基于cfd的双箱断面气动性能分析

基于cfd的双箱断面气动性能分析

随着我国经济的快速发展，大型桥梁建设也取得了迅速发展。中国全长550米的卢浦大桥和全长420米的万县大桥创造了钢拱桥和混凝土拱桥的世界记录。主航道桥为半径为1890米的润阳长江街桥，其次是主航道1.088米的苏通大桥。西交门桥以半径为1650m的范围影响了悬挂式钢箱梁桥的世界记录。西堠门大桥是舟山大陆连岛工程第4座特大跨径桥梁,为大跨度悬索桥,见图1(图中高程系统为国家85高程).其走向由北向南,北连册子岛,南连金塘岛.跨径布置为578m+1650m+485m,主跨长度位列中国第一,世界第二.主桥在北锚碇和南塔之间设计为连续加劲钢箱梁,连续长度为2228m.1风振控制措施随着桥梁跨径的不数增大,桥梁结构趋向于轻型化和柔性化,导致风致振动,成为控制桥梁设计、施工及运营期安全的关键因素.当大跨度桥梁结构受内在气动性能的限制,原有结构无法避免风致振动时,有必要采取有效措施,进行风振控制措施研究.西堠门大桥是一座两跨悬吊式悬索桥,它的跨径将在钢箱梁悬索桥中创造一项新的世界纪录.跨度为1624m的丹麦大海带桥颤振临界风速为62.0m/s,跨度1490m的中国润扬大桥的颤振临界风速为63.0m/s.基于上述2座大桥的抗风研究经验,对于采用流线型箱梁的典型悬索桥,1650m的跨度似乎已经到了空气动力的极限,而且西堠门大桥的气动稳定要求更严格,颤振检验风速达到78.2m/s.所以,在该桥初步设计阶段,针对加劲梁钢箱梁断面的外形进行了气动优化.1.1开槽宽度加大颤振稳定性的影响基于大跨度桥梁气动设计经验,提出了3种基本断面形式,即传统单箱梁断面、开槽双箱梁断面和开槽格构式双箱梁断面,作为西堠门大桥悬索桥加劲梁的比选方案.对闭口箱梁断面进行中央开槽,一般能提高颤振临界风速,提高效果同开槽宽度紧密相关.但并非开槽宽度越大,气动性能越好,而是存在一个最优的宽度.计算机技术和计算流体动力学(computationalfluiddynamics,简称CFD)的发展,给风工程研究提供了一种可能代替风洞实验的手段,即数值风洞.针对开槽双箱梁断面,首先采用数值方法对开槽宽度进行了优化分析.开槽宽度选取了5.0,6.0和6.5m3种.针对3种开槽宽度的加劲梁,采用基于计算流体动力学方法的FEM2D软件,对断面流态(等压线和等速线)进行了模拟.3种开槽宽度加劲梁的等压线和等速线表明,三者的气流流态没有本质差别,因此,可以作为同一类型开槽断面进行颤振稳定性比选.图2是槽宽6.0m方案的计算结果.采用FEM2D软件,对3种开槽宽度的加劲梁断面进行了气动导数的识别,并用2d3DOF软件进行了颤振和驱动机理分析.分析结果表明,槽宽5.0和6.5m的断面,由于扭转运动自身产生的扭转气动阻尼,在较低的风速下就会丧失对系统的稳定作用;而槽宽6.0m的断面,这部分扭转气动阻尼对系统的稳定作用相对较强,颤振稳定性能好.在此基础上,对气动外形相对较好的槽宽6.0m断面进行了进一步的气动控制措施比较,主要包括两方面:一是调整检修轨道的位置,二是增设风嘴.为此又进行了4种断面的数值分析,包括检修轨道外移(图3(a))、检修轨道下移(图3(b))、增设风嘴(图3(c))和增设风嘴且检修轨道下移(图3(d)).分析结果表明,检修轨道外移会导致扭转运动自身产生的扭转气动阻尼在更低的风速下丧失系统稳定作用,说明此控制措施的效果不佳;而检修轨道下移或增设风嘴后,开槽断面由于扭转运动自身产生的扭转气动阻尼,始终对扭转弯曲耦合运动产生的扭转气动负阻尼起抑制作用,从而有效地提高了结构颤振稳定性能,证明这是2种有效的颤振控制措施.表1为各种断面颤振临界风速的计算结果.从表1可以得到以下认识:(1)3种开槽宽度中,槽宽6.0m方案的颤振稳定性能最好,比其它2种槽宽断面的颤振临界风速提高近30%.(2)检修轨道外移不但无助于提高结构的颤振稳定性能,反而起到相反的作用;而检修轨道下移使颤振临界风速提高约12%.(3)增设风嘴无论是对槽宽6.0m方案还是检修轨道下移方案,其对颤振性能的改善作用并不大,但增设风嘴能在一定程度上增强气流的导流作用,从而改善断面的涡振和抖振性能.1.2梁断面节段模型试验在设计初期,评价加劲梁不同横截面形状的空气静力和空气动力性质很重要,风洞试验将起到主要作用.通过对上述3种不同开槽宽度断面的数值风洞计算分析,在确定了优化的开槽双箱梁断面后,进行了传统单箱梁断面、开槽6.0m的双箱梁断面和开槽格构式双箱梁断面节段模型试验(断面形状如图4所示),对3种基本断面形式进行了比选.其中,单箱梁带中央稳定板方案的稳定板高度有1.157,1.657和2.157m3种.因单箱梁方案颤振稳定性较低,因而考虑了多种气动控制措施.对以上各种加劲梁断面进行了缩尺比为1∶80的节段模型风洞试验.试验在同济大学TJ-1边界层风洞中进行,该风洞工作段宽1.8m,高1.8m,长15m,如图5所示.颤振临界风速节段模型风洞试验结果见表2.从表2可见,除传统单箱梁截面外,其余2种断面都能满足颤振检验风速78.2m/s的要求.2有效风振控制通过数值模拟和节段模型试验,对西堠门大桥初步设计阶段钢箱梁断面进行了气动选型和控制措施研究,可以得到以下结论:(1)采用基于计算流体动力学(CFD)的方法,对不同开槽宽度双箱梁断面的气动性能进行了预判,得出开槽宽6.0m的断面气动性能最优.实践证明:CFD技术对于初步设计阶段的气动选型、设计独立审核工作、风振机理研究及“数值风洞”都是十分重要和有效的工具.(2)采用1∶80的节段模型试验,得出3种断面都能满足颤振稳定性的要求,但传统单箱梁断面需采取控制措施.随着我国大跨度桥梁建设的飞速发展,跨径不断增大,受桥梁结构内在气动性能的限制,传统的桥梁结构无法避免地会产生风致振动,因此,研究有效的气动措施进行风振控制刻不容缓.西堠门大桥的实践表明,通过合理的气动选型和采取适当的风振控制措施,可以有效地改善大跨度桥梁的气动稳定性能,满足设计要求.参考文献:周孟波,刘自明,王邦楣.悬索桥手册[M].北京:人民交通出版社,2003.559-562.周孟波,刘自明,王邦楣.斜拉桥手册[M].北京:人民交通出版社,2004.593-602.LarsenA,AstizMA.AeroelasticconsiderationsfortheGibraltarBridgefeasibilitystudy[A].BridgeAerodynamics[C].Rotterdam:AABalkema,1998.165-173.项海帆,陈艾荣.特大跨度桥梁抗风研究的新进展[J].土木工程学报,2003,36(4):1-8.XiangHF,ChenAR.Recentadvancesinresearchonaerodynamicsofextralongspanbridges[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2003,36(4):1-8.尼尔斯J吉姆辛.金增洪译.缆索支承桥梁[M].北京:人民交通出版社,2002.252-253.项海帆.