双索面悬索桥桥塔风荷载的数值模拟

双索面悬索桥桥塔风荷载的数值模拟

1物理风洞试验随着社会的发展和人民生活水平的提高，桥梁设计在满足安全、实用、经济的同时，更加注重美学的要求。而桥塔是斜拉桥和悬索桥等大跨度桥梁最突出的构件之一,造型至关重要,也是景观设计的重点,甚至具有标志性意义,因此出现了越来越多的复杂造型桥塔。现有规范中只给出了简单桥塔截面的风荷载计算方法,而没有给出复杂桥塔截面的风荷载以及考虑塔柱之间的干扰对其风荷载的影响。对于复杂造型桥塔所承受的风荷载,需要专门的研究。传统的物理风洞试验方法虽然准确直观,但由于现代结构的形状多数比较复杂,其周围流场也变化多端,这给模型的制作以及在试验中的测量带来较大困难;在缩尺试验中也只能满足部分相似数的模拟;此外,物理风洞试验一般周期长、成本高、需要复杂昂贵的测试设备等,也限制了风洞试验方法在工程实践中的应用。数值风洞技术(numericalwindtunneltechnology)是利用计算流体力学方法在计算机上模拟结构周围风场的变化并求解结构表面的风荷载,具有成本低、周期短、效率高、重复性好和条件易于控制等优点,且不受模型尺度的影响,可进行全尺度模拟,克服了试验中难以满足的Reynolds数相似的困难;还可以方便地变化各种参数,以研究不同参数的影响。本文针对某双索面悬索桥的桥塔(为巴洛克风格结构,图1),分别采用规范计算和数值风洞技术等两种方法对其所受的风荷载进行了研究,其中对湍流的模拟采用大涡模拟法(LES),用瞬时的Navier-Stokes方程直接模拟湍流中的大尺度涡,不直接模拟小尺度涡,而小涡对大涡的影响通过近似的模型来考虑。2不同截面的塔柱布置根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60—1—2004)(以下简称《规范》)第4.4.1条,作用于桥塔上的静风荷载可按下式计算:FH=12ρV2gCHAn(1)FΗ=12ρVg2CΗAn(1)式中,CH为桥塔的阻力系数;An为桥塔的顺风向投影面积。由于该桥塔造型复杂多变,依次把两根塔柱横桥方向分为左、右两塔柱,每根塔柱从底部到顶部分为图2所示的塔1—塔7的7块,共14块;塔柱之间的横梁分为下横梁和上横梁,总共分为16块。每块塔柱所取横截面如图3所示。从图3可以看出,塔柱各分块并不是规整的矩形截面,按《规范》第4.4.2条求其阻力系数时,取相应截面外边缘的矩形截面计算。考虑桥塔高宽比时,取其最不利状态,认为上部结构已经架设完成,因此高宽比统一取为40,从而可以得到桥塔各部分截面的阻力系数CH,如表1所示。3桥塔结构数值模拟该桥塔截面形状随高度变化较大,属于三维复杂空间结构,各塔柱和横梁之间会产生强烈的气流相互干扰,流场非常复杂。因此,不能用简单的二维模型来计算。本文利用数值风洞技术,采用大涡模拟方法,通过建立三维的桥塔几何模型(图4)、网格划分及流场求解,从而获得不同风向下的流场,精确地求出桥塔各部位的风荷载参数。由于计算区域较大,网格划分需要分块进行,在桥塔周围和流场变化较大的区域进行细分,远离桥塔的区域网格数量相应减少,在保证计算精度的同时尽量减少网格数量,最终得到网格数量约380万块。桥塔表面网格划分见图5。数值模拟主要计算参数见表2。坐标轴定义如下,不同角度下的桥塔结构计算采用边界不动、旋转模型的方法实现,即x轴为风的来流风向,y轴为水平侧向,z轴为竖直向上方向。结果列出了来流风阻系数、侧向及竖向荷载系数。风向角的定义为横桥向为0°,顺桥向为90°,桥塔各风向角下坐标系统如图6所示。桥塔各部分分块与规范方法相同。通过数值模拟可以获得每个分块的气动荷载,从而计算得到气动参数,每个分块各方向的体型系数定义为Cx=Fx12ρv2Si,Cy=Fy12ρv2Si,Cz=Fz12ρv2Si(2)Cx=Fx12ρv2Si,Cy=Fy12ρv2Si,Cz=Fz12ρv2Si(2)式中,Cx,Cy,Cz为第i分块x,y,z方向的气动荷载系数,Cx为通常定义下的阻力系数;Fx,Fy,Fz第i分块所受x,y,z方向的力;ρ为空气密度;v为来流风速;Si为第i分块在某一坐标轴上投影面积,本文为风荷载计算方便,投影面积统一选用90°风向角下的迎风面投影面积。桥塔各分块的投影面积见表3。通过计算,可以得到横桥向风作用下桥塔各分块体型系数,如表4所示,顺桥向风作用下桥塔各分块体型系数,如表5所示,其中,横桥向风作用下流场切片图如图7所示,顺桥向风作用下流场切片图如图8所示。从图中可以看出,各塔柱之间的流场出现了严重的相互干扰。在横桥向风作用下,右塔柱由于受到左塔柱的遮挡,塔柱下部横桥向体型系数出现负值,塔柱中部和上部体型系数仅为左塔柱的7.2%～40.4%;在顺桥向风作用下,由于塔柱间的相互干扰和塔柱截面自身的不对称性,塔柱各分块同时产生了很大的横桥向受力,体型系数最大处达到顺桥向的45.5%。4塔底主要内力单柱利用有限元软件ANSYS建立该桥塔的空间有限元分析模型,采用规范计算和数值模拟所得到的两种体型系数对桥塔施加横桥向和顺桥向风荷载,从而得到桥塔在不同工况下的内力和位移响应。通过计算,可以得到桥塔在横桥向风荷载作用下,采用数值模拟方法的风荷载取值时,塔顶横桥向位移为3.2mm;采用规范方法的风荷载取值时,塔顶横桥向位移为5.6mm,为数值模拟方法的1.75倍;在顺桥向风荷载作用下,采用数值模拟方法风荷载取值时,塔顶顺桥向位移为18.8mm,采用规范方法风荷载取值时,塔顶顺桥向位移为40.4mm,为数值模拟方法的2.15倍。塔底主要内力(单柱)见表6。采用规范方法计算时在风的来流方向,桥塔内力是数值模拟方法的1.75～2.3倍,结果偏于保守;而在来流风的垂直方向,规范方法则无法考虑两个桥墩之间的相互影响以及桥墩截面形状本身的不规则性引起的横风向受力,得到桥塔的横风向受力很小,结果偏不安全。5风荷载结果对比随着计算流体力学方法的日趋成熟,为复杂物体绕流及多个物体之间流场相互干扰的数值模拟提供了可能。而规范方法只对一些简单截面及单个物体给出了风荷载阻力系数,无法考虑结构三维效应对风荷载的影响。基于规范计算和数值模拟两种方法对某