基于CFD的双幅桥梁三分力系数识别

潘泽华+周建春

摘 要：双幅桥面设计有利于增大桥梁通行流量，并改善桥梁风振稳定性。桥梁三分力系数的识别是桥梁风振研究的重要内容。文章使用计算流体动力学方法（CFD），利用FLUENT计算某航道桥双幅桥梁的静力三分力系数，并与风洞试验结果进行对比。计算结果表明，双幅下游箱梁在上游箱梁的遮挡作用下阻力会下降，双幅桥面升力和升力矩受到气动外形改变的影响较小。

关键词：CFD；双幅桥面；三分力系数

桥梁三分力系数是抖振响应分析、驰振稳定性分析、静风荷载强度及稳定性分析中的重要参数。目前三分力系数的识别方法主要有风洞试验法和计算流体动力学方法（CFD），计算流体动力学方法相比风洞试验有着成本低，流动可视化强和可模拟多种工况等优势。目前，利用CFD方法可以较好的计算桥梁断面的气动三分力系数和颤振导数。[2]

1 计算流体动力学方法简述

CFD方法无论具有怎样的形式，其都是建立在流体力学的基本控制方程——连续性方程、动量方程、以及能量方程的基础之上的。（计算流体力学基础及其应用）这三个原理的数学描述分别为：质量守恒定律、牛顿第二定律以及能量守恒定律。[1]

流体力学中根据不同的控制体模型可以推导出不同形式的流动控制方程，但是本质上这些方程之间都是可以相互转化的。在符合质能守恒和牛顿运动定律的经典力学背景下的流动控制体可分为四种模型：即在空间位置固定但质量变化的有限控制体模型和无穷小微团、随着流动位置不断发生变化但质量不变的的有限控制体模型和无穷小微团。由上述的四种模型均可以推导出相应的流动控制方程。通过数值分析方法对流动控制方程进行离散化，如有限差分法、有限体积法等。利用这些方法求得流场的温度T、压强p、液体的密度ρ和流动速度u、v、w，以上这6个变量就是流场的基本变量。[1]

本文采用计算流体动力学软件FLUENT分别对单幅箱梁横断面、双幅箱梁横断面进行2维风场模拟，并得到与气动外型相关的无量纲量即阻力系数CD、升力系数CL、升力矩系数CM。上述无量纲参数可通过量纲分析得到：

式中FD、FL、MT分别为阻力、升力以及升力矩，ρ为空气密度取1.225kg/m3，D、B、L分别为箱梁高度、宽度和长度，U为来流速度。[2]

2 工程概况

本文模拟某双幅航道桥钢箱梁横截面三分力系数。单幅桥宽23m，箱梁高度为3.5m，两幅间距3.5m，流场区域取面积为：16×23m×24×23m=203136m2。本文采用1m×1m流场网格，在箱梁表面处使用0.1m×0.1m加密网格，共计约25万单元数。本文模拟采用基于压强的求解方法，湍流模型采用K-w-SST模型以模拟桥梁断面无滑移壁面条件，速度入口边界为横桥向20m/s，0.4%低湍流强度，出口边界条件为零压强出口。

3 数值模拟结果

首先对-5°至5°攻角范围内的单幅桥梁气动三分力系数进行模拟并与试验结果进行对比，数据如表1。

结合图表可以看出模拟结果和试验结果吻合得较好，可以通过CFD方法进行三分力系数的计算。在此基础之上进行双幅桥面三分力系数的模拟，得到数据如表2。

由以上图表可以看出，双幅桥面的气动响应相比单幅桥面更加复杂。阻力方面：双幅上下游断面阻力系数较单幅均有下降，且下游下降趋势更为明显，这是因为上游断面对下游断面的遮挡作用。升力方面：由于流场的改变使得双幅桥面的升力波动较为明显，但在数值和变化趋势上双幅桥面上下游与单幅桥面是吻合的。升力矩方面：流场的改变使得双幅下游升力矩大于上游升力矩，在升力矩变化趋势上双幅与单幅基本相同。

4 结束语

（1）利用CFD方法可以较好地模拟桥梁断面的气动三分力系数。

（2）双幅桥面阻力相比单幅桥面均有下降， 下游断面由于受到上游的遮挡作用下降得更加明显。

（3）双幅桥面下游升力系数及升力矩系数较单幅桥面只在数值上发生变化，在变化趋势上较为一致，说明升力和升力矩双幅外型的扰動较小。

参考文献

[1]吴颂平，刘赵森.计算流体力学及其应用[M].机械工业出版社， 2007.

[2]陈政清，刘小兵，刘志文.双幅桥面桥梁三分力系数的气动干扰效应研究[J].工程力学，2008，25（7）：87-92.

[3]程浩.波形钢腹板波形钢腹板PC组合箱梁桥抗风性能的研究分析[D].广州：华南理工大学，2012.

[4]李玉柱，苑明顺.流体力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[5]于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2008.

[6]刘钥，陈政清，张志田.箱梁断面静风力系数的CFD模拟[J].振动与冲击，2010，29（01），133-137.

[7]瞿伟廉，刘琳娜.基于CFD的桥梁三分力系数识别的数值研究[J].武汉理工大学学报，2007，29（7）：85-88.

[8]黄志渊，陈 .桥面风环境的数值风洞研究[J].福州大学学报（自然科学版），2007，35（1）：95-99.

[9]高亮，桥梁断面三分力系数的试验研究[D].西安：长安大学，2010.

[10]张倩.桥梁主梁断面颤振导数的数值模拟研究[D].成都：西南交通大学，2007，12.