跨峽谷大跨度橋梁風(fēng)致穩(wěn)定的數(shù)值模擬方法

跨峽谷大跨度橋梁風(fēng)致穩(wěn)定的數(shù)值模擬方法

西部開發(fā)戰(zhàn)略的實施不斷擴大，對中國西部的交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)提出了迫切需要。西部山區(qū)其固有的自然地形條件多崇山峻嶺,深溝寬谷,這種條件決定了大量的跨越深溝寬谷的大跨度橋梁需要修建。懸索橋、斜拉橋等柔性橋梁因其卓越的跨越能力受到了廣泛的青睞。目前已有多座千米級跨谷大跨度橋梁已建或正在修建。例如主跨1176m的湘西矮寨特大懸索橋,主跨1088m的壩凌河特大懸索橋以及主跨900m的四渡河特大懸索橋等。然而自1940年美國舊塔科馬橋風(fēng)毀之后,橋梁風(fēng)致穩(wěn)定已成為大跨度柔性橋梁設(shè)計和建造的控制因素。為準(zhǔn)確評價橋梁的抗風(fēng)性能,首先需要解決的就是橋址處的風(fēng)荷載輸入,也即是橋址風(fēng)場特性。我國《公路橋梁抗風(fēng)規(guī)范》所規(guī)定的四類基本地形適用于各向同性的開闊地貌,當(dāng)橋址處于山區(qū)峽谷這種特殊地形時,規(guī)范提供的風(fēng)場特性公式將不再適用。規(guī)范建議當(dāng)橋址處于峽谷或山口等特殊地形時可采用風(fēng)洞試驗或數(shù)值模擬或者現(xiàn)場實測等方法確定其風(fēng)場特性參數(shù)?，F(xiàn)場實測方法無疑是最為準(zhǔn)確的手段,通過長期觀測可以獲得橋址處的真實風(fēng)場數(shù)據(jù),然而該方法本身也具有著較多的不足,例如,一方面需要長期實測積累才能獲得可用于工程實踐的數(shù)據(jù),同時經(jīng)費花費高,對設(shè)備的性能有較高的要求。另一方面,實測受地形等條件限制,通常只能獲得有限位置的風(fēng)速數(shù)據(jù),當(dāng)橋址處于峽谷復(fù)雜地形時,很難從個別位置數(shù)據(jù)推算全橋范圍的風(fēng)場特點。隨著計算機能力的快速提高,CFD數(shù)值模擬技術(shù)被越來越多的應(yīng)用于復(fù)雜地形的風(fēng)場特性模擬,并取得了一定的成果。受計算能力以及湍流模型的限制,數(shù)值模擬的計算精度目前仍有待提高。相比于上述兩種方法,地形模型風(fēng)洞試驗有著時間短花費少,試驗條件可控,結(jié)果準(zhǔn)確等優(yōu)點,是目前被廣泛認(rèn)可的一種獲得風(fēng)場特性參數(shù)的手段。當(dāng)橋址處于山區(qū)峽谷地形時,由于峽谷地形不盡相同,通過真實地形模型雖然能夠獲得特定橋址峽谷的風(fēng)場特性,但是對其他不同峽谷的風(fēng)場特性研究參考意義相對較小。若將峽谷地形簡化,將局部部位的差別剔除,取大多數(shù)峽谷的共同特征來模擬,再通過試驗進(jìn)行研究將對該類地形的風(fēng)場特性具有重要意義。本文將峽谷地形簡化,制作了系列簡易峽谷地形模型,通過風(fēng)洞試驗分析了峽谷坡度、寬度等參數(shù)對谷內(nèi)風(fēng)場的影響,獲得了山區(qū)峽谷風(fēng)場的一些基本規(guī)律,可供類似地形的工程實踐參考。1試驗來流試驗將實際峽谷進(jìn)行簡化,排除峽谷地形復(fù)雜多變的局部構(gòu)造的干擾,采用圓錐形山體來模擬系列的簡易峽谷。圓錐山體采用厚度為3mm的復(fù)合板模擬高程等高線疊合而成,以此來考慮山體粗糙度對風(fēng)場的影響。通過固定山體底部尺寸,變化山體高度的思路來模擬具有不同邊坡斜率的峽谷地形。圓錐底面半徑固定為14.3cm,制作了四種不同高度5.72cm,7.15cm,8.8cm,10.8cm的圓錐以模擬峽谷不同的邊坡坡度。試驗所用風(fēng)洞截面尺寸為0.5m(寬)×0.5m(高),2.1m(長)。為了盡量減小試驗過程中風(fēng)洞工作截面的氣流阻塞率,將圓錐體一劈為二,然后用兩半錐體組成峽谷地形模型。為了考慮峽谷兩側(cè)山體對來流的分離作用,將半圓錐體剖分面與風(fēng)洞軸線呈45°角布置?？紤]山區(qū)地面粗糙度實際情況,試驗來流選擇規(guī)范中的C類風(fēng)場進(jìn)行。采用尖劈加粗糙元結(jié)合橫擋板的被動模擬方法進(jìn)行試驗風(fēng)場的調(diào)試。試驗布置如圖1所示。試驗過程中采用CobraProbe三維風(fēng)速探針進(jìn)行風(fēng)速及攻角測試,采樣頻率設(shè)定在1000Hz,采樣時間為30s。經(jīng)測試在模型試驗截面處,來流邊界層達(dá)20cm厚,滿足簡易峽谷模型的試驗高度。試驗來流風(fēng)場剖面模擬結(jié)果如圖2及圖3所示。2試驗結(jié)果的分析2.1谷坡斜率對平均風(fēng)速的影響通過對上述四組不同邊坡斜率峽谷模型的風(fēng)洞試驗,獲得了簡易模型峽谷范圍內(nèi)不同位置的平均風(fēng)特性,如圖4所示為相對于谷頂高度的平均風(fēng)剖面豎向分布圖。與直觀預(yù)測結(jié)果趨勢相同,與來流風(fēng)剖面相對比,峽谷內(nèi)平均風(fēng)剖面由于峽谷的壓縮加速效應(yīng),剖面指數(shù)有減小的趨勢。在谷中位置,隨邊坡斜率的增大,平均風(fēng)剖面指數(shù)逐漸減小,對各工況剖面指數(shù)進(jìn)行最小二乘擬合可以得到剖面指數(shù)a分別為0.14,0.132,0.115和0.102。雖然谷內(nèi)四分點位置平均風(fēng)剖面受峽谷加速效應(yīng)影響也有減小,四種不同邊坡斜率下其剖面指數(shù)基本相同,約為0.11。另外,由于橋梁跨越峽谷時主梁一般處于谷頂高度附近,因此谷頂高度處平均風(fēng)速的分布對主梁風(fēng)荷載的計算有重要影響。將不同試驗工況下谷頂高度處平均風(fēng)速沿峽谷跨度方向的分布曲線繪出,如圖5所示,從圖中可以很明顯看出各谷坡斜率谷頂高度處平均風(fēng)速均表現(xiàn)出自跨中向兩側(cè)山體減弱的分布規(guī)律,并且谷坡斜率越陡減弱趨勢愈強。究其原因,峽谷內(nèi)靠近山體處風(fēng)速受山體的摩擦阻擋作用明顯,從而低于谷中風(fēng)速。由此可知峽谷內(nèi)的風(fēng)場具有明顯三維特性,峽谷橋址橋梁風(fēng)振分析時需考慮平均風(fēng)沿橋跨的縱向分布不均勻特性。2.2試驗結(jié)果及分析大跨度橋梁抗風(fēng)分析中,與來流平均風(fēng)速相關(guān)的參數(shù)除去風(fēng)速之外,來流風(fēng)攻角同樣具有重要作用。我國規(guī)范中規(guī)定在進(jìn)行大跨度橋梁風(fēng)振分析時通常要考慮±3°的來流攻角工況。因此,試驗過程中特別測試了谷頂高度處不同位置的來流攻角分布情況,如圖6所示。從圖中可以看出,不同谷坡斜率模型中,受峽谷對風(fēng)場的擠壓作用,跨中位置風(fēng)攻角受谷坡斜率影響較小,試驗過程中基本保持+2.5°左右。然而從谷中向兩側(cè)山體方向,風(fēng)攻角逐漸增大,并且邊坡斜率越陡風(fēng)攻角增加越快,靠近兩側(cè)山體附近,風(fēng)攻角已經(jīng)超過4°,超出了規(guī)范中的要求。由此可見,當(dāng)橋梁跨越山區(qū)峽谷時抗風(fēng)分析的攻角取值已不能按常規(guī)要求進(jìn)行,需要考慮適當(dāng)?shù)脑龃蠊ソ欠秶员苊獬霈F(xiàn)不利影響。2.3谷中、西方邊坡斜率變化對風(fēng)荷載的影響復(fù)雜地形對來流平均風(fēng)速的影響,對橋梁抗風(fēng)分析具有重要意義。我國規(guī)范中建議處于峽谷或山口等引起加速效應(yīng)的特殊地形時,來流風(fēng)速可考慮增大10%~20%,英國建筑結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載規(guī)范也建議峽谷地形平均風(fēng)速應(yīng)當(dāng)增大10%。定義風(fēng)場加速系數(shù)為峽谷內(nèi)實測風(fēng)速與相同高度處參考來流風(fēng)速的比值。圖7所示為谷中與四分點處平均風(fēng)加速效應(yīng)沿相對于峽谷谷頂高度豎直剖面的分布隨邊坡斜率的變化情況。由圖可知,峽谷內(nèi)不同位置的加速效應(yīng)均隨高度的增加呈衰減趨勢,并且谷中加速系數(shù)豎向的衰減態(tài)勢明顯強于四分點位置,同時邊坡越陡峭即斜率越大則加速效應(yīng)愈顯著。Cao與Tamura在研究山體表面粗糙度影響時指出,山體表面的無滑移邊界條件決定了在近山體處存在一個平均風(fēng)加速效應(yīng)最強高度。由于試驗過程中未能測試緊靠山體的高度,這一現(xiàn)象未能展現(xiàn)。由于橋面位置通常處在谷頂處,因此此處的加速效應(yīng)對于主梁的風(fēng)荷載取值具有重要影響。從圖中可以看出,谷頂海拔高度四分點處的加速效應(yīng)普遍高于0.2,而谷中位置小于0.1,這進(jìn)一步反映了峽谷內(nèi)風(fēng)場的空間三維性。3平均風(fēng)速沿谷寬方向分布的特征通過系列簡易峽谷模型風(fēng)洞試驗,峽谷內(nèi)