廖沛東

(山西交物路橋建設(shè)有限公司,山西 太原 030001)

0 引 言

隨著交通建設(shè)的發(fā)展,橋梁跨徑也隨之不斷增長,橋梁跨徑越長,結(jié)構(gòu)總體剛度越小,對風(fēng)的敏感程度就越高,在特定風(fēng)速下更容易產(chǎn)生風(fēng)致振動[1]。渦振就是在低風(fēng)速下某些柔性結(jié)構(gòu)發(fā)生的振動現(xiàn)象。雖然渦振的振幅不會發(fā)散從而導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞,但對行車舒適性有很大的影響,長此以往勢必會造成結(jié)構(gòu)內(nèi)部疲勞損傷。近年來許多大跨徑橋梁都在使用階段發(fā)生了渦振現(xiàn)象,因此對橋梁渦振的研究一直是橋梁風(fēng)工程中的重要課題。

影響橋梁渦振的因素有很多,比如斷面的阻尼比、結(jié)構(gòu)的剛度、斷面的氣動外形等[2,3]。其中氣動措施是通過改變橋梁的氣動外形來改變橋梁附近的空氣流動狀態(tài),從而降低橋梁渦振的一種方法,是最常用來降低橋梁渦振的措施。本文對某工程實(shí)例中主梁斷面的氣動外形進(jìn)行研究,得到對于類似主梁斷面的選型建議。

1 工程概況及動力特性

某大橋?yàn)橹髁褐骺?00 m的雙塔懸索橋,主梁斷面為閉口流線型箱梁斷面,主梁跨中斷面高3 m,橋面寬度33 m,腹板角度為a,風(fēng)嘴角度為b,見圖1。

圖1 主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面尺寸

通過有限元軟件Ansys計(jì)算結(jié)構(gòu)的動力特性,得到后續(xù)數(shù)值模擬所需的結(jié)構(gòu)頻率,采用Beam4單元模擬橋梁的主梁以及橋塔等構(gòu)件,采用Link10來模擬懸索橋上的主纜以及吊桿等構(gòu)件,邊界條件則按照橋梁實(shí)際情況來進(jìn)行約束。其中,主梁的一階反對稱扭轉(zhuǎn)的頻率為0.32 Hz,一階正對稱扭轉(zhuǎn)的頻率為0.34 Hz。

2 CFD數(shù)值模擬

本文采用FLUNET進(jìn)行數(shù)值模擬,選取+5°作為最不利風(fēng)攻角[4],以斷面的腹板角度a和風(fēng)嘴角度b作為變量,腹板角度為10°、12°、14°、16°,風(fēng)嘴角度為30°、40°、50°、60°,兩兩組合,共得到以下16個(gè)工況,見表1。

表1 數(shù)值模擬工況設(shè)置

由于三維網(wǎng)格計(jì)算量相較于二維模型成幾何倍數(shù)增長,對設(shè)備要求較高,而二維計(jì)算模型也能保證良好的計(jì)算精度,因此本文采用二維模型來計(jì)算[5],計(jì)算模型無縮尺比,計(jì)算域形狀為矩形,大小為20 B×15 B。左側(cè)邊界為速度入口,右側(cè)邊界為壓力出口,上下邊界為對稱邊界。網(wǎng)格劃分為三個(gè)區(qū)域:最外側(cè)區(qū)域FENG1為靜止區(qū)域;最內(nèi)側(cè)區(qū)域FENG3為剛體區(qū)域,中間的FENG2為動網(wǎng)格區(qū)域,利用自由振動法求解扭轉(zhuǎn)渦振的振幅。

網(wǎng)格采用三角形,在斷面附近設(shè)置邊界層,使Y+值小于1,湍流模型采用SST K-w模型,并利用UDF提取計(jì)算間隔時(shí)間斷面的位移和角速度。網(wǎng)格總體數(shù)量約為30萬個(gè),為防止出現(xiàn)負(fù)網(wǎng)格或者網(wǎng)格畸變過大影響計(jì)算結(jié)果,在開始計(jì)算前設(shè)置網(wǎng)格畸變率監(jiān)視,當(dāng)運(yùn)動過程中出現(xiàn)過大的網(wǎng)格畸變率時(shí),利用網(wǎng)格重構(gòu)技術(shù)來自動重新劃分網(wǎng)格質(zhì)量差的單元,保證計(jì)算結(jié)果的精度。圖2中列出計(jì)算時(shí)部分工況的時(shí)程曲線,分別為腹板角度16°、風(fēng)嘴角度為60°扭轉(zhuǎn)渦振振幅最大的位移時(shí)程曲線,腹板角度10°、風(fēng)嘴角度50°的扭轉(zhuǎn)渦振位移時(shí)程曲線。

圖2 扭轉(zhuǎn)位移時(shí)程曲線

3 計(jì)算結(jié)果對比及機(jī)理分析

為了方便比較計(jì)算結(jié)果,使其更具有普適性,對風(fēng)速進(jìn)行無量綱化處理(即將風(fēng)速與結(jié)構(gòu)頻率相除)。通過對表1中16個(gè)工況的時(shí)程曲線進(jìn)行處理,得到在不同氣動外形下斷面渦振響應(yīng)曲線,見圖3。

圖3 不同氣動外形下的渦振響應(yīng)

3.1 風(fēng)嘴角度對斷面渦振影響分析

當(dāng)腹板角度為10°,風(fēng)嘴角度為30°和40°時(shí)斷面沒有發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振。當(dāng)風(fēng)嘴角度增加到50°時(shí),斷面開始出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)渦振,繼續(xù)增加風(fēng)嘴角度至60°,可以發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦振的振幅明顯比風(fēng)嘴角度50°時(shí)的振幅大兩倍,而且起振風(fēng)速也從0.409提前至0.362,渦振結(jié)束時(shí)的風(fēng)速從0.594延長到0.625。

當(dāng)腹板角度為12°,風(fēng)嘴角度為30°時(shí)斷面未發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振,而斷面風(fēng)嘴角度增加至40°時(shí)開始發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振。隨著斷面風(fēng)嘴角度的不斷增加,渦振時(shí)最大扭轉(zhuǎn)角度從0.074增加到0.156,起振風(fēng)速從0.369提前到了0.293,而鎖定區(qū)間長度也從0.21延長至0.365。

當(dāng)腹板角度為14°時(shí),所有不同風(fēng)嘴角度下的斷面均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,隨著風(fēng)嘴角度的不斷增加,所對應(yīng)的斷面扭轉(zhuǎn)渦振響應(yīng)就越大,且起振風(fēng)速隨著風(fēng)嘴角度的增大而提前,從0.376提前至0.248,渦振的鎖定區(qū)間長度越來越長,從0.26增加至0.38。

腹板角度為16°時(shí)與腹板角度14°時(shí)規(guī)律基本一致,不同風(fēng)嘴角度下所有斷面均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,隨著風(fēng)嘴角度的增加,扭轉(zhuǎn)角度從0.105°增加至0.215°,起振風(fēng)速從0.356降低到0.28,扭轉(zhuǎn)渦振結(jié)束時(shí)對應(yīng)的風(fēng)速從0.576增加至0.7。

3.2 腹板角度對斷面渦振影響分析

當(dāng)風(fēng)嘴角度為30°時(shí),對比工況A-1、B-1、C-1、D-1可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)腹板角度為10°、12°、14°時(shí),斷面未發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振,僅在腹板角度為16°時(shí)發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,最大振幅為0.105°,鎖定區(qū)間長度為0.22。

當(dāng)風(fēng)嘴角度為40°時(shí),對比工況A-2、B-2、C-2、D-2,斷面僅在腹板角度為10°時(shí)未發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振,在腹板角度為12°、14°、16°時(shí)均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,隨著腹板角度的增加,扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅從0.0735°增加至0.158°,起振風(fēng)速從0.369提前至0.302,因此腹板角度越大,渦振響應(yīng)就越大。

當(dāng)風(fēng)嘴角度為50°時(shí),對比工況A-3、B-3、C-3、D-3,斷面在不同的腹板角度下均發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,渦振幅度隨著腹板角度的增加而增加,其中最大扭轉(zhuǎn)角度從0.045°增加至0.205°,鎖定區(qū)間長度從0.185增加至0.41,起振風(fēng)速從0.409降低至0.288。

當(dāng)風(fēng)嘴角度為60°時(shí),對比工況A-4、B-4、C-4、D-4,與A-3至D-3四個(gè)工況一致,斷面均在不同的腹板角度下發(fā)生了扭轉(zhuǎn)渦振,但是A-4與A-3相比,扭轉(zhuǎn)渦振更加明顯。在風(fēng)嘴角度60°時(shí),隨著腹板角度的不斷增加,最大扭轉(zhuǎn)位移從0.263°增加至0.42°,起振風(fēng)速從0.362降低到0.28。

3.3 渦振機(jī)理分析

對比A-1和D-4兩個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn),在風(fēng)嘴角度和腹板角度均較大時(shí),斷面更容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)渦振;對比B-2和C-3兩個(gè)工況可以發(fā)現(xiàn),風(fēng)嘴角度和腹板角度越大,斷面渦振的響應(yīng)就越大。

因此,在其他條件不變的情況下,斷面的風(fēng)嘴角度越大或者腹板角度越大,所對應(yīng)的渦振效應(yīng)就越明顯。斷面的外形越“鈍”,氣流吹過斷面時(shí)越容易產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)基頻一致的漩渦,從而引發(fā)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生渦振。反之,如果斷面的氣動外形越“光滑”,來流風(fēng)流經(jīng)斷面時(shí)不容易被斷面所分離,尾流處就不容易產(chǎn)生與結(jié)構(gòu)頻率相似的渦脫,進(jìn)而不會導(dǎo)致主梁發(fā)生渦振現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

通過對某工程主梁斷面的最不利+5°攻角進(jìn)行不同氣動外形下的渦振數(shù)值模擬,結(jié)合各個(gè)工況下扭轉(zhuǎn)渦振曲線的變化,分析渦振的形成原因,進(jìn)而得到如下結(jié)論。

(1)在保證阻尼比等動力特性不變的情況下,閉口流線型箱梁的風(fēng)嘴角度越小,斷面越趨近于流線型,越不容易產(chǎn)生渦振。

(2)當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比和風(fēng)嘴角度不變時(shí),減小腹板角度,也可以使斷面趨近于流線型,從而保證斷面具有良好的氣動穩(wěn)定性,更不易產(chǎn)生渦振。

(3)對產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)渦振的主梁斷面,可以通過減少腹板角度和減少風(fēng)嘴角度等氣動措施來抑制渦振的產(chǎn)生,實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)兩者相結(jié)合時(shí)的抑振效果更加明顯。