风作用下某斜拉桥气动性能数值仿真研究

风作用下某斜拉桥气动性能数值仿真

研究

摘要

本文以某斜拉桥为对象，利用数值仿真的方法研究了风对某斜拉桥气动性能的影响。利用计算流体力学（CFD）模拟了某斜

拉桥在不同风速下的气动力学性能，包括风压分布、阻力系数和升力系数等。结果表明，风速对某斜拉桥的气动性能有显著影响，随着风速的增加，阻力系数和升力系数均呈现上升趋势，但阻力系数的增加幅度更大；同时，桥面局部结构的存在也对某斜拉桥的气动性能有一定的影响。

关键词：斜拉桥；气动性能；风压分布；阻力系数；升力系数；计算流体力学

正文

1.引言

现代桥梁结构设计中，为了提高桥梁的安全性、经济性和可靠性，设计师需要考虑各种因素的综合影响，其中包括风对桥梁的影响。风是桥梁设计中最重要的环境因素之一，过强的风力甚至会导致桥梁的垮塌。

斜拉桥是一种新型的桥梁结构，在近几十年中得到了广泛的应

用。斜拉桥通过借助拉索和斜杆的力学作用，实现了更长跨度的建设。然而，斜拉桥的气动性能问题却给结构的设计和维护带来了巨大的问题。

因此，本文以某斜拉桥为研究对象，利用计算流体力学（CFD）模拟了该桥梁在不同风速下的气动性能，主要包括风压分布、阻力系数和升力系数等。通过数值仿真分析，揭示风速对某斜拉桥气动性能的影响规律，为未来斜拉桥结构设计和改进提供参考。

2.数值模拟方法

本文采用ANSYS Fluent软件对某斜拉桥在不同风速下的气动

性能进行数值模拟，并用Gambit等后处理软件对仿真结果实

现可视化。具体步骤如下：

（1）建立模型。根据实际情况，采用计算机辅助设计（CAD）软件构建了某斜拉桥的三维模型，包括桥面、桥塔、拉索、斜杆等结构。模型导入Gambit软件中，进行网格划分和优化，

生成高质量的三维网格模型。

（2）边界条件的设置。设定模拟计算的边界条件，包括颜色、速度场和压力场等参数。

（3）计算场的求解。通过Fluent软件求解包括连续方程、动量方程和能量方程等在内的系统方程组，得到相应的压力和速度场分布图。

（4）后处理。利用Gambit等软件对仿真结果进行可视化处理，包括探查风压分布、分析阻力系数和升力系数、并通过三维矢量图观察内部流场分布情况等。

3.结果与分析

本文对某斜拉桥在不同风速下的气动性能进行了数值仿真，得到了相应的风压分布、阻力系数以及升力系数等数据。具体结果如下所示。

（1）风压分布。在风速为0~50m/s的范围内，采用数值模拟

方法求得了某斜拉桥表面的风压分布图。图表明，随着风速增加，桥面的风速和风压随之增大。此外，桥梁上部结构的存在会影响桥面的风速和风压分布。

（2）阻力系数和升力系数。根据数值模拟结果，统计了在不

同风速下某斜拉桥的阻力系数和升力系数变化情况。结果表明，随着风速的增加，阻力系数和升力系数均呈现上升趋势，但阻力系数的增加幅度更大，主要是由于桥塔等结构造成的干扰，使得桥梁整体产生更多的阻力。

（3）流场分布。通过仿真结果的可视化处理，发现某斜拉桥

的流场分布主要集中在桥塔两侧和拉索、斜杆等结构周围。而桥梁的表面和底层流场分布相对较少，说明桥面的气动作用主要产生在桥塔和拉索、斜杆等较纤细且具有升力作用的结构上。

4.结论

本文通过数值模拟方法，研究了风对某斜拉桥的气动性能影响，并得出了以下结论：

（1）风速对某斜拉桥的气动性能有显著影响，风速越大，桥

面的风速和压力越高。

（2）阻力系数和升力系数均随风速的增加而增加，但阻力系

数的增加幅度更大。

（3）某斜拉桥表面的流场分布主要集中在桥塔两侧和拉索、

斜杆周围。

综上，本文对某斜拉桥的气动性能数值仿真研究提供了初步思路与方向，以及一些关键研究结果，这些结果可供未来的斜拉桥设计和改进提供参考。

5.建议

针对本研究发现的问题和限制，在未来的研究中，我们提出以下建议：

（1）考虑更多的气动力影响因素，如颤振、风险等，以更全

面地研究斜拉桥的气动性能。

（2）采用更高级别的数值模拟方法，如LES、DNS等，提高模

拟结果的准确性。

（3）在实验研究方面，可以通过风洞试验等方法进行验证，并与仿真结果进行比对，以验证数值模拟结果的可靠性。

（4）在斜拉桥设计和改进方面，应该充分考虑桥梁结构的气动性能，采用合适的防风措施提高斜拉桥的耐风能力。

6.总结

综上所述，本研究采用数值模拟方法，研究了风对某斜拉桥的气动性能的影响，得出了风速、阻力系数和升力系数、流场分布等方面的研究结果。在此基础上，提出了未来研究的建议，并强调了在斜拉桥设计和改进中充分考虑气动性能的重要性。

本研究表明，风对斜拉桥的影响很大，特别是在高风速时。在实际施工和使用中，必须对斜拉桥的气动性能进行合理的考虑和评估，以确保斜拉桥的安全和稳定运行。

而数值模拟方法已经成为研究斜拉桥气动性能的首选方法，其优势在于可以较为准确地模拟流体力学行为，并能够对复杂的流体结构相互作用进行模拟。未来的研究可以在现有研究的基础上进一步应用高级别的数值模拟方法，如LES和DNS，并通过风洞试验等方法进行验证，以提高斜拉桥气动性能研究的可靠性和准确度。

此外，斜拉桥设计和改进中应该充分考虑其气动性能。例如，

在斜拉桥结构设计时，可以采用具有减小阻力系数和升力系数的形状，如减缓桥墩、锐度系数等等。此外，斜拉桥在平常使用和维护中，如何检测和处理斜拉桥的气动性能问题也需要注意。因此，在斜拉桥的维护和管理中，实时监测风速变化，及时采取防风措施，对保证斜拉桥的稳定运行至关重要。

综上所述，本研究为斜拉桥气动性能研究提供了重要的参考基础，建议在今后的斜拉桥设计和维护中充分考虑其气动性能，从而有助于保证斜拉桥的安全和稳定运行。

在斜拉桥气动性能研究的过程中，除了数值模拟方法之外，风洞试验也是一种常用的方法。风洞试验可以较为真实地模拟斜拉桥在大风环境下的气动性能，同时也可以验证数值模拟的可靠性和准确度。

在设计斜拉桥的风洞试验时，需要考虑风洞的尺寸和风速范围，以及模型的比例和细节。此外，在进行风洞试验时，还需要对斜拉桥模型进行合理的加权以模拟真实的重力情况，并使用合适的传感器和测量仪器来获取数据。

除了数值模拟和风洞试验之外，实地观测也是了解斜拉桥气动性能的重要途径之一。通过现场观察和数据采集，可以获取斜拉桥在不同风速下的脱稳和振动情况，并为斜拉桥的改进和维护提供重要的参考。

总之，斜拉桥是一种复杂的工程结构，其气动性能是保障其安全和稳定运行的关键。研究斜拉桥气动性能的过程需要综合运