山区峡谷高墩连续刚构桥抗风性能与气动外形优化

周 艇

(中铁十八局集团第二工程有限公司 河北唐山 064000)

1 引言

风对桥梁的破坏形式多种多样，桥梁风毁事件数不胜数，其中比较著名的有法国的Roche-Beruard桥、美国的Nigara-Clifton桥和Tacoma Narrows桥[1]。近年来，随着桥梁设计向轻、柔、长特点发展的趋势日渐明显，桥梁抗风研究已成为设计、施工和运营过程中不可忽视的内容。

随着国家交通网络的建设与完善，越来越多的桥梁开始在山区峡谷中建设。然而，山区峡谷风具有风速大、阵风强烈、风切变频繁等特点[2]，对山区峡谷桥梁进行抗风研究和寻找合理可行的抗风优化方法至关重要。

主梁作为桥梁主要的抗风构件，其抗风性能在很大程度上决定着整个桥梁的抗风性能，对主梁的气动外形进行合理优化，已成为大跨径桥梁在设计和施工过程中不可忽视的内容。国内外许多学者在这方面进行了研究，如马凯研究了栏杆等附属设施对桥梁气动三分力系数的影响[3]；廖海黎等提出空气动力扰流板对改善悬索桥的颤振具有良好的效果[4]；胡长灿等研究了气动外形对桥梁涡激共振和颤振的影响[5]；周立、葛耀君研究了栏杆、汽车等对钢主梁气动三分力的影响[6]；程怡、葛耀君等研究了不同高度的稳定板对桥梁涡振的影响[7]。在参阅了大量相关文献后[8-10]，发现目前关于桥梁气动外形方面的论文往往和涡振、颤振等联系在一起，而研究气动外形对阻力系数影响的文献极少，本文以某山区峡谷高墩连续刚构桥梁为例，研究了增加上稳定板、下稳定板和翼缘板流线化处理等措施对阻力系数的影响，希望填补此方面研究的不足[11-12]。

2 工程概况

木绒大桥为四川省甘孜州雅江县境内鲜水河上的一座三跨连续刚构桥，全长589 m，主跨跨径布置为120 m+220 m+120 m，两个主墩高度均为155 m。主梁采用单箱单室箱型截面，梁高为4.5～14.0 m。

该工程周边山区海拔3 900～4 800 m，鲜水河河道下切十分强烈，河谷峡窄，呈典型的“V”型断面，沿河岭谷高差悬殊，相对高差一般在500～1 500 m，为典型的高山峡谷。受海拔以及区域地貌影响，桥位处风速较高。根据施工监控，桥位处常遇风速可达20 m/s左右。

3 木绒桥抗风性能研究

3.1 原结构的抗风性能

选取1/4跨处的主梁截面作为研究对象，该截面梁高7 m，桥面宽9 m，外翼缘高0.2 m。在流体计算软件(CFD)中建立二维模型，计算采用的风速为20 m/s，空气密度取1.225 kg/m3，湍流模型为大涡模型，雷诺数为5×105，边界层网格大小为15 mm，流场范围为135×135 m，网格数量共276 591个。

风作用在结构上的力一般可以分解为沿来流方向的阻力FD、垂直来流方向的升力FL和使结构产生扭转的升力矩ML，即气动三分力，如图1所示。

图1 主梁截面气动三分力示意

其计算采用如下公式：

式中，ρ为空气密度，取1.225 kg/m3；U为风速，取20 m/s；H和B为主梁的特征长度，分别取7 m和9 m；CD(α)、CL(α)和CM(α)为气动三分力系数；α为风攻角。利用CFD软件，求解在施工阶段风轴坐标系下，主梁截面在-3°、0°和3°风攻角下的三分力系数，结果如图2所示。

图2 不同风攻角下主梁的三分力系数

《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T 3360-01-2018)规定，数值模拟结果与风洞试验的结果中，阻力系数的相对误差不宜超过15%。对比CFD软件计算所得阻力系数与风洞试验所得阻力系数，结果如表1所示。

表1 CFD模拟计算阻力系数与风洞试验阻力系数

通过表1可以看出，数值模拟与风洞试验所得的阻力系数相对误差最大为7.25%，满足规范要求，同时也证明采用CFD软件具有较高的可靠度以及模型的正确性。

3.2 中央上稳定板对阻力系数的影响

中央上稳定板布置于桥面中心的正上方，分别选取0.1h、0.15h、0.20h和0.25h(h为主梁高度)高度的稳定板，计算采用的风速为20 m/s，空气密度取1.225 kg/m3，湍流模型为大涡模型，雷诺数为5×105，边界层网格大小为15 mm，流场范围约为135×135 m，网格数量约288 900个。计算得到-3°、0°和3°风攻角下主梁的阻力系数如图3所示。

图3 增设不同高度的中央上稳定板后主梁的阻力系数

从图3可以看出，随着风攻角的增大，增设不同高度的稳定板后，主梁的阻力系数逐渐减小，且变化趋势基本相同；此外，在-3°风攻角下增设不同高度的稳定板均会使阻力系数增大，其中高度为0.15h的稳定板会使阻力系数增大18.78%左右；而在3°风攻角下增设不同高度的稳定板均会使阻力系数减小，此时增设高度为0.15h的稳定板效果最好，阻力系数能减少32%左右；在0°风攻角下增设不同高度的稳定板均会使阻力系数减小，且不同高度的稳定板对阻力系数的减小效果相差不大，均在30%左右。这主要是因为漩涡的位置和大小影响了主梁迎风侧和背风侧的压强差，不增设中央上稳定板时，在主梁背风侧会出现一个范围很大的漩涡，从而形成一个负压区，主梁迎风侧和背风侧就会出现一个很大的压强差；增设中央上稳定板后(见图4)，主梁背风侧虽然也会出现漩涡，但其范围小，且距离主梁远，主梁迎风侧和背风侧的压强差相对较小。这种压强差的减小引起了阻力系数的减小。

图4 增设中央上稳定板后主梁压强和速度纹理分布

3.3 中央下稳定板对阻力系数的影响

中央下稳定板布置于梁底面中心的正下方，同样选取高度分别为0.1h、0.15h、0.20h和0.25h的中央下稳定板，建立CFD模型，计算采用的风速为20 m/s，空气密度取1.225 kg/m3，湍流模型为大涡模型，雷诺数为5×105，边界层网格大小为15 mm，流场范围约为135×135 m，网格数量约295 600个，计算得到-3°、0°和3°风攻角下主梁的阻力系数如图5所示。

图5 增设中央下稳定板后主梁的阻力系数

图6 增设中央下稳定板后主梁压强和速度纹理分布

从图5可以看出，随着风攻角的增大，增设0.10h和0.15h高度的稳定板后，主梁的阻力系数变化趋势与原主梁结构的变化趋势基本相同，而增设0.20h和0.25h高度的稳定板后，主梁的阻力系数逐渐减小；此外，相比于不加稳定板的情况，增加不同高度的下稳定板后，不同风攻角下的阻力系数均有不同程度的减小，其中，在-3°和0°风攻角下增设高度为0.15h风攻角的稳定板效果最好，阻力系数减少约41.75%和46.35%；在3°风攻角下增设高度为0.20h风攻角的稳定板效果最好，阻力系数能够减少约28.49%。这是因为增加了下稳定板后，主梁下方的空气流动方向发生了改变，从而改变了主梁背风侧的压强分布。未增设下稳定板时，主梁下方的空气以接近水平方向通过主梁底部，然后绕过底板处的转角，以接近垂直的方向绕至主梁背风侧，并在背风侧形成大范围低压区，从而在主梁迎风面和背风面之间形成较大的压强差；增设下稳定板后(见图6)，主梁下方的空气先是斜向绕过下稳定板，然后沿斜向流至主梁背风侧，在主梁后方较远处形成低压区，此时主梁迎风面和背风面之间的压强差较小。这种压强差的改变直接引起了后者阻力系数的减小。

3.4 翼缘板流线化处理对阻力系数的影响

翼缘板流线化处理是将翼缘板端部的平直面改变成流线曲面，建立CFD模型，计算采用的风速为20 m/s，空气密度取1.225 kg/m3，湍流模型为大涡模型，雷诺数为5×105，边界层网格大小为15 mm，流场范围约为135×135 m，网格数量约236 500个，计算得到-3°、0°和3°风攻角下主梁的阻力系数如图7所示。

图7 流线化处理后主梁的阻力系数

从图7可以看出，在 -3°、0°和 3°风攻角下，随着风攻角的减小，主梁气动外形修改前后阻力系数的变化趋势基本相同，且在翼缘板流线化处理后，主梁的阻力系数均出现了10%左右的增大。这是因为翼缘板进行流线化处理后，气流提前分为上下两部分通过桥梁断面，在很大程度上增加了主梁的空气阻碍，且桥梁横向尺寸越大，主梁受到的风阻力就越大，但该方案能够降低主梁的振幅，抑制主梁的振动。

图8 翼缘板流线化处理后主梁压强和速度纹理分布

流线化处理后的翼缘板改变了主梁背风侧的空气流向，对于原主梁结构，背风侧翼缘板处生成了漩涡，主梁上方的空气绕过漩涡，以接近水平的方向从主梁后方通过；对翼缘板进行流线化处理后(见图8)，背风侧翼缘板处不再生成漩涡，主梁上方的空气直接绕过翼缘板，以接近垂直的方向流向主梁背风侧，并且在和主梁下方流上来的气体相遇后，在主梁背风侧生成漩涡，垂直流向的气体以及生成的漩涡降低了主梁背风侧的压强，增大了主梁迎风侧和背风侧的压强差，使得经流线化处理后的主梁阻力系数增大。

4 结论

(1)原主梁结构计算得到的阻力系数与同济大学TJ-5风洞试验结果的最大误差为7.25%，满足规范中不超过15%的要求，证明了CFD软件的可靠性以及模型的正确性。

(2)计算了增加不同高度的中央上稳定板后的主梁阻力系数。结果表明：在-3°风攻角下增设不同高度的稳定板均会使阻力系数增大，其中高度为0.15h的稳定板会使阻力系数增大18.78%左右；而在3°风攻角下增设高度为0.15h的稳定板效果最好，阻力系数能减少32%左右；在0°风攻角下增设不同高度的稳定板对阻力系数的减小效果相差不大，均在30%左右。

(3)计算了增加不同高度的下稳定板后的主梁阻力系数。结果表明：在-3°和0°风攻角下增设高度为0.15h风攻角的稳定板效果最好，主梁的阻力系数减少约41.75%和46.35%；在3°风攻角下增设高度为0.20h风攻角的稳定板效果最好，主梁的阻力系数能够减少约28.49%。

(4)计算了对翼缘板进行流线化处理后主梁的阻力系数。结果表明：在-3°、0°和3°风攻角下，随着风攻角的减小，主梁气动外形修改前后的阻力系数变化趋势基本相同，且在翼缘板流线化处理后，主梁的阻力系数均出现了10%左右的增大。