超大跨度悬索桥扁平单箱主梁气动特性CFD探析

孙艳丽

(山西诚达公路勘察设计有限公司)



超大跨度悬索桥扁平单箱主梁气动特性CFD探析

孙艳丽

(山西诚达公路勘察设计有限公司)

将详细对超大跨度悬索桥扁平单箱主梁启动特性CFD进行探析，此外，还会对悬索桥施工的另一结构猫道减振进行分析。

悬索桥；气动特征；CFD；猫道

1 数值模型的建立

1.1 主梁几何模型

这个主梁高度是4.5 m，宽度是60.0 m，它属于比较宽扁平的箱梁。空气绕流桥两端面的形态会受主梁上防护栏杆的影响进行改变，对主梁气动特性也产生了很大的影响，对防护栏杆的主梁几何模型也进行了考虑。

1.2 空气流场模型

在空气绕流的主梁模型周边，流场非常复杂，相对比较钝化的模型，更容易形成范围较大的尾流区。即使远离了模型区域，流场的结果也改变不大，流场与均匀流速场相接近，使其梯度的变化很小。而在尾流趋于流速及模型周边，流场的压力梯度就会很大。根据这个特点，在尾流区域及模型周边都采用了密网格并且还设置了边界层，选用疏网格安置在计算域的周边，然后中间的区域再进行非常合理的过渡。

模拟对象的不同，导致几何线性在复杂性上不一致，即使在合理的计算区域范围中，大小也不相同。在本数值分析中，采用的是长方形的计算区域，在其中，Bt、Bu分别表示的主梁中心至背风、侧风侧边界的距离，D是表示上下边界的距离。在图2的模型图中，Bt=11.6 m、Bu=6.5 m、D=10 m,要满足数值风洞中计算的要求，就要保证顺风向阻塞率小于5%。如果很好的采用这个尺寸就可以满足其要求。

根据流风速的方向来定上下边界条件，如果是正方向，速度进口就定下边界，压力出口就定上边界；如果是负方向，就定相反的；如果是水平方向，那么压力出口就设置为上下边界。在设置粘性系数与湍流强度时，一般都是通过边界条件进行设置，以此来完成湍流数值的描述。

2 主梁三分力系数

按照所取坐标的不同，在主梁断面作用的静力三分力可以分为两种不同的表达方式，及按风轴坐标系表示和按体轴坐标系表示。

表1 气动力系数

风速不同，风政角不同，导致主梁的经历气动力系数也有非定常与定常两种。一般来说，非定常分析是引入随时间而变化的流场特性，为使风荷载时间的变化规律得以确定，需要分析可能出现的结构动力现象。而定常分析是指不需要引进时间变量，如果流场特性不会随着时间而变化，让空气可以通过平均风速从静止不动的桥梁绕过，以此可以形成一个定常流场，对于减少计算工作量来说是很好的简化计算法。

由表1可见，采用非定场分析与定场分析的结果相差不是很大，而相对于此主梁形式，可以采用计算简单，耗时比较少的定常计算进行分析。

3 主梁涡振性能分析

在经过各种钝体结构断面时，气流很有可能会出现脱落现象，主要原因是两侧交替发生变化的流旋涡问题。在结构上，漩涡脱落会形成比较小的粘滞力，不过如果漩涡脱落的频率在等于或者接近结构的自振频率时，会引起结构共振出现，对其结构安全的危害非常严重。

使用斯托罗哈数St=fD/U可以描述漩涡脱落现象。在式中的f代表的是漩涡脱落频率；D是流方向平面的特征尺寸；U作为来流速度。在进行频谱分析之前要了解非定常气动力的变化曲线，才可以对漩涡脱落频率f进行提取，之后再利用St=fD/U进行计算就可以得到斯托罗哈书St。

非定常计算，主要是由不同风速与O攻角下的主梁气动力进行。由计算所呈现的不同风速下斯托罗哈数和漩涡脱落频率可以由表2可视。从表2可以看出，斯托罗哈数在此扁平主梁中还是比较小，有非常不错的涡振性能。

表2 主梁涡振性能参数

4 主梁颤振导数

作为一种非常危险的自激发散振动，颤振如果在风速能达到临界风速的时候，桥梁在振动中可以通过气流出现的反馈作用不断吸收大量能量，从而使振幅能出现逐步的增大一直到最后让结构得以破坏。此颤振的自激力可以描述成为

式中：U代表来流风速；p代表空气密度，h代表的是在做纯竖向振动的时候振幅函数；α是作为纯扭转振动时振幅函数，K=ωB/U作为折算频率。现在来说，对于求桥梁颤振发散临界风速中最有效与最广泛的应用方法就是颤振导数。一般求解颤振导数的方法有强迫振动法以及自由振动法。

主要是采用的强迫振动法来求解颤振导数，解耦两个模型运动的自由度，假使模型分别作纯扭转以及纯竖向运动。

当模型在进行纯竖弯运动的时候，竖弯的振幅会随着时间变化进行改变，公式为：h=h0cos(ωt)；当模型随着纯扭转进行运动时，其扭转的振幅随时会随时间变化，公式为：α=α0cos(ωt)。在此公式中，h0是作为模型纯竖弯振动最大的振幅，α0是作为模型纯扭转振动最大的转角，ω作为模型进行简谐振动频率。在本计算公式中，h0=0.03m,ω=2πHz,α0=3°。

通过进行编制UDF来实现模型强迫振动，再运用MATLAB软件对提取的数据进行矩阵最小乘拟合计算就可以得到模型颤振导数。

5 超大跨度悬索桥猫道减振措施

5.1 控制面层的振动

针对施工人员对单联猫道诱发的水平和风对两联猫道的风振问题以及扭转振动的控制，可以运用钢丝绳将两联猫道相连起来。这样子就可以把一联猫道面层所发生的振动以此传递至另一联猫道上面，以相互的干涉作用对猫道的振动进行控制。在同时，悬挂着的连接绳可以当做TMD进行运作，通过振动可以吸收一部分的能量，在此方法上可以提高猫道的振动衰减率。

5.2 控制水平变位的措施

在垂直桥轴方向的变位中，如果想控制主风荷载作用下面层，就要用斜拉锁与水平制振索将其两联猫道面层进行连接，以此使抵抗变形能力提高。相对于日本的来岛大桥，曾经有风洞试验证明，档期风速达到12m/s时，15束的索骨架设时猫道水平在有无斜拉锁变位分别是2.77和1.47，而44束的索骨架设时猫道水平变为在有无斜拉索变位是2.88和1.69。从这里可以看出来，对于猫道的侧向振动，斜拉索的设置有很好的控制作用。

5.3 控制面层扭转变形的对策

在主缆进行架设的时候，在面层外侧运用钢丝绳增大刚度，在以往的猫道设置抗风吊杆的位置上，对面层横梁进行延长，突出面层的两侧，然后将其固定在外索上面，面层上的抗扭转能力就能得到很大的提高。相对于来岛大桥，经过计算解析要想达到与其相同的倾斜角，在外索必须要设置约1.3m的位置在猫道面层的外侧上，通过间隔20m的横梁与面层相连。

6 结束语

在对超大跨度悬索桥的扁平单箱主梁进行数值的模拟计算后，得出一下结论：(1)非定常分析与定常分析的结果相差不大，采用相对比较简单，较少耗时的定常计算方法最佳。(2)如果在计算中得到扁平主梁的斯托罗哈数比较小，那就表示主梁模式有很好的涡振性能。(3)在风轴的坐标系下，三分力系数的绝对值会随着风攻角不断加大而不断增大，比较大的风攻角下主梁相对而言稳定性能比较低。在文中的后段了解了一下关于在超大跨度悬索桥中猫道带来的减振效果及其措施。不管是对数据的分析还是对其它结构的分析，都是为了保证主缆施工人员的安全及施工的质量。

[1] 李永乐,安伟胜,李翠娟,强士中.超大跨度悬索桥扁平单箱主梁气动特性CFD分析[J].西南公路,2010，(11):15.

[2] 刘琳娜.CFD方法在大跨度桥梁气动控制措施研究中的应用[J].武汉理工大学,2010，(6):1.

[3] 刘小军,李连军.大跨度悬索桥猫道减振措施探讨[J].山西交通科技,2007，(2):28.

2015-02-14

孙艳丽(1984- )，女，山东单县人，工程师。

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1008-3383(2015)12-0123-02