连续梁拱组合结构气动特性研究

余 海 洪

(中铁四川生态城投资有限公司，四川 眉山 620562)

0 引言

梁拱组合是一种将拱桥和梁桥特点相结合的新型特殊桥梁形式。它具有结构刚度大、跨越能力强、外形美观、方便施工等特点。随着我国经济的飞速发展，铁路扮演的角色也是越来越重要，梁拱组合桥作为大跨度桥梁的主要桥型在我国铁路工程中被广泛采用。如温福铁路昆阳特大桥(64 m+136 m+64 m)、广东小榄水道特大桥(100 m+220 m+100 m)等。国内外学者也对其理论逐渐完善。于向东等[1]建立了梁拱组合结构的全桥空间分析模型及横向框架模型，研究发现主梁箱梁横向应力沿顺桥向成峰状变化，横桥向应力有翼缘至跨中逐渐减小的趋势，李爱飞[2]采用CFD技术对桥梁截面进行二维风场数值模拟，在横风作用下对梁拱组合桥的稳定性进行对比分析，讨论了吊杆张拉力以及列车荷载对桥梁稳定性的影响。

本文以某梁拱组合桥为工程背景，采用数值模拟进行全桥足尺模型三维风场模拟，计算了结构的静力三分力系数，研究了主梁和拱肋的气动特性，分析了风攻角和护栏对桥梁气动性能的影响。

1 工程背景

本文以35 m+130 m+35 m连续梁拱组合桥为工程背景进行研究，桥梁主梁采用C45预应力混凝土连续箱梁单箱单室结构，顶板宽度为11.8 m，梁高为2 m，跨中处梁高由2 m变为3.45 m。

2 气动特性分析

2.1 CFD模型建立

使用大型CFD软件FLUENT对主梁的涡振性能进行研究，对主梁建立CFD分析模型。对全桥进行三维风场模拟。同时考虑主梁和拱肋相互作用下气动特性的影响，以及研究在风攻角和护栏的其他因素影响下的影响。将主梁模型平均分为节段L1～L20，拱肋模型平均划分为G1～G8，吊杆模型平均分为D1～D22，如图1所示。

为计算准确，将结构表面网格进行加密处理，在剧烈变化的区域网格的划分密集，而在流场变化较慢的地方网格划分稀疏，最终划分网格为2 460万。部分节段划分情况如图2所示。

桥梁主梁、拱肋和吊杆等构件均采用无滑移壁面边界条件。边界条件如图3所示。

采用湍流模型为标准k-ε模型，使用simple算法求解，通过FLUENT求解主梁气动性能。空气密度ρ取1.225 kg/m3，空气粘性系数μ取1.79×105N·s/m2。

2.2 风速影响分析

分别模拟计算在风攻角为0°，均匀流风速在V=10 m/s～50 m/s的工况下，气动性能的值。

对比分析这五种工况，结果是近似的，可以得到三分力系数是准确的，桥梁节段三分力系数沿顺桥向变化情况如图4～图6所示。

3 气动特性的影响因素研究

3.1 风攻角对气动特性影响

主梁截面的风荷载主要包含的三分力系数[3]：阻力FH、升力FV、力矩MT，如图7所示。

体轴坐标系下气动力系数计算公式定义如下:

(1)

(2)

(3)

其中，CD(α)，CL(α)，CM(α)分别为风攻角为α时的静风阻力、升力、升力矩系数；B为桥梁断面宽度；D为桥梁断面高度。

风轴坐标阻力FD、升力FL和体轴坐标阻力FV、升力FH的转换关系如下：

(4)

文章考虑计算在入口风速为30 m/s时，且风攻角为±2°，±4°，±6°几种工况下，桥梁结构主要节段的三分力系数随风攻角变化如表1所示，桥梁主要节段气动力系数随风攻角变化如图8,图9所示。

表1 风攻角变化下桥梁主要结构三分力系数

根据模拟结果可以得到，主梁节段L5位置接近支座处，它的气动性变化不大，而拱肋节段G5受主梁气动特性干扰较小，升力矩系数变化不大，同时升力系数也呈现较明显上升的趋势，阻力系数也下降明显。这是由于负攻角时在桥梁的迎风面是处于正压区，背风面为负压区，随着风攻角增大，两者压力差减小，所以主梁节段和拱肋阻力系数随风攻角增大而减小，主梁节段的升力和升力矩系数变化不明显。

3.2 护栏对气动性的影响

对全桥模型建立有无护栏两种工况模拟全桥三维风场，对比有无护栏的工况下桥梁气动性能。

表2 主要节段气动特性参数计算结果

由表2可知，在L2有护栏的情况下，阻力系数减小了42.9%，升力系数增大16.5%，升力矩系数绝对值减小了1倍。由此可以得到护栏对桥梁主梁节段的气动性影响是不能忽视的。而拱肋靠近主梁位置的节段G1在无护栏的情况下阻力系数增大了18.8%，升力系数减小了82.9%，升力矩系数绝对值减小了37.5%；拱肋节段G5阻力系数变化不大，升力及升力矩系数变化较大，说明在考虑气动性能时，护栏是必不可少的考虑因素之一。

4 结语

文章采用CFD数值模拟技术对连续梁拱组合桥进行气动特性分析，在考虑风攻角和护栏的各种工况下，对桥梁的气动性能进行对比分析，得出了以下几个结论：

1)在对桥梁进行气动性分析时，建立合理的全桥三维模型，其中网格划分，参数的选取都对后续处理有着极大的影响。

2)在考虑不同风攻角的作用情况下，随风攻角角度的变化(-6°～6°)，连续梁拱组合桥主梁划分的各个节段变化的趋势大体相似，主梁及拱肋的阻力系数逐渐减小，升力系数以及升力矩系数变化不大，而拱肋节段的跨中节段升力系数在风攻角逐渐变大的过程中随之上升。总的来说风攻角对桥梁的气动性影响是不可忽视的。

3)在考虑气动特性的过程中，有无护栏的影响也是很大的，在有护栏的工况下，主梁的升力系数更大，同时阻力系数更小；拱肋阶段的阻力系数和升力系数都更小。所以在分析桥梁气动性影响时，考虑护栏等桥面设施也是必不可少的。

参考文献:

[1] 于向东,陈顺平.铁路连续梁拱组合桥箱梁横向受力分析[J].铁道科学与工程学报,2013,10(4):7-12.

[2] 李爱飞.沿海铁路梁拱组合桥梁车—桥系统抗风研究[D].长沙：中南大学,2012.

[3] 埃米尔·希缪.风对结构的作用[M].上海:同济大学出版社,1992.

[4] 耿鹏智.下承式连续梁拱组合体系钢桥的力学特性研究[D].南京：东南大学,2015.

[5] 李春光.紊流风场中大跨度桥梁非线性气动稳定性研究[D].长沙：湖南大学,2010.

[6] 朱佳琪.基于CFD的桥梁涡激振和颤振气弹模拟研究[D].成都：西南交通大学,2013.

[7] 张兆顺,崔桂香,许春晓.湍流理论与模拟[M].北京:清华大学出版社,2005.

[8] 于洪刚,赵 林,葛耀君.上海卢浦大桥拱肋等效气动导纳识别研究[J].土木工程学报,2010,43(7):79-84.

[9] 李 薇,胡兆同.CFD方法研究桥梁断面三分力系数的雷诺数效应[J].长安大学学报,2010,30(6):44-49.