斜拉桥单箱截面静力三分力系数的CFD计算

斜拉桥单箱截面静力三分力系数的CFD
计算
摘要：斜拉桥抗风能力是现代斜拉桥设计的十分关键的内容。

随着抗风理论
的不断发展与完善，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)研究
方法的进展，为桥梁风工程带来了一个可以替代传统风洞试验方法的新技术手段，本文通过对桥梁单箱断面静力三分力系数进行CFD数值解析，简要阐述了斜拉桥
的风致振动和静力三分力系数的CFD计算。

关键词：风致振动；三分力系数；CFD
1引言
研究桥梁的风致效应，主要是研究风环境、风荷载和风致响应。

风，或是相
对于土壤地表下的热气体流，基本上可以认为是海洋上各个地方的热力条件不同
而引起的。

其中，风对大桥紊流边界层上的各种构造物产生的影响和功能效果，
是半个多世纪以来的风工程师主要兴趣所在，因为风对构造产生影响的同时，结
构对风的响应有时也会影响甚至改善风的特性。

总的来说，斜拉桥各主要构件在
设计或施工期间的主要风致振动问题可以归纳为自立索塔施工状态风致振动问题，主梁在施工期间主要振动问题以及拉索在施工期间的风致振动问题。

斜拉桥的空
气动力稳定性曾是早期桥梁工程师的主要担心问题之一，虽然近年来的很多实践
表明大多数斜拉桥的空气动力稳定性很好，但是仍有不少斜拉桥需要采用特殊措
施以减少风致灾害。

故研究斜拉桥的抗风性能是很有必要的，本文主要研究斜拉
桥静风响应分析中的静力三分力系数。

2风荷载的静力三分力系数
2.1静力三分力系数
桥梁处于风场中，在忽略其自身振动的条件下，可以看成是风场中一个固定不动的刚体。

来流经过时，会发生绕流现象，使得流线分布发生改变。

因此产生了升力，阻力与扭矩三个风荷载参数。

体轴坐标系静力三分力为：
阻力：
升力：
扭矩：
其中，U为离断面足够远的上游来流平均风速，为气流动压，
分别为体轴坐标系下的阻力系数、升力系数和扭矩系数，D、B分别为桥梁断面高度和宽度。

3单箱截面梁静力三分力系数的CFD
3.1单箱截面计算域
本文对斜拉桥单箱截面的静力三分力系数进行CFD分析，模型按照1：40的缩尺开展 CFD 计算，跨中断面模型宽度0.3m。

首先在AutoCAD中绘制上图所示的单箱截面的计算域，最外面的灰色区域为桥梁所在区域的风场，中间的T形区域是由于桥梁截面的存在对风场的分布会产生一定的影响，故在桥梁截面附近一定区域需要进行细分。

3.2网格划分
进行流场分析之前，第一步是要将区域离散化，即进行网格划分。

网格划分的质量好坏将直接影响数值计算的精确性。

在进行划分网格之前，要对计算模型的流场进行基本的分析，对于离得较远或者流动比较均匀的区域，网格可以稀疏一点；在靠近一点、流动比较复杂的区域和一些特殊区域，必须要布置较密的网格。

3.2网格质量
网格质量直接影响后续的模型分析结果的精度，故网格划分之后需要查看其
网格质量是否合格，如果不合格需要对模型的网格进行重新划分直至网格质量合格。

通常来说网格质量大于0.7就合格，本模型网格质量为0.8，大于0.7合格，可进行下一步分析。

3.3Fluent分析及结果查看
将模型转入ANSYS Fluent中进行流场分析。

对模型依次进行求解器类型和
求解类型、流场模型、材料、流场区域条件、边界条件、参数数值、求解方法、
控制参数、定义监控项目、设置残差、初始化流场等设置。

其中边界设置即设置
静力三分力系数Cd、Cl、Cm。

在Fluent最后分析计算时我们可以根据需要自行
定义分析动画。

对截面所在风场模型的风速云图和静力三分力系数进行动画展示。

风速设置为10m⁄s，从上图可以看出风场外围的大片黄色区域，即为设计风速，因为截面的存在只是对其周围区域的风场产生影响，故外面远离截面处发生并未
有所变化。

已知风向为从左向右，桥梁截面的存在会影响风场的分布：当风吹向
截面时，由于截面存在会使得风进行分流，从截面的上下面吹过，导致截面上下
面一定高度处的风速上升（即红色）；而截面右边因为截面挡住了风导致其风速
很低近乎没有风作用（即蓝色）；而在截面尾部之后区域，因为风吹时会进行发
散旋转，旋转后就会产生脱落，即发生涡脱现象，故截面尾部处有多个红色的小
区域，该区域即为风产生的一个个涡脱。

图 1风速云图
4结语
CFD技术作为桥梁风工程当中研究的一种方法，具有许多风洞试验无法相比
的优点。

目前作为风洞试验的辅助手段广泛地应用于桥梁风工程的。

相信随着抗风理论的逐渐发展和计算机技术的不断进步，CFD会愈发显示出其突出的优点，
为桥梁风工程的发展发挥推进作用。

参考文献：
[1]朱爱东.大跨度斜拉桥抗风性能分析与试验研究[D].大连理工大学, 2014.
[2]刘明等.西堠门大桥桥址处风场特性研究[J].铁道建筑,2010.
[3]陈政清.桥梁风工程[M].人民交通出版社,2005.
作者简介：彭莹（1998-），女，汉族，重庆巴南人，重庆交通大学硕士研
究生，研究方向：桥梁与隧道工程。