钢管混凝土桁式桥墩风速参数敏感性分析.pdf
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1、总第 期交通科技 第期 收稿日期:第一作者:潘靖勃(),男,硕士生。四川交建集团科技项目资助钢管混凝土桁式桥墩风速参数敏感性分析潘靖勃于建华陈甫君张谢东(武汉理工大学交通与物流工程学院武汉 ;四川省交通建设集团股份有限公司成都 )摘要为研究钢管混凝土桁式桥墩表面风压和风速分布随入流风速参数变化的敏感性,文中采用 建立结构风场模型,并通过改变入流风速和风向角的大小进行数值模拟计算和分析。结果表明,钢管混凝土桁式桥墩表面风压随入流风速大小的均匀增加呈非线性关系递增,且各根钢管构件均符合此变化规律,表面风速则随入流风速大小的均匀增加呈线性关系增加;而结构表面风压和风速随入流风向角的改变只在较小范围内
2、发生波动,各根钢管构件符合迎风面积越大、压力越大的一般规律。关键词钢管混凝土桁式桥墩数值模拟计算风速参数敏感性分析中图分类号 钢管混凝土结构具有良好的承载能力、抗震能力和耐腐蚀性能,因此常应用于工程结构中的承重柱 。建设于跨江、河及山区峡谷地区的桥梁结构会受到较大的风荷载作用,尤其是施工阶段,结构刚度小于成桥阶段,风荷载效应更为明显。因此,有必要探究其表面风压和风速分布随入流风速参数变化的敏感性,以及时采取相关措施确保桥梁结构的安全。本文以四川泸石高速公路某跨大渡河桥梁的钢管混凝土桁式桥墩为研究对象,以规范规定计算方法得到的施工设计风速为依据,设置多组风速和风向角工况进行风场数值模拟计算,开展
3、参数敏感性分析,以指导依托工程桥梁施工安全控制。工程概况四川泸石高速公路某钢结构桥梁跨越大渡河,跨径布置为 。主墩(号墩)及交界墩(号、号墩)采用钢管混凝土桁式结构,由肢分节段拼装的 钢管组成。根据受力需要不同区段采用不同的钢管壁厚,墩底 区段采用直径 壁厚,其余区段采用直径 壁厚,钢管中心对应钢箱梁支座中心;钢管肢柱横桥向中心距为,顺桥向中心距为,竖向每设置水平横撑(直径 壁厚),与竖向主管构成桁式结构;墩底位置增设斜撑(直径 壁厚)形成加强段并在左、右幅桁式墩之间设置水平支管(直径 壁厚)将左、右两幅桥的主墩横向连接成为整体,其中肢钢主管及墩底加强段支管灌注 自密实补偿收缩微膨胀混凝土。钢
4、管混凝土桁式桥墩的现场及有限元模型图见图。图钢管混凝土桁式桥墩实拍及有限元模型计算工况 风速工况不同风速大小作用于结构,其表面的风压和风速也不相同。根据文献 第章规定计算可知,钢管混凝土桁式桥墩在 高度处的 年施工设计风速为 。本文基于顺桥向状态,以为速度间隔,划分了 个计算工况,当最大施工设计风速为 时,其基本设计风速已达到,超过了规范规定的 年基本设计风速 ,为较极端的情况。工况 的设计风速取值见表。表风速工况表计算工况 施工设计风速()风向角工况结构在不同风向角工况作用下,其表面风压和风速可能产生较大差异。在设计阶段,需要对结构在所有风向角工况下都较为脆弱的部位进行优化和加固,以避免因安
5、全事故引起的不必要经济损失。本文首先对钢管混凝土桁式桥墩各钢管进行编号,然后基于其在 高度处的 年施工设计风速值,考虑结构对称性,对,种工况进行模拟计算。钢管混凝土桁式桥墩风向角及钢管编号示意图见图。图钢管混凝土桁式桥墩风向角及钢管编号示意图结果分析依据结构设计资料建立钢管混凝土桁式桥墩几何模型,结合相关计算理论设置计算域尺寸、湍流模型、边 界 条 件 和 求 解 条 件 等 基 本 计 算 条件 。具体见表。表基本计算条件设置表基本计算条件设置详情计算域尺寸顺桥向犡 ,横桥向犢 ,高度犣 湍流模型犽 ()模型入口边界条件采取指数率公式描述平均风速沿高度方向的变化湍流动能犽按式犽狌 确定,其中
6、狌为摩擦速度,是湍流模型中计算湍流黏度的常数,通常取 湍流耗散率犲按犲狌 狕(狕狕犌)犲狌 狕犌(狕狕犌烅烄烆)确定,其中狌为摩擦速度,狕为任一高度,为梯度风高度出口边界条件自由出流其他边界条件壁面和地面采用无滑移边界,对称边界自由滑移,边界面法向速度为,任意物理量沿法向的梯度均为对流向求解格式二阶迎风格式结果收敛标准风压系数等趋于稳定运用 中的 模块进行计算分析,结果发现各参数的残差值均随着计算步数的增加而逐渐减小,且残差曲线逐渐趋于平缓,当各参数残差值均满足收敛要求时,计算结束。工况下钢管混凝土桁式桥墩在 高度处的剖面风速流线图,见图。图剖面风速流线图由图可知,结构在 高度处剖面上的最大风
7、速为 ,集中在结构周围,即当风流过钢管混凝土桁式桥墩时,由于通过面积减小,风会迅速转变方向并增大速度穿过结构,之后风速逐渐减缓,其余工况类似。工况下钢管混凝土桁式桥墩在 高度处的剖面风压分布云图,见图。年第期潘靖勃等:钢管混凝土桁式桥墩的风速参数敏感性分析图剖面风压分布云图由图可知,结构在 高度处剖面上的最大风压值为 ,最大负风压值为 ,其风压分布变化符合伯努利原理的“流体等高流动时,流速越大,形成的压力却越小”推论。伯努利原理假设不可压缩的定常流在无摩擦流情况下沿着流线流动时,流体的机械能守恒。方程表达如式()。狆狏犵 犺犆()式中:狆为流体中某点的压强;狏为该点的流速;犺为该点高度;为流体
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