２０１４年第２期 第４０卷总第１７８期 Ｓｉｃｈｕａｎ Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｍａ￣Ｈａｌｓ Ｉ・Ｊ芝材 ・４５・ ２０１４年４月 ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２—４０１ １．２０１４．０２．０２１ 基于ＣＦＤ软件桥梁断面风压系数的数值模拟 竹剡锋，李彬 ４１１２０１） （湖南科技大学，湖南湘潭摘要：计算机流体力学数值模拟方法（ＣＦＤ）相对于 传统的风洞试验方法有着成本低、省时省力、良好的重复 １工程概况 性等特点，它不仅能模拟桥梁跨中断面周围风场的特征， 还能计算得到桥梁断面的风压系数。本文采用ＣＦＤ软件 ＦＬＵＥＮＴ中的３种不同的湍流模型，即标准模型（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｋ．８）、ＲＮＧ模型（ＲＮＧ，ｃ． ）及雷诺应力方程模型（ＲＳＭ）对主 梁断面进行数值模拟，选取合理的湍流模型，并将数值模 拟结果与实测试验值进行比较。验证采用ＣＦＤ数值模拟技 术模拟桥梁跨中断面风压系数的可行性与可靠性。 关键词：ＣＦＤ；桥梁断面；风压系数；数值模拟 中图分类号：ＴＵ３１２’．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１６７２—４０１１（２０１４）０２—００４５—０３ ０前言 风灾是自然灾害中发生最频繁的灾害之一。２０世纪８０ 年代，高频率、次生灾害大的风灾，在西方社会损失１亿 美元以上的自然灾害统计结果中表明：风灾次数所占比例 高达５１．４％ＬＵ。２０１３年，在我国风灾害已导致１８６５．４万 人次受灾，９２人死亡或失踪，直接经济损失高达２５０．１４亿 元，可见风灾给人类生命财产带来了巨大危害。在研究桥 梁抗风中，风荷载是桥梁常遇的作用荷载，尤其是对大跨 度和轻质的桥梁所引起的响应在总荷载中占有相当大的比 重。由于自然风的特性以及桥梁跨中断面形状的复杂性， 用数学解析方法难以精确描述风对桥梁的作用，通常是制 作一定比例的节段模型，通过风洞试验测定风压系数。然 而，风洞试验有着费用高、周期长、设备测试复杂等缺点， 并随着计算机技术的高速发展，计算流体力学（ＣＦＤ）的发 展给桥梁风工程提供了一种可能替代风洞试验的研究手段， 即数值模拟。它已经逐步成为继风洞试验后预测建筑物表 面风压、周围风速和湍流特性的一种有效的新方法 。 目前几个主要专业的ＣＦＤ软件有ＣＦＸ、ＦＩＤＮＡＰＤ、ＳＴＡＲ— ＣＤ、ＦＬＵＥＮＴ等。１９９７年，Ｓｌｅｌｖａｍ等采用ＬＥＳ对得克萨斯 建筑科学研究进行了数值模拟，结果表明对平均值的预测 与实测结果均吻合较好 Ｊ。２００２年，唐锦春，陈水富（浙 江大学）等运用ｓｔａｎｄａｒｄ Ｋ． 以及ＲＮＧ Ｋ一８模型对低层坡屋 面建筑物进行了三维风场的数值模拟，所得结果与风洞试 验值基本吻合 。２００６年，金新阳（中国建筑科学研究院） 等利用各种湍流模型对某立方柱建筑模型分别作了数值模 拟，得出ＲＮＧ Ｋ． 模型的数值预测结果相对较好 Ｊ。本文 以计算流体力学理论为基础，以ＦＬＵＥＮＴ软件为平台计算 模拟并提取斜拉桥主梁断面不同湍流模型下的风压系数， 为桥梁的抗风设计提供一定的参考。 作者简介：竹剡锋（１９８８一），男，浙江绍兴人，硕士研究生，研究方向 桥梁抗风。 某大桥为宽阔湖面地形条件下特大ＰＣ斜拉桥，主桥桥 面高５２ ｍ（黄海）。设计通航等级Ⅲ级。主桥桥型为不等高 三塔、双索面空间索、全飘浮体系的预应力钢筋混凝土肋 板梁式结构的斜拉桥，引桥为连续梁桥，跨径为１３０ ｍ＋ ３１０ ｍ＋３１０ ｍ＋１３０ ｍ。本文只针对主梁标准断面进行数值 模拟，主梁横断面图如图１所示。 圈１主梁横断面图／ｍｍ ２桥梁断面的数值模拟 ２．１模拟的工况 桥梁跨中断面为规则对称断面，为使得计算精确，采 用尺寸之比为１进行三维建模数值模拟计算，模型测点布 置与实测测点布置一致（共４６测点），具体测点布置图位置 如图２～３所示。 圈２测点布置图１／ｒａｍ 图３测点布置图２／ｒａｍ ２．２数值计算模型的建立及网格划分 选取计算域需要考虑计算机硬件以及计算精度等因素， ２０１４年第２期 第４Ｏ卷总第１７８期 Ｏ．６ Ｏ．５ ０．４ ｌＩＪｄｉ口ｎ ＢｕｉｌｎｇＭａ 砌 之材・４７・ ２０１４年４月 和发展潜力日渐显现。目前作为风洞试验的辅助手段越来 越多地应用到大跨度桥梁的断面选型、静力和动力的分析， 取得了良好的研究进展与经济效益。本文以实际工程为例， 说明ＣＦＤ技术应用到风对建筑物作用方面进行研究的可行 蠕０．３ 訾０．２ 要ｏ．１ ０ —性与可靠性，通过数值模拟计算得到的风压系数与实测试 验风压系数对比，最终选取了合理的湍流模型，即ＲＮＧ ，（－８模型。ＲＮＧ Ｋ—ｓ模型虽计算结果较为精确但计算所需时 ０．１ ＿ｏ．２ －－０．３ 间较长，对于三维复杂体型的建筑物只需建筑物表面风压值 建议采用ＲＮＧ —ｓ模型，而需要得到建筑物周围流场湍流 信息时则采用ＲＳＭ模型。以上研究结论可为大跨度桥梁的 图１０风压系数对比（ＲＳＭ） 抗风设计及建筑物风荷载的数值模拟提供一定的参考。 『ＩＤ：００１０５９１ 参考文献： ４结果分析 桥梁跨中断面通过数值模拟计算得到的原始数据可得 出以下规律： １）在任一湍流模型下（见图５—７），桥梁断面迎风面均 ［１］ 陈政清．桥梁风工程［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２００５． 『２］Ｍｕｒａｋａｍｉ Ｓ．Ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｔｒｅｎｄｓ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｗｉｎｄ 出现正压，背风面一般为负压，由于气流有分离现象，则 最大的负压则出现在转角处以及桥梁护栏附近。 ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎｌａ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｌａ Ａｅｒｏｄｙ— ｎａｍｌｃｓ，１９８６（１）：３—３４． ２）在３种湍流模型下（图５—７），ＲＮＧ模型（ＲＮＧ，ｃ一 ）所计算模拟得到的正压力值最大，雷诺应力方程模型 （ＲＳＭ）则最小，但三者的正压区域形状以及大小则相似。 ３）通过计算结果与实测试验结果的风压系数对比（图 ８～ｌｏ）可知，采用标准模型（Ｓｔａｎｄａｒｄ，ｃ—ｓ）与雷诺应力方程 ［３］Ｓａｎｇ—Ｈｏ．Ｓ，Ｈｙｕｎｇ—Ｗｏｅｎ．Ｒ，Ｈａ—Ｒｉｍ，ｅｔ ａ１．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｆ ｗｉｎｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｃｏｅｆｉｆｃｉｅｎｔｓ ａｒｏｕｎｄ ａｎ ｏｄｄ—ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ ｂｕｉｌｄｉｎｇ［Ｊ］．￣ｕｍａｌ ｏｆ Ｗｊｎｄ Ｅｎｇｉ－ ｎｅｅｒｉｎｇ ｎｄ Ｉｎｄｕｓａｔｒｉａｌ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ，１９９７，６７＆６８：６５９—６７０． ［４］ Ｓｅｌｖｅｍ ＰＲ ＥＬＵＡＮＲ．ＮＲ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅｓ ｏｎ Ｔｅｘａｓ ｔｅｅｈ ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｌａｒｇｅ ｅｄｄｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｉｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｉａｒｌ Ａｅｒｏｄｙｎａｍｉｃ １９９７． 模型（ＲＳＭ）计算的风压系数计算的各个测点的风压系数与 实测试验值相差稍大，而ＲＮＧ模型（ＲＮＧ，ｃ一 ）则相差不多 且ＲＮＧ，（一８模型的计算值与实测试验值吻合程度较其他湍 流模型理想。 ４）从计算结果与实测试验结果的风压系数对比（图８ １０）可知桥梁断面４６个测点的误差值除某些点以外基本 都在１５％左右。 —［５］ 陈水福．建筑表面风压的三维数值模拟［Ｊ］．工程力学，１９９７， １４（４）：３８—４３． ［６］金新阳，等．数值风工程应用中湍流模型的比较研究［Ｊ］．建筑 科学，２００６，２２（５）． ［７］黄本才，汪丛军．结构抗风分析原理及应用［Ｍ］．２版．上海：同 济出版社，２００８． ［８］黄滢．基于ＦＬＵＥＮＴ软件的建筑物风场数值模拟［Ｄ］．武汉：华 中科技大学，２００５：３５—４４． ５结论 计算风工程（ＣＦＤ）虽处于起步研究阶段，但蓬勃生机 （上接第３９页） 一究此种结构偏压性能，并作进一步的讨论是十分必要的。 ３）在本次试验过程中，发现标准试块的强度值与理论 值相差较大，由厂家提供的Ｃ３０级混凝土在试验中最大强 般可达极限荷载的８０％以上。 ２）在加载过程中，钢管给予混凝土的径向压应力虽然 有先减小后增加的趋势，但其始终存在，这就使得核心混 凝土始终处在三向应力状态下。由于钢管自密实混凝土弹 性阶段增长，弹塑性阶段变短，使得其延性系数低于普通 钢管混凝土。初始膨胀的影响使得自密实混凝土的极限承 载力有较大提高。 度达到了Ｃ６５，说明膨胀剂和外加剂对混凝土强度也有明 显的影响。 ［ＩＤ：００１０５２］ 参考文献： ３）经过试验分析发现，钢管屈服点所对应的荷载与核 心混凝土开裂所对应的荷载非常接近，钢管屈服和混凝土 裂缝扩展几乎同时发生，这说明此两种状态是相互关联的 ［１］顾维平，蔡绍怀，冯文林．钢管高强混凝土的性能与极限强度 ［Ｊ］．建筑科学，１９９１，７（１）． ［２］钟善桐．钢管混凝土结构［Ｍ］．３版．北京：清华大学出版社， ２０ｏ３． ［３］庞超明，秦鸿根，赵谦，张英利．Ｃ５０自密实微膨胀混凝土的配 制及其在钢管混凝土拱施工中的应用［Ｊ］．混凝土与水泥制 品，２００２，２９（６）， 过程，从而提高了自密实钢管混凝土的强度。 ４．２问题思考 １）虽然本次试验在轴压试验分析了自密实钢管混凝土 的力学性能，但由于试验时所配制的试件应力水平均在一 定范围内，并未有普遍性，对于实际工程中的自密实钢管 混凝土力学性能只能提供参考，因此需要扩大范围以便更 好的对力学性能水平的影响规律进行分析。 ２）本次课题对自密实钢管混凝土短柱的轴心受压性能 进行了试验研究，但实际应用中受压构件都会受到一定弯 矩的影响，理想的轴心受压构件是不存在的，因此深入研 ［４］ 李清河．高强与免振捣自密实混凝土［Ｊ］．建筑技术开发， １９９７，２４（６）． ［５］辛宗慧，朱一飞，赵兴东，等．免振捣自密实混凝土工作性能试 验研究［Ｊ］．有色冶矿，２００３，１９（３）． ［６］蒋丽忠，丁发兴，等．钢管自密实混凝土轴压力理研究［Ｊ］．中 国铁道科学，２００６，２８（４）． ［７］ 徐磊，黄承逵．钢管自应力免振捣轴压柱设计理论研究［Ｄ］．大 连：大连理工大学，２００６． ［８］ＣＥＣＳ２８：９０钢管混凝土结构设计与施工规程［ｓ］．
