大跨度斜拉橋主梁斷面成橋狀態(tài)與施工狀態(tài)的關系

大跨度斜拉橋主梁斷面成橋狀態(tài)與施工狀態(tài)的關系

0計算結果分析隨著橋梁結構輪廓的延伸，結構剛性大大降低。由風引起的橋結構的振動響應和風負荷效應是這些大橋結構設計中應考慮的主要因素。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)設計中都對風效應進行了相應研究。目前大跨度橋梁結構抗風設計主要依靠風洞試驗,并輔以數(shù)值模擬。隨著計算機硬件的提高,采用計算流體力學方法對大跨度橋梁結構主要構件斷面氣動力系數(shù)計算逐漸成為可能。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)和氣動導數(shù)等進行了數(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)和氣動導數(shù)進行了數(shù)值模擬,數(shù)值模擬結果與已有試驗結果總體吻合良好。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)和氣動導數(shù)進行了數(shù)值模擬,研究顯示k-ε雷諾平均模型可以較為準確地模擬鈍體斷面氣動性能,值得注意的是該文獻所研究的斷面外形比較簡單,而實際橋梁斷面外形一般比較復雜。苑明順采用大渦模擬方法和復合式柱面固壁條件對亞臨界區(qū)(Re=1.4×106)圓柱繞流進行了二維數(shù)值模擬,得到了比較合理的主要流動參數(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)進行了數(shù)值模擬,模擬結果與試驗結果吻合良好。Bruno和Khris分別采用RANS和LES模型對大海帶東橋主梁斷面氣動性能進行了數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結果與風洞試驗結果進行了對比。王元成、吳文權采用大渦模擬方法對雷諾數(shù)為2.2×104的方柱繞流進行了數(shù)值模擬,研究表明三維模型的模擬結果優(yōu)于準三維LES模型和二維RNG模型模擬結果,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)和顫振導數(shù)進行了數(shù)值模擬,并對橋梁主梁斷面的細部構造對其氣動性能的影響進行了模擬,研究顯示:k-ε模型模擬結果與試驗結果相差較大,而LES模型模擬結果與試驗結果吻合良好。Selvam以大海帶東橋為例分別建立了二維網格和三維網格,對其三分力系數(shù)進行了計算,研究顯示當雷諾數(shù)Re>50000時,二維模擬具有足夠的精度。陳艾榮、艾輝林以方柱為例,分別對二維網格和三維網格進行了大渦模擬,結果顯示二維和三維大渦模擬數(shù)值結果均與試驗結果吻合較好,三維大渦計算結果整體略好于二維大渦模擬結果,但二維大渦模擬計算效率遠高于三維大渦模擬,因此從工程應用的角度考慮,二維大渦模擬的計算精度是可以接收的。綜合計算精度和計算效率,從工程應用實際的角度考慮,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)進行數(shù)值模擬,并將數(shù)值模擬結果與風洞試驗結果進行對比,以驗證本文計算方法的精度。在此基礎上,針對鋼護欄對橋梁主梁斷面三分力系數(shù)的影響進行了試驗與數(shù)值模擬研究。1數(shù)值方法1.1速度比尺模型qgs實際大氣湍流中包含了不同時間與空間尺度的漩渦。空間大尺度漩渦通常為平均流動的特征長度尺度,而小尺度漩渦則為Komogrov尺度。LES的基本假設是:(1)動量、能量、質量及其他標量主要由大渦輸送;(2)流動的幾何和邊界條件決定了大渦的特性,且流動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,而利用亞網格尺度模型模擬小尺度紊流運動對大尺度紊流運動的影響。LES的控制方程是通過對N-S方程進行空間濾波得到的,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為運動粘性系數(shù);τij為亞網格應力,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,與所求解速度場相關聯(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i=j時δij=1;當i≠j時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γt∝l·qSGS,其中l(wèi)是未求解渦運動的長度尺度,qSGS是對應的速度比尺。假設l=Cs·Δ,Δ與普朗特的混合長假設相類似,速度比尺qSGS與速度梯度直接相關,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,可以推導得Cs得取值大致為0.18。而實際數(shù)值試驗證明該值取值過大,一般取為0.10。1.2結構體系及設置赤石大橋位于湖南省郴州某高速公路上,是一座4塔預應力混凝土斜拉橋,跨徑布置為165+380+380+380+165=1470m,主梁為預應力混凝土箱形斷面,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結構網格劃分圖2所示為赤石大橋主梁斷面的計算域及邊界條件,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,上下側速度入口邊界距模型中心的距離為2B。采用分塊四邊形結構網格以提高計算效率,斷面附近區(qū)域采用加密的結構化網格以提高計算精度,接近橋面及護欄附近采用加密網格,在遠離主梁斷面的區(qū)域采用間距較大的結構化網格以提高計算效率。為了考慮橋面防撞護欄的影響,在防撞護欄附近采用了局部三角形網格。圖3所示為主梁斷面成橋狀態(tài)網格劃分圖,離模型最近的一層網格厚度為0.0012B,網格總數(shù)為229480。圖4所示為主梁斷面施工狀態(tài)網格劃分圖,在靠近模型的周邊采用了邊界層網格,模型最近的一層網格厚度為0.0007B,網格總數(shù)為149660。1.4來流風速及邊界條件采用LES亞格子Smagorinsky-Lilly湍流模型,具體參數(shù)取值如下:Cs=0.10,能量普朗特數(shù)為0.85,壁面普朗特數(shù)為0.85?？紤]到無論在風洞試驗還是實際橋梁周圍,真實的風環(huán)境中不可避免的會有一定的湍流成分,在計算中定義入口處的湍流強度為0.5%,湍流粘性比為10,以便于與風洞試驗結果進行對比。邊界條件設置如下:計算區(qū)域左側、上下側均設定為速度入口,速度分別為:Vx=V∞cosα,Vy=V∞sinα,α為風攻角,來流風速V∞=10m/s;計算域右側為壓力出口,相對壓強為0Pa,工作壓強為1個標準大氣壓。計算模型縮尺比取為λL=1/50,雷諾數(shù)為Re=3.73×105(以橋寬為參考寬度,B=0.56m);時間步為Δt=0.005s。針對主梁斷面成橋狀態(tài)(帶防撞護欄)和施工狀態(tài)(未安裝防撞護欄)進行了風攻角分別為α=0°、±3°、±5°、±10°時的三分力系數(shù)數(shù)值模擬。2數(shù)值模擬結果2.1試驗結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分別給出風攻角為α=0°時主梁斷面成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)時周圍流場速度等值線及三分力系數(shù)時程曲線。為了檢驗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)進行了節(jié)段模型測力試驗,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,試驗風速為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)值模擬結果與試驗結果,表1給出了風攻角為α=0°時,主梁斷面成橋狀態(tài)、施工狀態(tài)三分力系數(shù)數(shù)值模擬結果與風洞試驗結果對比。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,僅當風攻角為α=+10°時,阻力系數(shù)的數(shù)值模擬與試驗結果存在一定的誤差;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)值模擬結果與試驗結果吻合良好。從表1中可以看出,風攻角為α=0°時,主梁斷面成橋狀態(tài)阻力系數(shù)數(shù)值模擬結果比試驗結果偏小約6.84%,主梁斷面施工狀態(tài)阻力系數(shù)數(shù)值模擬結果比試驗結果偏小約0.72%;主梁斷面成橋狀態(tài)升力系數(shù)、升力矩系數(shù)分別比試驗結果偏小約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)值模擬結果與試驗結果相對誤差較大。2.2抗拔受力性能對比為了研究橋梁主梁斷面附屬設施(防撞護欄)對主梁斷面三分力系數(shù)的影響,將同一風攻角下的主梁帶防撞護欄和不帶防撞護欄對應的三分力系數(shù)進行比較,圖8所示為防撞護欄對主梁斷面阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)影響的試驗結果與數(shù)值模擬結果。從圖8中可以看出,鋼防撞護欄對主梁斷面阻力系數(shù)的貢獻率約為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結構斷面極限精