CFD|超高墩刚构桥悬臂阶段抗风分析

摘要：

   使用计算流体动力学（CFD）方法，获得桥梁关键截面的风荷载三分力系数，并计算静力三分力。基于midas Civil建立桥梁有限元模型，模拟对称、非对称和龙卷风荷载３种风荷载工况，以获取桥梁整体响应。结果表明，３种工况下，桥梁横向位移显著大于竖向和顺桥向位移，其中龙卷风工况导致最大横向位移，给结构带来不利影响。同时，墩底内力和应力均在材料承载范围内，符合施工安全要求。综合来看，桥梁抗风性能良好，但风荷载对超高墩连续刚构桥的横向位移影响显著，施工中需重点监测横向位移。

关键词：

　超高墩连续刚构桥;风荷载;悬臂阶段;CFD方法;抗风性能

   在现代桥梁工程中，超高墩连续刚构桥因其独特的结构形式和广泛应用而受到高度关注。这类桥梁通常用于跨越深谷、险峻山区和宽阔河谷，承载着重要的交通与通行，其安全性直接影响交通运输的顺畅及人民生命财产的安全。然而，超高墩连续刚构桥复杂的结构特点在抗风设计方面面临独特挑战。施工过程中,悬臂施工是常用的方法，但随着悬臂长度的增加，桥梁结构的柔性增强，导致其对风荷载的敏感性显著提升[1]。关于桥梁的风致响应研究，已有许多成果。何源涛等[2]研究了大跨度宽幅连续刚构桥在最大双悬臂施工阶段的风致抖振响应特性；赵超等[3]研究了福建平潭某连续梁桥在施工过程中最大悬臂状态下的抗风性能；刘旭政等[4]以某大跨径斜拉桥为研究对象，探讨了不同风缆布置方案与临时墩配置对桥梁风致响应控制效果的综合影响；霍相五[5]深入分析了胭脂河大桥在施工期间于峡谷地形下的风致响应特性；黄东平[6]以小瑶光特大桥为研究对象，采用现场实测方法，研究了山谷地形下最大双悬臂施工阶段的风速场对结构的风致加速度及振型响应特征的影响。对于连续刚构桥，尤其在最大悬臂状态下，桥墩较高且侧向刚度较小，结构更易受到风荷载的影响，可能导致结构偏位或应力分布不均，从而影响整体结构的安全性与稳定性。因此，为确保超高墩连续刚构桥在施工及运营期间的安全可靠性，深入研究和分析其抗风性能是十分必要的。

   作者以某地计划建设的超高墩连续刚构桥为研究对象，基于CFD方法计算主梁与桥墩关键断面的静力三分力系数，并利用midas civil对悬臂施工阶段的风荷载效应进行分析，以研究其抗风性能，为同类工程项目提供参考。

1 工程概况

   依托工程桥址区位于秭归县内，桥梁横跨向峡谷，桥位地形上属于不对称“Ｖ”字型峡谷岸坡。该桥为82ｍ＋2×148ｍ＋82ｍ跨径布置的连续刚构桥。上部结构为C55预应力混凝土单箱单室箱梁截面，垂直腹板，每幅顶宽12.5ｍ，底宽6.5ｍ，两侧翼缘宽均为3ｍ。底板采用变厚度布置，底板下缘为2次抛物线变化。下部结构采用C40混凝土，为单肢接双肢空心薄壁墩，墩顶为双肢空心薄壁墩，墩底采用单肢空心薄壁墩，从左到右依次是1#墩、2#墩、3#墩，墩高分别为96ｍ、180ｍ、132ｍ，属于超高墩。该桥梁跨径布置如图1所示。

２ 三分力系数CFD数值模拟

   三分力系数主要是阻力系数、升力系数与扭矩系数，其结果一般由风洞试验得到[7]。但风洞实验存在花费较大，实验时间较长等问题。目前随着计算机技术的发展，计算流体力学（CFD）数值模拟方法计算速度较快，可以在较短的时间内获得结果，无需建造实际的物理模型和设备，相对来说成本更低，同时可以更直观地展现流场情况[8]。对桥梁断面的三分力数值模拟，采用专业有限元软件midas NFX进行计算。参考桥梁抗风规范及相关文献中关于计算域及边界条件的设置原则[9]，计算域长度选用10B×30B（Ｂ为顶板宽度），以减小计算域对模型的影响。

   依托工程为变截面箱梁连续刚构桥，对每个主梁截面进行数值模拟工作量较大，故选取墩顶、L/8、L/4、3L/8与L/2（跨中）共计５个典型箱型断面进行分析，其余断面通过内插的方式求解；桥墩选取双肢段与单肢共计２个矩形断面进行分析。

   模型具体参数：空气密度为1.184Kg/m³（25℃空气），空气粘性系数为1.84N·S/㎡，声速346m/s。静力三分力系数为断面固有特性，与风速无关，为保证流场发展稳固，文中远场风速选为５m/s [10]。湍流强度系数为0.005，湍流粘度比为0.01。在较小攻角范围内，三分力系数变化并不大，故只在０°攻角最不利受力作用下对桥梁进行分析[11]。通过midas NFX后处理阶段得到各梁段的三分力系数，如图２所示。

   由图2可知，阻力系数、升力系数从墩顶到跨中逐渐变小，扭矩系数从墩顶到跨中逐渐增大；阻力系数与升力系数随梁高变化较大，扭矩系数随梁高变化较小。阻力系数与公路桥梁抗风规范中阻力系数公式计算值一致，说明采用数值模拟方法计算截面三分力系数的方法是准确可行的。计算三分力系数结果中，由于篇幅原因，墩顶、L/2（跨中）截面风压、流线如图3所示。

３ 悬臂施工阶段抗风性能分析

3.1最大悬臂阶段有限元模型

    利用有限元软件midas Civil建立了依托工程桥梁模型，为简化分析，采用了实际桥梁支承条件，忽略承台及桩基。墩底的６个方向自由度约束，单肢薄壁墩与双肢薄壁墩采用刚性连接。主梁0#梁段与桥墩顶部固结，采用刚性连接，悬臂端部为自由端。整个结构采用梁单元进行建模，主梁由42个单元和41个节点组成，桥墩由47个单元和49个节点组成。分析过程中考虑结构自重、挂篮自重、预应力荷载、混凝土湿重以及风荷载。midas Civil模型如图４所示。

   自振特性分析发现，随着施工阶段的进行和主梁悬臂长度的增加，整个悬臂结构的自振频率逐渐增大。在最大悬臂状态时，桥梁结构的刚度较小，结构较柔，稳定性较低，易受风荷载影响。因此，需要进行抗风安全性分析。悬臂阶段的频率、振型见表１。

3.2 风荷载工况

   根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）在双悬臂施工的桥梁横桥向风荷载加载时，应考虑主梁上的对称工况与不对称加载工况。由于该桥位于峡谷地区，有发生龙卷风的可能，所以考虑主梁上加载龙卷风荷载。故采用３种工况进行加载，进行该桥悬臂阶段的抗风性能分析，将作用在悬臂结构左右两端的风荷载称为与。

   工况１：对上部悬臂结构左右两端按照1:1加载相同的横向风荷载，即=1，风荷载考虑阻力、升力、扭矩，桥墩上仅考虑阻力。

   工况２：考虑到峡谷地区风荷载变化较为复杂，对上部悬臂结构左右两端按照1:0.5加载不对称的横向风荷载，即=2，风荷载考虑阻力、升力、扭矩，桥墩上仅考虑阻力。

   工况３：峡谷地区会有龙卷风发生的可能，对上部悬臂结构左右两端加载1:-1的龙卷风荷载，即=-1，主梁上风荷载考虑阻力、升力、扭矩。桥墩上仅考虑阻力。

3.3 悬臂阶段抗风性能分析

1）位移分析

   在有限元软件中运行分析，计算得到仅在３种风荷载作用下悬臂结构各个节点的位移情况，不同风荷载作用下主梁各个节点的横向位移、竖向位移如图5、图6所示。

   由图5结果显示，横向位移方面，工况1下主梁的横向位移呈对称分布，两侧端部位移均为52.4ｍｍ；而工况2和工况3下的横向位移呈非对称分布，工况2下左悬臂端部位移为56.4ｍｍ，右悬臂端部为28.3ｍｍ；工况3下左悬臂端部位移

为68.8ｍｍ，右悬臂为-42.9ｍｍ；３种风荷载下，工况３（龙卷风荷载）产生的横向位移最大。

   由图6结果显示，竖向位移方面，工况1和工况3采用相同加载方式，故二者竖向位移一致，悬臂端部竖向位移均达到1.6ｍｍ；而工况2由于加载不均匀，左悬臂端部竖向位移3.2ｍｍ，右悬臂端部竖向位移-1.0ｍｍ。

   综上所述，在考虑风荷载的情况下，主梁横向和竖向位移最大的位置均为悬臂端部，结构横向位移远大于竖向位移，在龙卷风工况下达到最大值，会对结构造成不利影响。因此，在桥梁施工阶段应注意龙卷风的发生，及时监测主梁的横向位移，以确保结构安全性。

2）内力分析　

  通过分析，在风荷载与其他荷载组合作用下，主梁悬臂根部与桥墩底部内力最大，为受力最不利的断面。在有限元软件中，将3种工况荷载组合下主梁与桥墩墩底内力的结果导出，具体如表2、表3所示。

　根据表2、表3中的数据分析，悬臂根部和墩底在风荷载作用下的内力表现如下：悬臂根部的剪力、扭矩和Ｚ轴弯矩主要受风荷载的影响，而轴力和Ｙ 轴弯矩则主要受恒荷载的影响；墩底的剪力、扭矩、Ｙ轴弯矩和Ｚ轴弯矩主要受风荷载的影响，轴力则主要受恒荷载的影响。悬臂根部和墩底的扭矩沿着工况1、工况2、工况3增大；墩底的剪力、Z轴弯矩沿工况1、工况2、工况3减小。工

况3（龙卷风荷载）对整个结构影响最大。经过计算，悬臂施工过程中桥梁的抗力大于风荷载引起的内力，整体结构处于安全状态。

3）应力分析　

   据前述分析，悬臂根部和墩底断面是受力最不利断面，为确保施工阶段的安全性，有必要分析这些断面的应力情况。各个荷载工况下悬臂根部和墩底的应力结果已汇于表4、表5。

   由表4、表5结果可以看出，风荷载与恒荷载共同作用下悬臂根部的全截面为压应力，上缘最大压应力为12.1MPa，下缘最大压应力为8.4MPa，小于C55混凝土最大容许压应力；桥墩底截面的上下缘都为压应力，最大压应力为3.76 MPa，小于C40混凝土最大容许压应力。由此可知，在风荷载作用下，悬臂根部和桥墩底截面在施工过程中都处于受压状态，所受应力满足混凝土强度要求。

4 结论

ａ.在最大悬臂阶段的动力特性分析中，悬臂结构的自振频率逐渐增大，周期逐渐减小。表明在最大悬臂状态时，桥梁结构的刚度较小，结构较柔，稳定性较低，容易受风荷载影响，处于最不利抗风状态。

ｂ.风对箱梁和桥墩的作用力中，阻力是主要荷载；桥梁截面的静力三分系数与梁高呈正相关关系。在其他条件相同的情况下，梁高越高，阻力系数、升力系数与扭矩系数越大，但对扭矩系数的影响较小。

ｃ.在3种不同风荷载作用下，结构的横向位移远大于竖向位移，在龙卷风工况下达到最大值，会对结构造成不利影响。因此，在桥梁施工阶段应重点监测主梁的横向位移，并采取必要的抗风措施；各工况组合下整个结构的内力、应力均小于结构的抗力，桥梁悬臂施工过程中处于安全状态。

参考文献

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作者

源自

doi ：10.3963/j.issn.1671—4431.2024.10.011