高墩刚构桥施工期风荷载数值模拟

董康康,闫亚光

（河北工程大学,河北 邯郸 056000）

0 引言

高墩连续刚构桥通常具有高墩支撑以及桥下空间大的典型特点，所以更易受风场影响，桥梁受风影响所表现出的风场特性也较一般地区桥梁更为强烈。主桥结构周围受静风和紊流作用的影响会产生不可忽视的风致响应，甚至会影响到项目施工人员及机具的安全[1]。可能会引起主桥结构施工过程中的稳定性等问题，存在安全隐患，对风场中桥梁结构的稳定性造成破坏。因此在施工前对主桥模型进行风荷载的数值模拟计算是十分必要的，它是后期研究主桥结构各梁块内力和变形状况以及掌握结构的最不利位置的前期工作。

1 建立三维流场数值模型

1.1 Gambit中模型的建立

在Gambit中建立韩城河大桥主桥结构的三维数值模型，并构造出大桥计算域，运用非结构化网格进行划分。鉴于计算量的增大，划分出的主桥模型所在部分不宜太大，区域过大的直接影响就是所在部分网格数量过大，易引起软件计算的崩溃[2～4]。桥模型计算域被划分为9个模块区域，其中中心区域分为上下两部分。故主桥模型计算域被划分为10个模块区域来进行网格的划分，如图1所示。划分桥梁模型采用1 m的面网格，再用5 m的体网格对桥所在中心区域进行划分，如图2中心区域所示。根据划分出的模块区域离主桥模型的远近来决定网格划分的疏密程度，中心周围模块区域的网格划分依次采用10 m、15 m的网格尺寸[5～8]，如图2所示。

图1 主桥模型计算域划分图

图2 主桥模型网格划分效果图

1.2 设置模型边界条件

根据主桥模型所在地形情况在Gambit中进行韩城河大桥主桥结构的建模，并完成其计算域的构建。+X方向为东，-X方向为西，根据韩城河大桥的地形实际情况，设置风速入口方向为+X，风速出口方向为-X。主桥模型边界条件设置如表1所示。

表1 主桥模型边界条件

2 不同风攻角下的主桥典型梁块截面风压数值模拟

2.1 不同风攻角下主梁各梁块截面位置示意

设置5种不同的风攻角工况，风攻角由小到大为、-5°、-2°、0°、2°、5°，运用Fluent软件对5种工况分别进行模拟[9～10]，入口风速设置为23.268 m/s。选取主桥结构最高墩27#墩的主梁结构作为研究对象，27#墩主桥模型施工期最大悬臂示意图如图3所示。

图3 施工期最大悬臂下的主桥结构梁块示意图

如图3所示，韩城河大桥27#墩最大悬臂状态下箱梁施工标段中主梁悬臂两端各划分为15段来进行悬臂挂篮施工。由于1#梁块和27#桥墩距离很近，桥墩的存在会对1#梁块周围风场特性造成一定的影响。选取位于桥墩位置附近的1#典型梁块作为研究对象。

2.2 不同风攻角下主梁1#梁块截面风压分布云图分析

5种不同风攻角工况下的1#梁块截面风压分布云图如图4所示。

图4 根部1#梁块-5°～5°风攻角风压云图

从图4可看出主桥模型1#根部梁块迎风侧承受着正压力，其余各面均承受负压力，所有风攻角工况图中桥墩位置都有很大的负压，可能是桥墩对其附近风场产生的阻碍作用，桥墩附近位置出现很多流场漩涡，悬臂根部梁块周围承受范围不小的负压。其中风攻角为-5°时根部梁块周围压强场最强，最小压强为-547.332 9 Pa，最大压强为471.274 5 Pa。所有风攻角工况图中右上角主梁梁块翼缘、梁块截面底板右下方位置以及根部梁块背风面由于流场的回旋作用而承受很大的吸力；由-5°～5°不同风攻角的压力分布云图可看出，1#根部梁块的上方区域呈现负压区，随着风攻角由负向正的增大1#根部梁块上方负压区面积和压力值都在逐渐减小，5°风攻角时，1#根部梁块上方负压区面积减小，负压强值为-464.362 7 Pa，正压强值为351.517 6 Pa。随着风攻角由负到正的不断变化，根部梁块迎风面的正压区的面积和压强值都在不断减小。

3 结论

综上所述，选取的主梁模型典型梁块1#梁块截面迎风侧均承受正压力，上下方区域与背风侧均承受负压。尤其是梁块下方区域出现类似桥墩形状的负压区，原因是桥墩对风场的阻碍而出现绕流现象，导致桥墩表面周围附近出现负压。随着梁块截面上风攻角由负向正的增大，梁块负压区的区域面积总是减小；随着风攻角由负向正的增大，梁块周围正压区面积逐渐增大；27#桥墩会对悬臂根部1#梁块截面周围的风场造成一定的影响，从而导致梁块周围正压区与负压区均增大。