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高速鐵路連續(xù)梁橋三分力系數(shù)的數(shù)值模擬分析*

2013-01-04 01:56何旭輝冉瑞飛
鐵道科學與工程學報 2013年1期
關鍵詞:升力風速阻力

楊 靖,何旭輝,冉瑞飛,姜 超

(中南大學土木工程學院,湖南長沙410075)

為跨越自然障礙及既有線路,同時節(jié)約土地資源,合理利用空間資源,并控制軟土及其他地質(zhì)條件較差地區(qū)的基礎沉降量,橋梁作為軌道的下部結(jié)構(gòu),廣泛地應用于高速鐵路之中,成為高速鐵路土建工程的重要組成部分,且占線路總長的比例越來越大,京滬、京津城際、廣珠城際的橋梁比例都達到了80%以上[1]。其功能不僅僅是跨越各種障礙物,更重要的是為高速列車提供平順、穩(wěn)定的橋上線路,確保運營安全和乘車舒適。我國的高速鐵路橋梁結(jié)構(gòu)形式主要有多片式T梁、簡支箱梁、預應力混凝土連續(xù)梁、連續(xù)剛構(gòu)、鋼—混結(jié)合空間剛架、鋼桁梁、大跨度系桿拱橋、桁架斜拉橋等多種形式,但以簡支箱梁和連續(xù)梁作為主體結(jié)構(gòu)。中小跨度的預應力混凝土連續(xù)梁因具有結(jié)構(gòu)變形小、行車平順舒適、伸縮縫少、養(yǎng)護簡單、抗震性能強、外形美觀、可以靈活地跨越既有線路和各種障礙等優(yōu)點,廣泛應用于我國的高速鐵路建設中[2-3]。由于靜力風荷載往往是大跨度橋梁的控制設計荷載之一,而且靜力三分力系數(shù)隨攻角變化的曲線還是建立抖振力的擬靜力理論的基礎[4],因此,在設計階段,要求精細地預測橋梁各組成部分所受到的風荷載。目前,大跨度斜拉橋和大跨度懸索橋的風荷載預測已經(jīng)很普遍,但針對高速鐵路連續(xù)梁橋風荷載預測的研究鮮有報道。常用的方法就是制作一定縮尺比的節(jié)段模型,通過風洞試驗測定三分力系數(shù),然后計算實橋的靜力風荷載,但實驗研究一般具有周期長、費用高、測試設備復雜和流動可視化困難等缺點。計算流體動力學(computational fluid dynamics)方法的發(fā)展給風工程研究提供了一種可能替代物理風洞試驗的手段,即數(shù)值模擬[5]。相對于物理風洞試驗,數(shù)值模擬有很多明顯的優(yōu)點,如費用少、節(jié)省人力物力,并具有很好的重復性,方便設置各個參數(shù)的變化及考察它們的影響,便于優(yōu)化設計[6]。本文采用計算流體軟件FLUENT對滬昆高鐵江西段信江特大橋的三分力系數(shù)進行了數(shù)值模擬,分析研究了運營中所處的不同工況,如不同風速、不同風攻角、不同寬高比和橋上列車分布狀況對其三分力系數(shù)的影響。

1 工程概況

圖1是本文研究的滬昆高鐵江西段信江特大橋示意圖,該連續(xù)梁橋全橋計算跨徑為(48+4×80+48)m,設計行車速度為350 km/h。梁體采用單箱單室變高度變截面結(jié)構(gòu),全橋箱梁頂寬12.0 m,底寬6.7 m,梁高 5.2~8.9 m,按圓曲線變化,曲線半徑為418.1 m。

圖1 信江特大橋示意圖Fig.1 Sketch map of Xinjiang bridge

2 數(shù)值模擬

2.1 模型的選取

數(shù)值仿真模擬需要建立在合理的物理模型與數(shù)學模型之上。物理模型需要盡可能真實反映研究對象的相關本質(zhì),數(shù)學模型要保證在現(xiàn)有的計算能力下能利用合理的計算時間計算出符合精度要求的分析結(jié)果。對于物理模型來說,如果充分考慮研究對象的所有細部特征,將導致建立的數(shù)學模型繁瑣從而使得求解的工作量龐大,甚至有可能致使問題無法求解,因而著重于主要因素對物理模型進行適當?shù)暮喕潜匾?。為了保證計算能夠合理進行,在仿真模擬對物理模型進行如下簡化:高速列車簡化為光滑的外表面,軌道以及橋面布置簡化為光滑表面。圖4所示為選取的高速列車簡化模型[7]。

分別選取主跨跨中截面、1/4截面和支座處截面作為數(shù)值仿真分析的特征斷面,圖5是主跨跨中截面簡化過后的模型,1/4截面與支座處截面的外形與跨中截面保持一致,箱梁中心線高度則分別為499.1 cm 和660.0 cm。

圖2 高速列車簡化模型的斷面示意圖Fig.2 Schematic section of high - speed train simplified model

圖3 信江大橋主跨跨中半截面尺寸示意圖Fig.3 Midspan half section size diagram of main across of Xinjiang bridge

2.2 計算域與邊界條件的選取

根據(jù)相關文獻的研究[8-9],入口邊界距離繞流結(jié)構(gòu)應該大于5H,出口邊界距離結(jié)構(gòu)大于10H,上下邊界大于5H為佳,其中H為結(jié)構(gòu)的特征高度。本文采用的計算區(qū)域選定為矩形區(qū)域,入口邊界距離為6H,出口邊界距離為11H,上邊界距離為9H,下邊界距離稍大于5H。

Fluent進行數(shù)值模擬時采用二維模型,計算方式采用定常流方法。入口邊界采用速度邊界條件,指定來流平均速度;出口邊界采用無回流的壓力出口,出口總壓與入口相同。考慮到上邊界擾流和二次損失的存在會導致橫向流,因而上邊界取為自由滑移邊界條件,下邊界、橋梁斷面與高速列車斷面則采用無滑移的壁面條件。采用非結(jié)構(gòu)化三角形單元對計算區(qū)域進行離散,其中近壁區(qū)網(wǎng)格進行加密以獲得較精確的流場結(jié)果。采用標準兩方程k-e模型修正湍流的粘性項和耗散率,壓力與速度的耦合則采用SIMPLE二階算法進行處理。

3 計算結(jié)果分析

3.1 風速對橋梁截面三分力系數(shù)的影響

圖4~6所示為風攻角分別為-10°,0°和10°時,橋梁跨中截面在不同風速下的三分力系數(shù)計算結(jié)果。從圖4~6可以看出:三分力系數(shù)的變化趨勢具有一定的規(guī)律,阻力系數(shù)隨著風速的增大而減小,升力系數(shù)的變化方向受到風攻角的影響,彎矩系數(shù)受風速變化的影響不明顯。從理論上分析,阻力系數(shù)的變化趨勢與雷諾數(shù)的變化有關:隨著風速的增大,雷諾數(shù)相應增大,這表示流體的粘性作用降低,故阻力效應降低[4]。數(shù)值模擬的變化趨勢與這一規(guī)律相符。

圖4 風攻角為10°時跨中截面三分力系數(shù)與風速的變化關系Fig.4 Relationship between tri- component force coefficient for middle section and wind speed when attack angle is 10°

圖5 風攻角為0°時跨中截面三分力系數(shù)與風速的變化關系Fig.5 Relationship between tri- component force coefficient for middle section and wind speed when attack angle is 0°

圖6 風攻角為10°時跨中截面三分力系數(shù)與風速的變化關系Fig.6 Relationship between tri- component force coefficient for middle section and wind speed when attack angle is 10°

3.2 風攻角對橋梁截面三分力系數(shù)的影響

圖9和圖10所示分別是風速為30 m/s和40 m/s 2種情況下,橋梁跨中截面三分力系數(shù)的計算結(jié)果。從圖9和圖10可以看出:隨著風攻角的不斷增大,橋梁截面的阻力系數(shù)和彎矩系數(shù)隨著風攻角的增大呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢,升力系數(shù)隨著風攻角的增大呈現(xiàn)上升的趨勢。從理論上分析,當風攻角的絕對值增大時,橋梁上下表面的迎風區(qū)域差異程度變大,從而導致上下表面壓力差增大,從而增大了橋梁的豎向力。

圖7 30 m/s風速下跨中截面三分力系數(shù)與風攻角的變化關系Fig.7 Relationship between tri- component force coefficient for middle section and attack angle when wind speed is 30 m/s

圖8 40 m/s風速下跨中截面三分力系數(shù)與風攻角的變化關系Fig.8 Relationship between tri- component force coefficient for middle section and attack angle when wind speed is 40 m/s

3.3 截面寬高比對橋梁截面三分力系數(shù)的影響

支座截面、1/4截面和跨中截面的寬高比分別為1.80,2.37 和3.09。圖9~10 所示分別分別是風攻角為0°,風速為30 m/s和40 m/s 2種情況下,3種截面的三分力系數(shù)的計算結(jié)果。從圖9和圖10可以看出:橋梁斷面的阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨著寬高比的增大而減小,彎矩系數(shù)隨寬高比的增大變化不明顯。從理論上分析,阻力系數(shù)隨著梁高的降低而減小。這是因為對于箱梁類型的矩形截面來說,阻力系數(shù)是風場繞流后的尾流寬度的函數(shù)[4],風場繞流的尾流寬度越大結(jié)構(gòu)的阻力系數(shù)也就越大。當寬高比大于1時,加大扁狀矩形體來流方向的寬度后流動有可能再次附著在矩形表面上,于是,尾流寬度變窄,因而阻力系數(shù)變小;隨著寬高比的增加,升力系數(shù)略有減小。這是由于當結(jié)構(gòu)的相對特征高度降低時,上下表面的繞流阻礙減弱,使得上下表面的風速接近,形成較小的壓力差,從而升力系數(shù)有所減小。

圖9 0°攻角和30 m/s風速下寬高比與三分力系數(shù)關系圖Fig.9 Relationship between tri- component force coefficient and aspect ratio when attack angle is 0°and wind speed is 30 m/s

圖10 0°攻角和40 m/s風速下寬高比與三分力系數(shù)關系圖Fig.10 Relationship between tri- component force coefficient and aspect ratio when attack angle is 0°and wind speed is 40 m/s

3.4 橋上列車的分布對橋梁截面三分力系數(shù)的影響

由于本文考慮的是雙線連續(xù)梁橋,故列車在橋上的分布可分為列車在左邊(迎風側(cè))、列車在右邊(背風側(cè))和橋上有雙車3種情況。考慮0°風攻角和40 m/s風速時,列車在橋上不同的分布情況對橋梁跨中截面三風力系數(shù)的影響。設A代表橋上無列車,B代表列車在迎風側(cè),C代表列車在背風側(cè),D代表橋上有雙車,則計算結(jié)果如圖11所示。

圖11 0°攻角和40 m/s風速下跨中截面三分力系數(shù)與橋上列車分布情況的關系圖Fig.11 Relationship between tri- component force coefficient and the situation of train on bridge when attack angle is 0°and wind speed is 40 m/s

圖12 0°攻角和40 m/s風速下不同橋上列車分布對應的跨中近壁面速度矢量圖Fig.12 Arrow diagrams of middle section for different situations of train on bridge when attack angle is 0°and wind speed is 40 m/s

從圖11可以看出:當列車在迎風側(cè)時,阻力系數(shù)和升力系數(shù)均變大;當列車在背風側(cè)時,阻力系數(shù)有所變小,升力系數(shù)有較大幅度減小;當橋上有雙車時,阻力系數(shù)變到最大,升力系數(shù)有所回升。彎矩系數(shù)一直沒有較大變化。從理論上分析,橋上有列車時,車橋體系結(jié)構(gòu)的截面寬高比變小,導致尾流寬度變寬,于是阻力系數(shù)變大。從圖12可以看出:橋上有列車時,尾流寬度明顯變大。列車的存在改變了橋梁上表面的氣流和氣壓分布,因而升力系數(shù)發(fā)生改變。當列車在迎風側(cè)時,氣流由于被車體擋住而往上流動,橋上表面的氣壓因而變小,導致升力系數(shù)變大;當列車在背風側(cè)時,氣流被車體擋住而滯留在橋上表面,橋上邊的氣壓因而變大,導致升力系數(shù)變小。

4 結(jié)論

(1)阻力系數(shù)隨著風速的增大而減小。

(2)升力系數(shù)隨著風攻角的增大而增大。

(3)阻力系數(shù)和升力系數(shù)隨著寬高比的增大而減小。

(4)橋上有列車時的阻力系數(shù)大于橋上無列車時的阻力系數(shù);列車在橋上迎風側(cè)時的升力系數(shù)大于橋上無列車時的升力系數(shù);列車在橋上背風側(cè)時的升力系數(shù)小于橋上無列車時的升力系數(shù)。

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