋,1650m的跨度似乎已經(jīng)到了空氣動力的極限,而且西堠門大橋的氣動穩(wěn)定要求更嚴格,顫振檢驗風(fēng)速達到78.2m/s.所以,在該橋初步設(shè)計階段,針對加勁梁鋼箱梁斷面的外形進行了氣動優(yōu)化.1.1開槽寬度加大顫振穩(wěn)定性的影響基于大跨度橋梁氣動設(shè)計經(jīng)驗,提出了3種基本斷面形式,即傳統(tǒng)單箱梁斷面、開槽雙箱梁斷面和開槽格構(gòu)式雙箱梁斷面,作為西堠門大橋懸索橋加勁梁的比選方案.對閉口箱梁斷面進行中央開槽,一般能提高顫振臨界風(fēng)速,提高效果同開槽寬度緊密相關(guān).但并非開槽寬度越大,氣動性能越好,而是存在一個最優(yōu)的寬度.計算機技術(shù)和計算流體動力學(xué)(computationalfluiddynamics,簡稱CFD)的發(fā)展,給風(fēng)工程研究提供了一種可能代替風(fēng)洞實驗的手段,即數(shù)值風(fēng)洞.針對開槽雙箱梁斷面,首先采用數(shù)值方法對開槽寬度進行了優(yōu)化分析.開槽寬度選取了5.0,6.0和6.5m3種.針對3種開槽寬度的加勁梁,采用基于計算流體動力學(xué)方法的FEM2D軟件,對斷面流態(tài)(等壓線和等速線)進行了模擬.3種開槽寬度加勁梁的等壓線和等速線表明,三者的氣流流態(tài)沒有本質(zhì)差別,因此,可以作為同一類型開槽斷面進行顫振穩(wěn)定性比選.圖2是槽寬6.0m方案的計算結(jié)果.采用FEM2D軟件,對3種開槽寬度的加勁梁斷面進行了氣動導(dǎo)數(shù)的識別,并用2d3DOF軟件進行了顫振和驅(qū)動機理分析.分析結(jié)果表明,槽寬5.0和6.5m的斷面,由于扭轉(zhuǎn)運動自身產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)氣動阻尼,在較低的風(fēng)速下就會喪失對系統(tǒng)的穩(wěn)定作用;而槽寬6.0m的斷面,這部分扭轉(zhuǎn)氣動阻尼對系統(tǒng)的穩(wěn)定作用相對較強,顫振穩(wěn)定性能好.在此基礎(chǔ)上,對氣動外形相對較好的槽寬6.0m斷面進行了進一步的氣動控制措施比較,主要包括兩方面:一是調(diào)整檢修軌道的位置,二是增設(shè)風(fēng)嘴.為此又進行了4種斷面的數(shù)值分析,包括檢修軌道外移(圖3(a))、檢修軌道下移(圖3(b))、增設(shè)風(fēng)嘴(圖3(c))和增設(shè)風(fēng)嘴且檢修軌道下移(圖3(d)).分析結(jié)果表明,檢修軌道外移會導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)運動自身產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)氣動阻尼在更低的風(fēng)速下喪失系統(tǒng)穩(wěn)定作用,說明此控制措施的效果不佳;而檢修軌道下移或增設(shè)風(fēng)嘴后,開槽斷面由于扭轉(zhuǎn)運動自身產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)氣動阻尼,始終對扭轉(zhuǎn)彎曲耦合運動產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)氣動負阻尼起抑制作用,從而有效地提高了結(jié)構(gòu)顫振穩(wěn)定性能,證明這是2種有效的顫振控制措施.表1為各種斷面顫振臨界風(fēng)速的計算結(jié)果.從表1可以得到以下認識:(1)3種開槽寬度中,槽寬6.0m方案的顫振穩(wěn)定性能最好,比其它2種槽寬斷面的顫振臨界風(fēng)速提高近30%.(2)檢修軌道外移不但無助于提高結(jié)構(gòu)的顫振穩(wěn)定性能,反而起到相反的作用;而檢修軌道下移使顫振臨界風(fēng)速提高約12%.(3)增設(shè)風(fēng)嘴無論是對槽寬6.0m方案還是檢修軌道下移方案,其對顫振性能的改善作用并不大,但增設(shè)風(fēng)嘴能在一定程度上增強氣流的導(dǎo)流作用,從而改善斷面的渦振和抖振性能.1.2梁斷面節(jié)段模型試驗在設(shè)計初期,評價加勁梁不同橫截面形狀的空氣靜力和空氣動力性質(zhì)很重要,風(fēng)洞試驗將起到主要作用.通過對上述3種不同開槽寬度斷面的數(shù)值風(fēng)洞計算分析,在確定了優(yōu)化的開槽雙箱梁斷面后,進行了傳統(tǒng)單箱梁斷面、開槽6.0m的雙箱梁斷面和開槽格構(gòu)式雙箱梁斷面節(jié)段模型試驗(斷面形狀如圖4所示),對3種基本斷面形式進行了比選.其中,單箱梁帶中央穩(wěn)定板方案的穩(wěn)定板高度有1.157,1.657和2.157m3種.因單箱梁方案顫振穩(wěn)定性較低,因而考慮了多種氣動控制措施.對以上各種加勁梁斷面進行了縮尺比為1∶80的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗.試驗在同濟大學(xué)TJ-1邊界層風(fēng)洞中進行,該風(fēng)洞工作段寬1.8m,高1.8m,長15m,如圖5所示.顫振臨界風(fēng)速節(jié)段模型風(fēng)洞試驗結(jié)果見表2.從表2可見,除傳統(tǒng)單箱梁截面外,其余2種斷面都能滿足顫振檢驗風(fēng)速78.2m/s的要求.2有效風(fēng)振控制通過數(shù)值模擬和節(jié)段模型試驗,對西堠門大橋初步設(shè)計階段鋼箱梁斷面進行了氣動選型和控制措施研究,可以得到以下結(jié)論:(1)采用基于計算流體動力學(xué)(CFD)的方法,對不同開槽寬度雙箱梁斷面的氣動性能進行了預(yù)判,得出開槽寬6.0m的斷面氣動性能最優(yōu).實踐證明:CFD技術(shù)對于初步設(shè)計階段的氣動選型、設(shè)計獨立審核工作、風(fēng)振機理研究及“數(shù)值風(fēng)洞”都是十分重要和有效的工具.(2)采用1∶80的節(jié)段模型試驗,得出3種斷面都能滿足顫振穩(wěn)定性的要求,但傳統(tǒng)單箱梁斷面需采取控制措施.隨著我國大跨度橋梁建設(shè)的飛速發(fā)展,跨徑不斷增大,受橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)在氣動性能的限制,傳統(tǒng)的橋梁結(jié)構(gòu)無法避免地會產(chǎn)生風(fēng)致振動,因此,研究有效的氣動措施進行風(fēng)振控制刻不容緩.西堠門大橋的實踐表明,通過合理的氣動選型和采取適當?shù)娘L(fēng)振控制措施,可以有效地改善大跨度橋梁的氣動穩(wěn)定性能,滿足設(shè)計要求.參考文獻:周孟波,劉自明,王邦楣.懸索橋手冊[M].北京:人民交通出版社,2003.559-562.周孟波,劉自明,王邦楣.斜拉橋手冊[M].北京:人民交通出版社,2004.593-602.LarsenA,AstizMA.AeroelasticconsiderationsfortheGibraltarBridgefeasibilitystudy[A].BridgeAerodynamics[C].Rotterdam:AABalkema,1998.165-173.項海帆,陳艾榮.特大跨度橋梁抗風(fēng)研究的新進展[J].土木工程學(xué)報,2003,36(4):1-8.XiangHF,ChenAR.Recentadvancesinresearchonaerodynamicsofextralongspanbridges[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2003,36(4):1-8.尼爾斯J吉姆辛.金增洪譯.纜索支承橋梁[M].北京:人民交通出版社,2002.252-253.項海帆.