门式变断面桥塔风致静动力性能cfd分析

门式变断面桥塔风致静动力性能cfd分析

0静力气动力系数门桥塔是连接桥和客车的最常见形状之一。随着对桥梁主要类型的要求，桥梁的设计更高，相应的刚性降低。在风荷载的作用下，桥的静态动态响应变得更加突出。对桥塔风致响应的研究主要集中在塔柱静风内力、驰振、抖振及涡振方面。其中,驰振作为发散性振动,对结构具有毁灭性破坏,但通过合理的塔柱断面设计,即可有效的避免发生;涡振是柔性体系在低风速下极易发生的一种风振现象,与抖振同属限幅振动,兼具自激和强迫振动性质,虽不及驰振具有毁灭性发散特点,但其发振风速较低,相对抖振往往具有更大周期性振幅,对施工状态下的结构稳定及疲劳性能、成桥状态行车舒适度及交通运营都具有较大影响。而静力气动力系数作为静风内力、抖振驰振计算的必要参数,在桥塔风振响应研究中也具有同等重要地位。本文以南溪长江大桥为依托工程,采用CFD数值计算方法,对门式桥塔三种塔高下的典型断面静力气动力系数及涡振参数进行了考察,利用桥塔涡振“特征参数”,近似计算并预测了横风下塔柱的涡振起振风速,并通过缩尺气弹风洞试验,对桥塔涡振起振风速、塔顶位移均方根响应进行了测试。1钢箱梁上跨板片南溪长江大桥是国家高速公路网成渝地区环线纳溪至宜宾段设置的一座特大型双塔单跨简支悬索桥,全桥总长1295.89m,主跨820m。主梁采用钢箱梁断面,桥塔为混凝土双柱门式桥塔,北岸桥塔高137.61m,南岸桥塔高149.61m,塔柱至下而上向内微倾斜3°52',断面尺寸随塔高线性递减。由于两岸桥塔高度不等,本研究偏安全的选取较高的南桥塔进行分析,另外,为考察不同塔高位置断面的气动力性能,选取1/4、1/2、3/4三种塔高典型断面进行计算,各断面特征尺寸如图1所示。2式桥塔的气压分析2.1塔柱段的静力气动力系数2.1.1模型建立及网格划分定义体轴坐标系下静力三分力系数有式(1)~(3)。分别对图1中三种典型断面进行了计算域网格划分,为保证入口流场稳定及出流区域流动的充分发展,计算域横桥向设置为L1=2.5b,L2=12.5b,D=10b;顺桥向设置为L1=10b,L2=45b,D=20b,模型尺寸采用实际尺寸,如图2所示。迎风侧边界条件设置为速度进口,背风侧边界设置为压力出口,上下边界均设置为对称边界。网格划分采用放射性网格,即贴近监测断面的网格足够小,远离监测断面的区域适当放大,横桥向整体网格示意见图3。湍流模型选用SSTk-ω模型,湍流因子取0.5%,粘性系数取为2。计算风速统一选用30m/s。为反映桥塔断面气动力特性,对每个计算断面分别采用定常与非定常分析方法进行计算。每个计算断面均考虑不同的来流风向角,横桥向考虑0°、±5°、±10°风向角,顺桥向考虑90°风向角。选择不同雷诺数下的方柱绕流作为验算模型,计算相应的阻力系数,并与《公路桥梁抗风设计规范》中的取值进行对比。模型尺寸及结果见表1。验算模型采用与南溪桥塔柱断面模型相同的网格划分、边界条件以及分析参数。验算模型的整体网格划分及方柱周围局部网格划分如图4所示。根据《规范》,当断面为正方形时,阻力系数取2。从表1的结果来看,当断面形状一定而雷诺数发生改变时,非定常计算的阻力系数变化幅度不大,且接近规范取值2,有较高的可信度;而定常计算的阻力系数却产生了较大波动,并且与规范取值相差较大,可信度相对较低。2.1.2横向角风向角横桥向各计算断面在不同风向角下的阻力和升力系数(非定常)计算结果见图5。由非定常计算结果知:横桥向计算中(图2(a))左柱和右柱三分力系数相差较大,随着风向角由0°增大(减小)至±10°,左柱的阻力系数逐渐降低,升力系数的绝对值有明显增加;右柱的阻力系数从负值变为正值,而升力系数的绝对值小幅度增加。顺桥向各计算断面的三分力系数(非定常)计算结果见表2。由气动力系数定义方向可知:顺桥向计算中(图2(b)),计算所得上柱和下柱三分力系数非常接近,其中两柱的阻力系数基本相同,而升力系数、力矩系数绝对值也十分接近。随着计算断面对应高程的增加,断面宽高比逐渐减小,阻力系数呈现逐渐增大的规律。2.2结构自振特性旋涡的脱落频率与风速及结构的断面形状有关,可用斯托罗哈数St来描述。式中f(Hz)为旋涡脱落频率;D(m)为物体垂直于来流方向平面上的特征尺寸;U(m/s)为来流速度。通过计算断面的斯托罗哈数,可以对等断面柱体的涡振性能进行分析,通过非定常分析,计算得到主梁断面三分力系数随时间波动的时程曲线,对该曲线进行频谱分析,即可提取旋涡脱落频率f,根据式(4)可计算出断面的斯托罗哈数St。涡激振动的计算中,同样取南桥塔1/4、1/2、3/4塔高断面计算涡激振动性能,各断面分别采用与实际高度设计风速进行分析。图6~7为南岸桥塔部分特征断面在对应风速下的升力时程曲线与升力系数幅值谱图。通过对桥塔断面进行涡振性能计算,反映了不同塔高位置横桥向和顺桥向各断面的涡激振动规律。表3为各断面下的旋涡脱落频率,根据式(4)计算出了对应斯托罗哈数。分析结果可知,随着风速的增加、计算断面面积的减小,桥塔在横桥向和顺桥向的旋涡脱落频率均逐渐增大,横桥向1/4塔高处的旋涡脱落频率最小。以南桥塔为例计算了裸塔状态结构的自振特性,顺桥向一阶频率为0.255Hz,横桥向一阶频率为0.490Hz。由表3知,横桥向风作用下,对应于第一个卓越频率的斯托罗哈数的平均值为0.171,对应于第二个卓越频率的斯托罗哈数的平均值为0.225,近似将1/2塔高处塔柱的顺桥向宽度7.25m作为涡振起振风速的计算“特征尺寸”,则对应于两个斯托罗哈数的实桥顺桥向涡振风速分别为10.8m/s和8.2m/s。顺桥向风作用下,斯托罗哈数的平均值为0.442,相应的实桥横桥向涡振风速为11.1m/s。3塔的气弹模型的风洞测试3.1气弹模型风洞试验设备对桥塔进行CL=1/80的缩尺模型设计,相应风速比为CU=1/8.94,由相似条件可知频率比为Cf=8.94/1。气弹模型设计时,桥塔弯曲刚度由A3钢制成的芯梁提供,芯梁设计为矩形断面,用以满足塔柱顺桥向及横桥向两个弯曲刚度相似关系,桥塔气动外形由木质外模提供。气弹模型风洞试验中同样偏安全地选择高塔(即南桥塔)进行试验,试验以塔顶作为动态响应测量控制断面,测定顺桥向及横桥向位移与加速度响应。为减小测试仪器对塔柱附近流场的干扰,分别在塔顶断面背风向及外侧设置了两个加速度传感器,用于测试桥塔顺桥向和横桥向的加速度响应,分析测试结果可得到桥塔顺桥向和横桥向的位移响应。模型底部与地面固结,即6个方向的自由度均约束。由于塔柱整体刚度较大,风荷载作用下更易发生低阶模态共振,待模型安装完成后,分别对塔柱两方向进行激振,仅测试其一阶自振频率,考虑到实桥塔柱为混凝土,故采用在外模缝隙增加泡沫及表面黏贴胶带方法增大模型阻尼比,以尽可能还原结构真实动力特性,测试自振频率结果及相应阻尼比条件见表4。3.2来流风向屋顶振动随风速的变化特征在均匀流场中进行了10种来流风向角试验,即β=0°(来流与桥轴垂直,横桥向吹风)~β=90°(来流与桥轴一致,顺桥向吹风),Δ=10°。均匀流试验风速约为0~10.2m/s,换算至实桥风速已远远高于施工状态桥塔设计基准风速(28.4m/s)。图8、图9分别为不同来流风向下塔顶两方向风致响应随风速的变化情况(已换算至实桥)。试验观测表明,来流为均匀流时,模型在10种方向角下均未出现振幅发散的驰振等气动失稳现象。当风向角β=0°和10°,实桥风速约为10.3m/s时开始出现显著的顺桥向周期振动(涡振中心风速约为12.4m/s),此时,实桥塔顶最大根方差振幅约为53.2mm;风向角β=20°和30°,实桥风速约为28.0~30.0m/s时出现一定程度横桥向周期振动,最大根方差振幅约为31.7mm。由于两方向振动响应监测时程曲线均呈现明显的谐波特点,且振幅未随风速增大,可以判断该周期振动为涡振。来流为紊流时,同样进行了与均匀流场中相同的10种来流风向角试验,对于每一种来流偏角,模型试验风速约为0~6.96m/s,换算至实桥风速已远远高于施工状态桥塔设计基准风速(28.4m/s),根据试验风速———响应数据,未观测到明显涡振现象,说明湍流对涡振具有一定的抑制作用。3.3cfd起振风速裸塔状态气弹模型风洞试验表明,横桥向来流作用下(风向角β=0°),风速10~15m/s(中心风速12.4m/s)范围内出现了顺桥向涡振,其中起振风速约为10.3m/s,而CFD分析结果显示,横桥向来流下的塔柱顺桥向平均涡振起振风速约为10.8m/s,数值计算结果与风洞试验结果十分吻合。顺桥向来流下(风向角β=90°)时,通过CFD计算分析得到的横桥向涡振风速约为11.1m/s,而风洞试验并未发现明显的涡振现象,这可能与桥塔横桥向阻尼比及塔柱与横系梁形成的框架体系有关。通过桥塔横桥向自振频率及CFD涡振“特征参数”直接计算得到的涡振起振风速无法考虑塔柱本身的结构协调变形,而桥塔顺桥向涡振行为不受这一因素的影响,因此不能采用同样的方法对横桥向涡振风速进行预测。β=20°及β=30°来流下同样观测到一定程度横桥向涡振,但振幅相对较小,且起振风速超过20m/s,从发振概率及破坏程度上讲,对实际工程影响不大。4来流风向两塔柱的气动载荷通过对南溪长江大桥门式桥塔的二维断面CFD数值计算及裸塔气弹模型风洞试验测试分析,可得出以下主要结论:1)不同高度塔柱断面顺桥向阻力系数随塔高递增,主要与断面顺桥向尺寸随塔高递减有关;断面升力系数及力矩系数随塔高的变化未表现出明显规律;2)由结构对称性,上下游塔柱断面顺桥向气动力系数基本相同,其余来流风向下两塔柱气动力系数差异显著,升力系数分别呈现正负斜率变化规律,阻力系数均以0°攻角最大,这些主要与塔柱外形及遮挡效应有关;3)涡振性能CFD分析显示,顺桥向来流下,单一风速仅有一个卓越频率,横桥向来流存在两个卓越频率,可能与前后两塔柱间的气动干扰有关;4)通过换算不同高度典型断面尺寸及涡振参数得到的桥塔“特征参数”,计算得到塔柱顺桥向涡振临界风速为10.8m/s;式中α为来流风攻角(对于桥塔等竖直