CFD|拱桥塔架风荷载参数分析

摘 要:

     针对非规则塔架结构的风荷载计算难以确定结构的遮挡系数和体型系数的问题,基于MIDAS/NFX有限元分析软件,分别建立了塔架结构和桁架节段的数值风洞分析模型,分析了塔架周围的流场、风速和压力分布,计算确定了相邻两片桁架之间的遮挡系数以及塔架的体型系数,并与规范取值进行对比,验证了该模型及参数的有效性。分析结果表明:塔架迎风面和背风面的体型系数均是塔架中部较大,并逐渐向两端减小。塔架单片桁架的体型系数为1.63,相邻两片桁架的遮挡系数为0.47,塔架的整体体型系数为2.76,介于常用规范取值之间。研究成果对于塔架结构的设计和安全评估具有重要实用价值,能够为类似非规则外形的高耸结构提供准确的风荷载参数分析方法,从而提高塔架结构的安全性和经济效益。

关键词:

拱桥施工;非规则塔架;遮挡系数;体型系数;MIDAS/NFX

1 概述

   大跨拱桥大多采用缆索吊装斜拉扣挂法施工,塔架作为施工过程中主要承受荷载的柔性高耸结构,容易在横向荷载作用下产生较大的偏位。当前,在物联网技术和智能控制技术的支持下,可对施工过程的塔架偏位进行实时调控[1,2],从而保障其安全性。为满足施工需要,缆索吊装塔架大多设计为非规则桁架结构,塔架高度大且相邻两片桁架之间距离较近,塔架周围的风场复杂,如何确定相邻桁架间的遮挡系数以及塔架的整体体型系数是进行塔架受力特性分析和稳定性分析的关键。

     目前风荷载参数的研究主要依赖风洞试验和数值风洞模拟[3]。风洞实验是目前进行空气动力实验最有效的工具之一,但也存在着实验费用较高,对实验环境要求高,受到模型尺寸和风场范围影响的局限性。随着计算机技术和计算流体动力学方法的发展,数值风洞模拟逐渐成为一种代替风洞实验的有效分析手段[4]。数值模拟方法可以模拟相对较大的风场流域,克服了风洞试验中雷诺数模拟的缺陷问题和洞壁干扰等问题。众多研究表明,只要建立的结构模型合理,应用数值模拟技术得到的计算结果是可以应用于实际工程的[5]。如苏通长江公路大桥主跨1088m 斜拉桥方案的主梁截面,分析了在风攻角为0°时的流场染色粒子分布和速度分布。对主跨550m 卢浦大桥的数值分析发现,拱肋的合龙状态和成桥状态在均匀流场及不同风偏角下,拱顶及主梁1/4节段处产生了明显的涡激振动现象,并通过数值风洞技术与试验相结合的方法确定了气流分离板的减振优化措施[4]。对于非规则的缆索吊装塔架,不同规范[6,7]对风荷载计算过程中的参数取值(如遮挡系数、体型系数等)各不相同,在进行塔架受力特性分析和稳定性分析时,难以准确确定塔架的风荷载。

    采用数值风洞方法确定六律邕江大桥塔架结构的风荷载参数,基于midas/NFX建立塔架整体和桁架节段的分析模型,分析其在桥位设计风环境下

的流场分布、风速分布、风压分布等特性,计算其遮挡系数和体型系数,并与当前常用规范的取值进行对比,为同类型非规则塔架结构的风荷载分析提供借鉴。

2 工程概况

   六律邕江大桥是泉州至南宁高速公路的一座下承式钢管混凝土系杆拱桥,拱肋计算跨径265m。桥位处年平均气温为20℃~23℃,年平均最大风速为(NE)23.0m/s。主拱采用缆索吊装斜拉扣挂悬臂拼装法施工,塔架采用主扣合一形式,由万能杆件拼装而成,塔架与基础铰接,塔高122m,沿纵、横向分别设置一定数量的缆风用于调节塔架的垂直度,维持塔架在施工过程的稳定性,见图1。

3 数值模型建立

3.1 模型简化

    万能杆件型塔架结构的杆件布置和几何形状复杂,分析时不仅会显著增加网格的划分数量、降低网格的划分质量,而且容易导致结果难以收敛,降低分析的效率。因此,对塔架的几何模型进行了简化,在分析塔架的体型系数时,主要关注该参数沿塔架高度的变化规律,不考虑塔架内部杆件和塔架缆风索的影响,并将其外表面简化为平整的平面;在分析桁架的遮挡系数时,主要关注风经过第一片桁架的遮挡和绕流后,到达第2和第3片桁架后杆件表面风压的折减情况,因此,取塔架横梁结构的4个单元体进行分析,在保持杆件几何相似性的基础上,将杆件的竖杆简化为等截面宽度的立方体,将横杆与斜杆的横截面简化为相等尺寸,且取翼缘的宽度与竖杆截面宽度相等。简化后的几何模型见图2和图3。

3.2 计算域和网格划分

    《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T3360-01—2018)(以下简称《抗风规范》)对虚拟风洞计算域的要求见表1。

表1 虚拟风洞试验计算域范围

注:B、H 分别为几何模型的最大宽度和高度。

      采用Midas/NFX进行塔架结构的虚拟风洞模拟,为满足模型距离计算域边界距离的要求,将简化后的塔架模型按1∶4缩尺,并根据表1的要求确定计算域的几何范围为132m×122m×367m,见图4,分析模型的阻塞比分别为0.94%,远小于《抗风规范》5%的要求。桁架遮挡系数分析的计算域范围为88m×84m×204m,见图5。

    网格划分方面,采用Midas/NFX 内置的高速四面体网格划分器自动生成网格,其网格划分的原则为:在结构构件附近的核心流动区域,特别是结构外形转角处,气流一般会形成分离,而且流场的动量会发生剧烈变化,因此,将网格划分得足够细密,以便试验能够分辨该区域可能存在的大梯度流场形态;对靠近模型表面的区域,气流会在该区域形成一层很薄的附面层,为提高该区域的求解精度,同样划分为足够细密的网格;对流场域内逐渐远离模型的区域,其周围流场与模型区域的相互干扰逐渐减弱,为节省计算资源、提高计算效率,将其均匀过渡到较粗的网格。

    对于体型系数的分析,流固耦合边界的最小网格尺寸近似取相应最小几何尺寸的1/10,网格间距划分为0.1m,外部流场的最小几何尺寸近似取计算域最小边界的1/20,网格间距划分为6m。对于桁架遮挡系数的分析,流固耦合边界的最小网格尺寸近似取相应最小几何尺寸,网格间距划分为0.01m,外部流场的最小几何尺寸近似取计算域最小边界的1/20,网格间距划分为4m。网格划分情况见图6和图7。

3.3 边界条件和参数设置

    塔架体型系数分析时,入口的速度边界条件采用《抗风规范》规定的B 类地表的风速剖面。桁架遮挡系数分析时,入口的速度边界条件采用均匀来流,取南宁地区100年重现期10m 高度处的风速28.5m/s;出口的压力边界条件采用完全发展出流边界条件;流域的顶面和侧面的速度边界条件取法向速度为零;流域在地表和结构表面采用壁面无滑移边界条件;湍流动能计算模型见式(1):

   式中:k 为流场的湍流动能;u(z)为高度z 处的风速;为梯度风高度,《抗风规范》中揭示在离地面高度300~500m 时,风速不再受地表类别影响,也即达到所谓的“梯度风速”,该高度称为梯度风高度,取=450m。

    湍流尺度计算见式(3):

   式中: L 为外部流场的湍流尺度;μ 为流场的黏度,取大气在标准大气压、25℃条件下的黏度为μ=Pa·s;ρ 为大气的质量密度,取ρ=1.225kg/m³;k 为大气不同高度的湍流动能,根据

式(1)确定。

另外,湍流模型采用k-ε 两方程湍流模型;结构外部风场的流动为三维不可压缩定常流动。

4 分析结果

4.1 计算收敛性

   采用稳态分析进行求解,取模型的收敛残差限值为0.001,分析过程流场内压力残差和速度残差的变化情况见图8。由图8可知,分析过程的收敛速度较快,且速度和压力残差的变化量基本稳定在0.001以下,说明收敛性较好。

4.2 塔架体型系数

   (1)塔架周围的流场分布、流场压力分布、塔架表面压力分布、流场速度分布见图9。由图9可知,迎风面为正压力,背风面为负压力,且风压随塔高增加而增加。

    为计算得到塔架不同位置处的体型系数,取塔架表面每个网格为1个测点,记为i,分别提取塔架迎风面和背风面各网格点的风压Pi。根据风工程的定义,在地面粗糙度指数为α 的风场中,测点i 的体型系数计算见式(4):

式中:为测点i 的体型系数;ρ 为空气密度;H为参考高度,本文由于塔架进行了1∶4的缩尺,其参考高度取为2.5m;为参考高度处的风速;为测点i 的高度。

    (2)塔架不同位置的体型系数计算值见图10,由图10可知,大部分节点位置的体型系数位于1~1.5范围,部分节点的计算值较小,尤其是位于结构几何边界上的节点由于流体动量的急剧变化,导致风压计算值出现负值的情况。

   (3)塔架背风面的体型系数沿高度方向的分布见图11,可知体型系数的计算值在塔高40~80m的范围最大,并逐渐向两侧减小。

   (4)为方便塔架风荷载的整体计算,将塔架迎风面和背风面的体型系数统计见表2,其中迎风面的系数均值为1.19,背风面的为-0.44,则塔架的体型系数为1.63。

4.3 桁架遮挡系数分析

   桁架节段模型外部的流场分布、速度分布和桁架表面压力分布见图12。

    分别提取迎风面第1片桁架的风压力和第2片桁架的风压力,两片桁架不同节点位置处的风压见图13。由图13可知,迎风面第1片桁架的风压大于第2片桁架,这主要是由于第1片桁架对风场的遮挡以及风流体的能量耗散导致。同时,竖杆部分的风压分布相对集中,而斜杆由于其迎风面积较小,风场的扰动较为显著,风压的分布相对离散。

    分别取各片桁架竖杆位置风压计算值的均值来计算相邻两片桁架之间的遮挡系数,其中第1片桁架竖杆位置的风压均值为=0.57,第2片桁架竖杆位置的风压均值为=0.27,则相邻两片桁架之间的遮挡系数可以按式(5)确定。

4.4 与规范对比

     六律邕江大桥塔架厚宽比为1/12、高宽比2.54、实面积比0.24、桁架间距比1/63,将本文方法的计算值与《抗风规范》以及《建筑结构荷载规范》(GB5009-2012)(以下简称《荷载规范》)的取值进行了对比,见表3。由表3可知,本文方法得到的桁架遮挡系数小于规范取值,单片桁架的体型系数和塔架的整体体型系数则介于《荷载规范》和《抗风规范》的取值之间。

5 结语

    基于Midas/NFX进行了六律邕江大桥非规则塔架结构的数值风洞模拟,获取了塔架周围的流场、风速和压力分布,计算得到了相邻两片桁架之间的遮挡系数以及塔架的体型系数,并与规范取值进行了对比。

   (1)六律邕江大桥非规则塔架迎风面和背风面的体型系数均是塔架中部较大,并逐渐向两端减小,说明塔架中部受风荷载的影响较为显著。

   (2)塔架单片桁架的体型系数为1.63,相邻两片桁架的遮挡系数为0.47,塔架的整体体型系数为2.76,介于《荷载规范》和《抗风规范》之间。

   (3)研究结果为非规则塔架结构提供了一种可行的风荷载参数数值分析方法,提高了塔架风荷载计算的准确性,对提高塔架结构的安全性,减少过冗余设计带来的非必要成本具有重要意义。

参考文献:

[1] 郑皆连,邓年春,姚鑫玉,等. 基于GNSS位移测量系统和液压控制系统对塔架位移进行主动控制研究[J].公路,2018,63(1):97-99.

[2] 杨占峰,韩玉. 吊扣合一高塔架与塔顶位移主动控制技术应用[J].公路,2020,65(4):171-175.

[3] 顾明,黄鹏,周晅毅,等. 北京首都机场3号航站楼风荷载和响应研究[J].土木工程学报,2005,38(1):40-44.

[4] 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.

[5] 李雪丹. 基于CFD技术建筑结构风荷载数值模拟研究[D].华南理工大学,2013.

[6] JTG/T3360-01-2018 公路桥梁抗风设计规范[S].

[7] GB5009-2012 建筑结构荷载规范[S].

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