基于CFD的典型橋梁斷面非線性氣動(dòng)力數(shù)值模擬與特性解析一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁作為交通網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其建設(shè)規(guī)模和跨度不斷實(shí)現(xiàn)新的突破。從世界范圍來看，眾多大型橋梁工程紛紛涌現(xiàn)，如中國(guó)的港珠澳大橋，它是集橋、島、隧于一體的超級(jí)跨海工程，全長(zhǎng)55公里，其建設(shè)不僅展現(xiàn)了中國(guó)在橋梁建設(shè)領(lǐng)域的高超技術(shù)水平，也極大地促進(jìn)了粵港澳大灣區(qū)的互聯(lián)互通；還有日本的明石海峽大橋，主跨達(dá)1991米，是目前世界上主跨最長(zhǎng)的懸索橋，它的建成對(duì)加強(qiáng)日本本州與四國(guó)之間的交通聯(lián)系起到了重要作用。在中國(guó)，橋梁建設(shè)更是取得了舉世矚目的成就。截至2023年底，中國(guó)公路橋梁總數(shù)已超過100萬座，總里程超過6萬公里。像北盤江第一橋，橋面至江面高差達(dá)565.4米，相當(dāng)于200層樓高，其建設(shè)克服了復(fù)雜的地形和地質(zhì)條件，成為世界橋梁建設(shè)史上的一座豐碑；還有平南三橋，主跨575米，是世界上最大跨徑的拱橋，它的建成標(biāo)志著中國(guó)拱橋建造技術(shù)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。這些大型橋梁的成功建設(shè)，不僅彰顯了人類的智慧和勇氣，也為經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步提供了有力支撐。然而，橋梁在服役過程中會(huì)受到多種復(fù)雜荷載的作用，其中風(fēng)荷載是影響橋梁安全與正常使用的重要因素之一。風(fēng)對(duì)橋梁的作用是一個(gè)復(fù)雜的流固耦合過程，當(dāng)風(fēng)繞過橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的空氣作用力，引發(fā)橋梁的風(fēng)致振動(dòng)。風(fēng)致振動(dòng)的類型多樣，包括渦振、顫振、抖振等。渦振是當(dāng)風(fēng)以一定速度吹過橋梁時(shí)，在橋梁兩側(cè)交替產(chǎn)生脫落的旋渦，形成周期性的作用力，當(dāng)這種作用力的頻率與橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率接近時(shí)，就會(huì)引發(fā)渦振，如2020年虎門大橋發(fā)生的渦振現(xiàn)象，就是由于沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的渦振，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)明顯的振動(dòng)，引起了社會(huì)的廣泛關(guān)注。顫振則是一種具有發(fā)散性的自激振動(dòng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到一定值時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)會(huì)急劇增大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，如1940年美國(guó)塔科馬海峽大橋在風(fēng)速僅為19m/s的情況下發(fā)生強(qiáng)烈風(fēng)致振動(dòng)并最終倒塌，這一災(zāi)難性事故成為橋梁顫振研究的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，也讓人們深刻認(rèn)識(shí)到風(fēng)致振動(dòng)對(duì)橋梁安全的巨大威脅。抖振是由紊流風(fēng)引起的強(qiáng)迫振動(dòng)，它會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不規(guī)則的振動(dòng)，長(zhǎng)期的抖振作用會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，縮短橋梁的使用壽命。這些風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象會(huì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的危害。首先，它會(huì)影響橋梁的結(jié)構(gòu)安全，導(dǎo)致橋梁構(gòu)件的疲勞損傷、局部破壞甚至整體倒塌，如塔科馬海峽大橋的倒塌事故，給人們帶來了巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失；其次，風(fēng)致振動(dòng)會(huì)影響橋梁的使用壽命，加速橋梁結(jié)構(gòu)的老化和損壞，增加橋梁的維護(hù)成本；此外，風(fēng)致振動(dòng)還會(huì)影響行車的舒適性和安全性，使車輛在行駛過程中產(chǎn)生顛簸和晃動(dòng)，增加交通事故的發(fā)生概率。因此，深入研究橋梁在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)特性，準(zhǔn)確評(píng)估橋梁的抗風(fēng)性能，對(duì)于保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)具有至關(guān)重要的意義。在橋梁風(fēng)工程領(lǐng)域，研究橋梁斷面的氣動(dòng)力特性是揭示風(fēng)致振動(dòng)機(jī)理、評(píng)估橋梁抗風(fēng)性能的關(guān)鍵。橋梁斷面的氣動(dòng)力特性包括阻力系數(shù)、升力系數(shù)、升力矩系數(shù)等，這些參數(shù)直接影響著橋梁在風(fēng)荷載作用下的受力狀態(tài)和振動(dòng)響應(yīng)。傳統(tǒng)的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)主要依賴于風(fēng)洞試驗(yàn)，通過制作縮尺模型在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，來獲取橋梁斷面的氣動(dòng)力參數(shù)。然而，風(fēng)洞試驗(yàn)存在一定的局限性，如試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，難以模擬復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力狀態(tài)，而且試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性還受到模型制作精度、試驗(yàn)設(shè)備性能等因素的影響。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸成為研究橋梁斷面氣動(dòng)力特性的重要手段。數(shù)值模擬方法可以通過建立橋梁斷面的數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)求解流體力學(xué)方程，來模擬風(fēng)對(duì)橋梁的作用過程，獲取橋梁斷面的氣動(dòng)力參數(shù)和流場(chǎng)特性。與風(fēng)洞試驗(yàn)相比，數(shù)值模擬方法具有成本低、周期短、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可以方便地研究不同工況下橋梁斷面的氣動(dòng)力特性，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更加全面和準(zhǔn)確的參考依據(jù)。特別是對(duì)于橋梁斷面的非線性氣動(dòng)力特性研究，數(shù)值模擬方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際風(fēng)荷載作用下，橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)往往呈現(xiàn)出非線性特征，這是由于橋梁斷面周圍的流場(chǎng)存在復(fù)雜的非線性流動(dòng)現(xiàn)象，如旋渦的生成、發(fā)展和脫落，邊界層的分離和再附著等。這些非線性流動(dòng)現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致橋梁斷面的氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)之間呈現(xiàn)出復(fù)雜的非線性關(guān)系，傳統(tǒng)的線性理論難以準(zhǔn)確描述這種關(guān)系。而數(shù)值模擬方法可以通過采用合適的湍流模型和數(shù)值算法，來捕捉這些非線性流動(dòng)現(xiàn)象，從而深入研究橋梁斷面的非線性氣動(dòng)力特性。深入研究橋梁斷面非線性氣動(dòng)力特性，不僅有助于揭示風(fēng)致振動(dòng)的內(nèi)在機(jī)理，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)，還能豐富和完善橋梁風(fēng)工程的理論體系，推動(dòng)相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。在實(shí)際工程應(yīng)用中，通過對(duì)橋梁斷面非線性氣動(dòng)力的準(zhǔn)確模擬和分析，可以優(yōu)化橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高橋梁的抗風(fēng)性能，降低風(fēng)致振動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害，保障橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀橋梁斷面氣動(dòng)力特性的研究一直是橋梁風(fēng)工程領(lǐng)域的重要課題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論分析等方法，在該領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果。在國(guó)外，早在20世紀(jì)初期，隨著橋梁跨度的不斷增大，風(fēng)對(duì)橋梁的影響開始受到關(guān)注。1940年美國(guó)塔科馬海峽大橋的風(fēng)毀事故，成為橋梁風(fēng)工程發(fā)展的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)，引發(fā)了全球范圍內(nèi)對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)問題的深入研究。此后，各國(guó)學(xué)者紛紛開展相關(guān)研究，建立了一系列橋梁風(fēng)致振動(dòng)理論和分析方法。日本學(xué)者M(jìn)atsumoto對(duì)一系列簡(jiǎn)單斷面的顫振問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，針對(duì)不同寬高比的矩形、菱形、橢圓形和三角形斷面，結(jié)合分步分析方法和強(qiáng)迫振動(dòng)測(cè)壓氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)識(shí)別方法，將顫振按機(jī)理區(qū)分為四類：耦合顫振、高速顫振、低速顫振和限速顫振，其研究為顫振分類和機(jī)理探討提供了重要的思路。丹麥學(xué)者Larsen針對(duì)Tacoma橋斷面，以CFD方法為基礎(chǔ)，根據(jù)離散渦計(jì)算中渦旋的運(yùn)動(dòng)規(guī)律提出了一個(gè)簡(jiǎn)化分析模型，該模型描述了在橋梁斷面扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期里渦旋的運(yùn)動(dòng)情況，并通過積分估算由渦旋產(chǎn)生的氣動(dòng)力對(duì)橋梁斷面所做的總功，進(jìn)而推算顫振臨界折減風(fēng)速，具有開創(chuàng)性意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，CFD方法在橋梁氣動(dòng)力研究中的應(yīng)用日益廣泛。通過CFD數(shù)值模擬，可以深入研究橋梁斷面周圍的流場(chǎng)特性，如壓力分布、速度分布和渦的生成、運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，為理解氣動(dòng)力機(jī)理提供了有力的工具。例如，韓國(guó)學(xué)者Kim等利用CFD方法研究了不同斷面形狀的橋梁在風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)力特性，分析了斷面形狀、風(fēng)攻角等因素對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)的影響，結(jié)果表明，流線型斷面的氣動(dòng)力穩(wěn)定性明顯優(yōu)于非流線型斷面。美國(guó)學(xué)者Zhao等通過CFD模擬，研究了橋梁斷面的渦激振動(dòng)特性，分析了渦激振動(dòng)的發(fā)生機(jī)理和影響因素，提出了抑制渦激振動(dòng)的措施。在國(guó)內(nèi)，橋梁風(fēng)工程的研究起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速。自20世紀(jì)70年代以來，隨著我國(guó)橋梁建設(shè)事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁風(fēng)工程研究也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。同濟(jì)大學(xué)的葛耀君等學(xué)者對(duì)大跨度橋梁典型斷面的顫振機(jī)理進(jìn)行了深入研究，通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了不同斷面形式的顫振特性和影響因素，為我國(guó)大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供了重要的理論支持和工程參考。西南交通大學(xué)的廖海黎團(tuán)隊(duì)針對(duì)雙層橋面桁架梁等典型橋梁斷面，開展了軟顫振特性的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，以武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋雙層橋面桁架主梁為對(duì)象，通過節(jié)段模型自由振動(dòng)風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了該主梁模型在不同工況下的軟顫振特性，對(duì)比了不同風(fēng)速條件下軟顫振形態(tài)的異同，研究表明，雙層桁架梁在試驗(yàn)中表現(xiàn)出明顯的軟顫振特性，其振幅隨風(fēng)速增加而增大，且在不同風(fēng)攻角下呈現(xiàn)出不同的顫振形態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律。近年來，國(guó)內(nèi)學(xué)者在橋梁斷面非線性氣動(dòng)力研究方面也取得了一定的成果。長(zhǎng)安大學(xué)的劉健新等通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，分析了大跨度橋梁斷面在非線性氣動(dòng)力作用下的抖振響應(yīng)特性，研究了非線性因素對(duì)抖振響應(yīng)的影響規(guī)律。湖南大學(xué)的陳政清等提出了一種基于CFD的橋梁斷面非線性氣動(dòng)力計(jì)算方法，該方法考慮了流場(chǎng)的非線性特性和橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，能夠更準(zhǔn)確地計(jì)算橋梁斷面的非線性氣動(dòng)力。盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者在橋梁斷面氣動(dòng)力特性研究方面取得了眾多成果，但仍存在一些不足之處。在數(shù)值模擬方面，雖然CFD方法得到了廣泛應(yīng)用，但目前的數(shù)值模擬方法在模擬復(fù)雜流場(chǎng)時(shí)仍存在一定的局限性，如計(jì)算精度、計(jì)算效率以及對(duì)湍流模型的選擇等問題，導(dǎo)致在二維均勻流情況下的定量分析尚有差距，三維均勻流或紊流條件下的精確計(jì)算仍面臨挑戰(zhàn)。在理論研究方面，對(duì)于橋梁斷面非線性氣動(dòng)力的理論模型和分析方法還不夠完善，難以準(zhǔn)確描述復(fù)雜的氣動(dòng)力現(xiàn)象和內(nèi)在機(jī)理。在試驗(yàn)研究方面，傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)難以模擬真實(shí)的風(fēng)環(huán)境和橋梁結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀態(tài)，且試驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)，限制了研究的深入開展。綜上所述，現(xiàn)有研究在橋梁斷面氣動(dòng)力特性方面取得了顯著進(jìn)展，但在非線性氣動(dòng)力的精確模擬和理論分析等方面仍有待進(jìn)一步完善。因此，開展典型橋梁斷面非線性氣動(dòng)力數(shù)值模擬研究，深入探究非線性氣動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)制、影響因素及其與橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的相互作用規(guī)律，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值，這也正是本文的研究方向所在。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本文主要圍繞典型橋梁斷面非線性氣動(dòng)力開展數(shù)值模擬研究，具體內(nèi)容如下：典型橋梁斷面的選取與模型建立：綜合考慮橋梁的結(jié)構(gòu)形式、應(yīng)用廣泛程度以及氣動(dòng)力特性研究的代表性，選取常見的扁平箱梁斷面、桁架梁斷面等作為典型橋梁斷面。以實(shí)際橋梁工程為背景，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙和資料，準(zhǔn)確獲取橋梁斷面的幾何尺寸、形狀參數(shù)等信息，運(yùn)用專業(yè)的三維建模軟件（如SolidWorks、ANSYSDesignModeler等）建立高精度的橋梁斷面三維模型。在建模過程中，嚴(yán)格控制模型的尺寸精度和幾何形狀，確保模型與實(shí)際橋梁斷面的一致性，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的基礎(chǔ)。數(shù)值模擬方法的選擇與驗(yàn)證：對(duì)目前常用的CFD數(shù)值模擬方法進(jìn)行深入研究和對(duì)比分析，綜合考慮計(jì)算精度、計(jì)算效率、對(duì)復(fù)雜流場(chǎng)的模擬能力以及湍流模型的適用性等因素，選擇適合本研究的數(shù)值模擬方法和湍流模型，如基于有限體積法的求解器結(jié)合SSTk-ω湍流模型。為了確保數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，將數(shù)值模擬結(jié)果與已有的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。選取與本文研究斷面相似的橋梁斷面，獲取其在相同工況下的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論計(jì)算結(jié)果，將數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)力系數(shù)、流場(chǎng)特性等參數(shù)與對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的對(duì)比分析。通過誤差分析等方法，評(píng)估數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)模擬方法和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使其滿足研究要求。橋梁斷面非線性氣動(dòng)力特性分析：在確定了合適的數(shù)值模擬方法和模型后，對(duì)典型橋梁斷面在不同工況下的非線性氣動(dòng)力特性進(jìn)行系統(tǒng)分析。改變風(fēng)速、風(fēng)攻角、橋梁振動(dòng)幅值等參數(shù)，模擬不同工況下橋梁斷面周圍的流場(chǎng)特性，深入研究非線性氣動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)制、變化規(guī)律及其與橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的相互作用關(guān)系。通過數(shù)值模擬，獲取橋梁斷面在不同工況下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、升力矩系數(shù)等氣動(dòng)力系數(shù)的變化情況，分析這些系數(shù)隨工況參數(shù)的變化趨勢(shì)，揭示非線性氣動(dòng)力的產(chǎn)生機(jī)制和變化規(guī)律。研究橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)與非線性氣動(dòng)力之間的相互作用關(guān)系，分析橋梁振動(dòng)對(duì)氣動(dòng)力的影響以及氣動(dòng)力對(duì)橋梁振動(dòng)的激勵(lì)作用，為深入理解橋梁風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象提供理論依據(jù)。影響因素分析與參數(shù)化研究：全面分析影響橋梁斷面非線性氣動(dòng)力特性的各種因素，如斷面形狀、雷諾數(shù)、湍流強(qiáng)度等。通過建立不同斷面形狀的橋梁模型，改變雷諾數(shù)和湍流強(qiáng)度等參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，深入研究各因素對(duì)非線性氣動(dòng)力特性的影響規(guī)律。對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行參數(shù)化研究，建立參數(shù)化模型，系統(tǒng)分析參數(shù)變化對(duì)非線性氣動(dòng)力特性的影響，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供量化的參考依據(jù)。例如，通過改變扁平箱梁斷面的寬高比、腹板斜率等參數(shù)，研究斷面形狀對(duì)氣動(dòng)力系數(shù)的影響規(guī)律；通過調(diào)整雷諾數(shù)和湍流強(qiáng)度，分析其對(duì)橋梁斷面周圍流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和非線性氣動(dòng)力的影響，明確各因素在非線性氣動(dòng)力特性中的作用機(jī)制和影響程度，為橋梁設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供科學(xué)指導(dǎo)。1.3.2研究方法本文采用理論分析、數(shù)值模擬和對(duì)比驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，具體如下：理論分析：深入研究橋梁風(fēng)工程相關(guān)理論，包括空氣動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算流體力學(xué)等，為數(shù)值模擬和結(jié)果分析提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。詳細(xì)闡述橋梁斷面氣動(dòng)力的基本理論，如氣動(dòng)力的產(chǎn)生原理、氣動(dòng)力系數(shù)的定義和計(jì)算方法等。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的振動(dòng)理論進(jìn)行研究，分析橋梁在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)特性和振動(dòng)方程的求解方法。通過理論分析，明確研究的關(guān)鍵問題和重點(diǎn)方向，為數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬：運(yùn)用CFD技術(shù)，借助專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)軟件（如ANSYSFluent、STAR-CCM+等），對(duì)典型橋梁斷面在風(fēng)荷載作用下的繞流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬過程中，嚴(yán)格按照數(shù)值模擬的流程和方法進(jìn)行操作。首先，對(duì)計(jì)算域進(jìn)行合理的劃分，根據(jù)橋梁斷面的形狀和尺寸以及研究的需要，確定計(jì)算域的范圍和邊界條件，保證流場(chǎng)的充分發(fā)展和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。然后，選擇合適的網(wǎng)格劃分方法和網(wǎng)格密度，對(duì)橋梁斷面和計(jì)算域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。在求解過程中，設(shè)置合理的求解參數(shù)和迭代收斂條件，保證計(jì)算的穩(wěn)定性和收斂性。通過數(shù)值模擬，獲取橋梁斷面周圍的流場(chǎng)信息，如壓力分布、速度分布、渦量分布等，以及橋梁斷面所受到的氣動(dòng)力，如阻力、升力、升力矩等，為研究橋梁斷面非線性氣動(dòng)力特性提供數(shù)據(jù)支持。對(duì)比驗(yàn)證：將數(shù)值模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)或理論分析結(jié)果進(jìn)行全面、細(xì)致的對(duì)比驗(yàn)證。如果有條件進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，將建立的橋梁斷面模型制作成縮尺模型，在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將數(shù)值模擬得到的氣動(dòng)力系數(shù)、流場(chǎng)特性等結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。若無法進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，則與已有的理論分析結(jié)果或其他學(xué)者的研究成果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。通過對(duì)比驗(yàn)證，及時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬中存在的問題和不足，對(duì)模擬方法和參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高數(shù)值模擬的精度和可靠性。本文通過上述研究?jī)?nèi)容和方法，旨在深入探究典型橋梁斷面非線性氣動(dòng)力特性，揭示其內(nèi)在機(jī)制和影響因素，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供更加科學(xué)、準(zhǔn)確的理論依據(jù)和技術(shù)支持，提高橋梁在風(fēng)荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性。研究技術(shù)路線如圖1.1所示：@startmindmap*研究背景與意義**橋梁建設(shè)發(fā)展現(xiàn)狀**風(fēng)荷載對(duì)橋梁的影響**研究意義*國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀**國(guó)外研究進(jìn)展**國(guó)內(nèi)研究成果**研究不足*研究?jī)?nèi)容與方法**典型橋梁斷面選取與模型建立**數(shù)值模擬方法選擇與驗(yàn)證**非線性氣動(dòng)力特性分析**影響因素分析與參數(shù)化研究**理論分析**數(shù)值模擬**對(duì)比驗(yàn)證*預(yù)期成果**揭示非線性氣動(dòng)力特性及影響因素**建立相關(guān)理論模型和方法**為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)@endmindmap圖1.1研究技術(shù)路線圖二、橋梁斷面類型與氣動(dòng)力相關(guān)理論2.1典型橋梁斷面類型橋梁斷面形式的選擇對(duì)于橋梁的氣動(dòng)力特性和抗風(fēng)性能有著至關(guān)重要的影響。不同的橋梁斷面類型在結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、應(yīng)用范圍以及氣動(dòng)力響應(yīng)方面存在顯著差異。深入了解這些典型橋梁斷面類型及其氣動(dòng)力特性，是進(jìn)行橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)和研究的基礎(chǔ)。下面將詳細(xì)介紹幾種常見的橋梁斷面類型及其氣動(dòng)力特性。2.1.1箱型梁斷面箱型梁斷面是一種在橋梁工程中廣泛應(yīng)用的斷面形式，其截面形狀呈封閉的箱形，一般由頂板、底板、腹板和橫隔板等部分組成。這種斷面形式具有諸多顯著特點(diǎn)，使其在大跨度橋梁建設(shè)中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來看，箱型梁斷面的閉合薄壁結(jié)構(gòu)使其具有較大的抗扭剛度。在承受風(fēng)荷載和其他橫向荷載時(shí)，能夠有效地抵抗扭轉(zhuǎn)變形，保證橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。其頂板和底板面積較大，可以提供較大的承載面積，有效地抵抗正負(fù)彎矩，滿足橋梁在不同受力狀態(tài)下的需求。例如，在港珠澳大橋的建設(shè)中，就大量采用了箱型梁結(jié)構(gòu)，其橋跨長(zhǎng)度大，且處于復(fù)雜的海洋環(huán)境中，風(fēng)荷載和海浪沖擊等作用復(fù)雜。箱型梁的大抗扭剛度和良好的抗彎性能，使其能夠在這種復(fù)雜的受力條件下保持穩(wěn)定，確保了大橋的安全運(yùn)營(yíng)。箱型梁斷面在大跨度橋梁中具有廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。由于其良好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，適用于各種類型的大跨度橋梁，如斜拉橋、懸索橋等。在斜拉橋中，箱型梁作為主梁結(jié)構(gòu)，能夠有效地承受斜拉索傳遞的巨大拉力和各種荷載作用，保證橋梁的整體穩(wěn)定性；在懸索橋中，箱型梁同樣能夠勝任主梁的角色，為懸索橋提供堅(jiān)實(shí)的結(jié)構(gòu)支撐。例如，蘇通長(zhǎng)江大橋是世界上首座超千米跨徑的斜拉橋，其主梁采用了扁平鋼箱梁（箱型梁的一種）結(jié)構(gòu)。這種箱型梁斷面具有較大的抗扭剛度和抗彎剛度，能夠有效地抵抗風(fēng)荷載和車輛荷載等的作用，確保了大橋在復(fù)雜的自然環(huán)境和交通荷載下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。該橋的成功建設(shè)，充分展示了箱型梁斷面在大跨度斜拉橋中的良好適用性和卓越性能。箱型梁斷面的氣動(dòng)力特性也備受關(guān)注。當(dāng)風(fēng)繞過箱型梁斷面時(shí)，其周圍的流場(chǎng)較為復(fù)雜。在低風(fēng)速下，箱型梁斷面的氣動(dòng)力系數(shù)相對(duì)較為穩(wěn)定，但隨著風(fēng)速的增加，特別是當(dāng)風(fēng)速接近橋梁的顫振臨界風(fēng)速時(shí)，氣動(dòng)力系數(shù)會(huì)發(fā)生顯著變化。此時(shí)，箱型梁斷面周圍的流場(chǎng)會(huì)出現(xiàn)旋渦脫落、邊界層分離等復(fù)雜現(xiàn)象，導(dǎo)致氣動(dòng)力呈現(xiàn)出非線性特征。研究表明，箱型梁斷面的氣動(dòng)力特性與斷面的幾何形狀、風(fēng)攻角、雷諾數(shù)等因素密切相關(guān)。例如，通過改變箱型梁的寬高比、腹板斜率等幾何參數(shù)，可以顯著影響其氣動(dòng)力系數(shù)和流場(chǎng)特性。在風(fēng)攻角變化時(shí)，箱型梁的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升力矩系數(shù)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，對(duì)橋梁的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。2.1.2T型梁斷面T型梁斷面是另一種常見的橋梁斷面形式，其截面形狀類似于大寫字母“T”，由翼緣和梁肋（腹板）組成。這種斷面形式具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍，其氣動(dòng)力特性也受到多種因素的影響。T型梁斷面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其具有較強(qiáng)的抗彎能力。由于翼緣的存在，增加了截面的慣性矩，使得T型梁在承受豎向彎矩時(shí)能夠有效地發(fā)揮材料的性能，提高了梁的抗彎承載能力。T型梁的制造和安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，這使得它在一些中小跨度橋梁中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在城市道路橋梁和一些普通公路橋梁中，T型梁是一種常用的結(jié)構(gòu)形式。以某城市的一座立交橋?yàn)槔?，其上部結(jié)構(gòu)采用了T型梁，該橋的跨度適中，交通流量較大。T型梁的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便的特點(diǎn)，使得該橋能夠在較短的時(shí)間內(nèi)完成建設(shè)，滿足了城市交通發(fā)展的需求。同時(shí)，T型梁的抗彎能力也能夠有效地承受車輛荷載等作用，保證了橋梁的正常使用。T型梁斷面的適用范圍主要集中在中小跨度橋梁。一般來說，T型梁適用于單孔跨徑在30-40m之間的橋梁，當(dāng)跨徑超過這個(gè)范圍時(shí)，T型梁的結(jié)構(gòu)性能和經(jīng)濟(jì)性可能會(huì)受到一定的影響。在一些對(duì)結(jié)構(gòu)高度有要求的場(chǎng)合，T型梁的建筑高度相對(duì)較高，可能不太適用。但在一些對(duì)成本控制較為嚴(yán)格、跨度要求適中的橋梁工程中，T型梁仍然是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的選擇。T型梁斷面的氣動(dòng)力特性較為復(fù)雜，受到多種因素的影響。與箱型梁相比，T型梁的斷面形狀相對(duì)不規(guī)則，在風(fēng)荷載作用下，其周圍的流場(chǎng)更容易出現(xiàn)分離和旋渦脫落現(xiàn)象。這使得T型梁的氣動(dòng)力系數(shù)變化較大，且氣動(dòng)力的非線性特征更為明顯。T型梁的氣動(dòng)力特性還與翼緣的寬度、梁肋的高度和厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。例如，翼緣寬度的增加會(huì)改變T型梁斷面的氣動(dòng)力分布，使得升力系數(shù)和阻力系數(shù)發(fā)生變化；梁肋高度和厚度的改變也會(huì)對(duì)T型梁的氣動(dòng)力性能產(chǎn)生影響。風(fēng)攻角的變化同樣會(huì)對(duì)T型梁的氣動(dòng)力特性產(chǎn)生顯著影響，不同的風(fēng)攻角下，T型梁的氣動(dòng)力系數(shù)會(huì)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。2.1.3其他典型斷面除了箱型梁斷面和T型梁斷面外，還有一些其他典型的橋梁斷面形式，如桁架梁斷面、拱橋斷面等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和氣動(dòng)力特性。桁架梁斷面由上弦桿、下弦桿、腹桿等組成，形成一個(gè)格構(gòu)式的結(jié)構(gòu)。這種斷面形式的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)輕盈、跨越能力強(qiáng)，能夠有效地利用材料的強(qiáng)度。在大跨度橋梁中，桁架梁斷面可以通過合理布置桿件，承受較大的荷載，減少結(jié)構(gòu)自重。例如，武漢楊泗港長(zhǎng)江大橋采用了雙層橋面鋼桁架梁結(jié)構(gòu)，主跨1700米，是世界上跨度最大的雙層公路懸索橋。該橋的鋼桁架梁斷面通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮了桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，有效地承受了巨大的恒載和活載，同時(shí)減輕了結(jié)構(gòu)自重，提高了橋梁的跨越能力。在氣動(dòng)力特性方面，桁架梁斷面的流場(chǎng)較為復(fù)雜，由于桿件的存在，氣流在通過時(shí)會(huì)發(fā)生多次分離和再附著，產(chǎn)生復(fù)雜的旋渦和紊流。這使得桁架梁的氣動(dòng)力系數(shù)不僅與風(fēng)速、風(fēng)攻角有關(guān)，還與桿件的布置形式、間距等因素密切相關(guān)。研究表明，合理設(shè)計(jì)桁架梁的桿件布置和結(jié)構(gòu)形式，可以改善其氣動(dòng)力性能，降低風(fēng)致振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。例如，通過調(diào)整桿件的間距和角度，可以改變氣流的流動(dòng)狀態(tài)，減少旋渦的產(chǎn)生和影響，從而降低氣動(dòng)力的脈動(dòng)和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。拱橋斷面則以其獨(dú)特的拱形結(jié)構(gòu)為主要特征，主要承受壓力，能夠?qū)⒑奢d有效地傳遞到拱腳和基礎(chǔ)上。拱橋斷面的優(yōu)點(diǎn)是造型美觀、結(jié)構(gòu)剛度大，在一定程度上能夠抵抗風(fēng)荷載引起的變形。例如，廣西平南三橋是世界上最大跨徑的拱橋，主跨575米，其拱橋斷面采用了中承式鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)。該橋的拱橋斷面利用了拱橋結(jié)構(gòu)的受壓特性，將荷載有效地傳遞到基礎(chǔ)，同時(shí)其結(jié)構(gòu)剛度大，能夠較好地抵抗風(fēng)荷載和其他荷載的作用，保證了橋梁的穩(wěn)定性。對(duì)于拱橋斷面，風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)力特性與拱的矢跨比、拱肋的形式等因素有關(guān)。矢跨比的變化會(huì)影響拱橋的受力狀態(tài)和氣流的流動(dòng)形態(tài)，從而改變氣動(dòng)力的大小和分布。拱肋的形式，如鋼管混凝土拱肋、鋼筋混凝土拱肋等，也會(huì)對(duì)氣動(dòng)力特性產(chǎn)生影響。不同形式的拱肋在風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)和穩(wěn)定性有所不同，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行分析和研究。在實(shí)際工程中，為了提高拱橋的抗風(fēng)性能，通常會(huì)采取一些措施，如設(shè)置風(fēng)撐、優(yōu)化拱肋截面形狀等，以改善氣動(dòng)力性能，確保橋梁在風(fēng)荷載作用下的安全。2.2橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動(dòng)及氣動(dòng)力理論2.2.1風(fēng)對(duì)橋梁的作用形式風(fēng)對(duì)橋梁的作用形式主要包括靜力作用和動(dòng)力作用，這些作用會(huì)產(chǎn)生多種氣動(dòng)力，對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)安全和正常使用產(chǎn)生重要影響。風(fēng)對(duì)橋梁的靜力作用主要源于平均風(fēng)速部分施加在結(jié)構(gòu)上的靜壓。在順風(fēng)平均風(fēng)的作用下，作用于橋梁上的風(fēng)力可分為順風(fēng)向風(fēng)力、橫風(fēng)向風(fēng)力和風(fēng)扭轉(zhuǎn)力矩，這三者通常被稱為氣流作用力的三分力。順風(fēng)向風(fēng)力是指沿著橋梁軸向方向的風(fēng)力，它會(huì)使橋梁產(chǎn)生順橋向的位移和內(nèi)力；橫風(fēng)向風(fēng)力則是垂直于橋梁軸向方向的風(fēng)力，是主要的計(jì)算對(duì)象，因?yàn)樗斐傻臉蛄浩茐牡奶攸c(diǎn)主要是強(qiáng)度破壞或過大的結(jié)構(gòu)變形；風(fēng)扭轉(zhuǎn)力矩會(huì)使橋梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)，對(duì)橋梁的穩(wěn)定性產(chǎn)生威脅。這些氣動(dòng)力與風(fēng)速、橋梁斷面形狀及風(fēng)對(duì)橋梁的攻角等因素密切相關(guān)。在橋梁的靜風(fēng)作用分析中，通常將風(fēng)荷載換算成靜力風(fēng)荷載，作用在主梁、塔、纜索、吊桿等橋梁構(gòu)件上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。例如，在一些大跨度懸索橋的設(shè)計(jì)中，需要精確計(jì)算靜風(fēng)荷載作用下橋梁各構(gòu)件的受力情況，以確保橋梁在正常使用狀態(tài)下的安全性。風(fēng)對(duì)橋梁的動(dòng)力作用指橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下的空氣彈性動(dòng)力響應(yīng)，一般可分為自激振動(dòng)和強(qiáng)迫振動(dòng)兩大類。自激振動(dòng)是在風(fēng)的作用下，由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)對(duì)空氣的反饋?zhàn)饔茫駝?dòng)的結(jié)構(gòu)從空氣中汲取能量，產(chǎn)生一種自激振動(dòng)機(jī)制，如顫振、弛振和渦激振動(dòng)。當(dāng)顫振和弛振達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí)，將出現(xiàn)危險(xiǎn)性的發(fā)散狀態(tài)，可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的破壞。強(qiáng)迫振動(dòng)是結(jié)構(gòu)在紊流脈動(dòng)風(fēng)作用下的一種有限振幅的隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。由于脈動(dòng)風(fēng)的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載不斷變動(dòng)，這種隨機(jī)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)就是抖振。雖然單次風(fēng)壓波動(dòng)可能較小，但長(zhǎng)時(shí)間累積也可能加速結(jié)構(gòu)的疲勞過程，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損害。2.2.2橋梁風(fēng)致振動(dòng)類型橋梁風(fēng)致振動(dòng)類型多樣，不同類型的振動(dòng)具有不同的產(chǎn)生機(jī)理和危害，對(duì)橋梁的安全運(yùn)營(yíng)構(gòu)成嚴(yán)重威脅。下面將詳細(xì)介紹幾種常見的橋梁風(fēng)致振動(dòng)類型。渦激振動(dòng)是大跨度橋梁在低風(fēng)速下出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。從流體的角度來看，當(dāng)風(fēng)以一定的恒定流速繞過非流線型的橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)在橋梁兩側(cè)交替地產(chǎn)生脫離結(jié)構(gòu)物表面的旋渦，這種交替發(fā)放的旋渦又會(huì)在橋梁上生成順流向及橫流向周期性變化的脈動(dòng)壓力。如果此時(shí)橋梁是彈性支撐的，或者允許發(fā)生彈性變形，那么脈動(dòng)流體力將引發(fā)橋梁的周期性振動(dòng)，這種規(guī)律性的振動(dòng)反過來又會(huì)改變其尾流的旋渦發(fā)放形態(tài)，從而形成流體-結(jié)構(gòu)物相互作用的渦激振動(dòng)。例如，2020年虎門大橋發(fā)生的渦振現(xiàn)象，就是由于沿橋跨邊護(hù)欄連續(xù)設(shè)置水馬，改變了鋼箱梁的氣動(dòng)外形，在特定風(fēng)環(huán)境條件下，引發(fā)了強(qiáng)烈的渦激振動(dòng)，導(dǎo)致橋梁出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。渦激振動(dòng)產(chǎn)生的根本原因是旋渦脫落過程中產(chǎn)生的非定常氣動(dòng)力。每個(gè)旋渦在離開結(jié)構(gòu)表面后，會(huì)在其下游形成負(fù)壓區(qū)，隨后被下一個(gè)旋渦的正壓區(qū)取代，這種壓力波動(dòng)作用于橋梁上，如同連續(xù)不斷地敲擊鼓面，導(dǎo)致橋梁發(fā)生共振。持續(xù)的渦激振動(dòng)可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)疲勞損傷，長(zhǎng)期積累則會(huì)縮短橋梁壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至造成結(jié)構(gòu)失效和斷裂。顫振是一種嚴(yán)重的氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常發(fā)生在高速飛行器機(jī)翼或橋梁等大跨度結(jié)構(gòu)中。它是結(jié)構(gòu)在氣動(dòng)力、彈性力和慣性力的耦合作用下產(chǎn)生的一種發(fā)散振動(dòng)，表現(xiàn)為在一定的臨界風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)振動(dòng)振幅急劇增加，若不能及時(shí)抑制，將迅速耗散結(jié)構(gòu)能量，直至材料屈服，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。歷史上曾有多起因顫振而導(dǎo)致的飛機(jī)失事和橋梁垮塌事故，如1940年美國(guó)塔科馬海峽大橋在風(fēng)速僅為19m/s的情況下發(fā)生強(qiáng)烈風(fēng)致振動(dòng)并最終倒塌，這一事件成為橋梁顫振研究的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。顫振的產(chǎn)生是由空氣動(dòng)力與結(jié)構(gòu)彈性相互耦合導(dǎo)致的，當(dāng)氣動(dòng)載荷隨結(jié)構(gòu)變形的變化速度同步增大時(shí)，形成一個(gè)正反饋循環(huán)，使得振動(dòng)無法自我衰減，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。抖振是一種由隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)引起的隨機(jī)振動(dòng)現(xiàn)象。由于風(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)變化，橋梁受到的風(fēng)荷載隨之不斷變動(dòng)，這種隨機(jī)載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)就是抖振。它不像渦激振動(dòng)那樣具有明顯的規(guī)律性，而是表現(xiàn)為不規(guī)則、無明顯頻率特征的振動(dòng)。飛機(jī)在飛行中也可能會(huì)經(jīng)歷抖振，這對(duì)飛行安全有著重要的影響。抖振與顫振的成因不同，前者是因?yàn)轱L(fēng)速和風(fēng)向的隨機(jī)變化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受到隨機(jī)力的作用，而后者是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)與氣動(dòng)力發(fā)生耦合，產(chǎn)生了自激振動(dòng)。即使單次風(fēng)壓波動(dòng)小，但長(zhǎng)時(shí)間累積也可能加速橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞過程，對(duì)橋梁造成損害。例如，一些長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中的橋梁，可能會(huì)因?yàn)槎墩竦拈L(zhǎng)期作用而出現(xiàn)裂縫或損壞。2.2.3氣動(dòng)力理論基礎(chǔ)橋梁氣動(dòng)力的研究基于空氣動(dòng)力學(xué)的基本理論，這些理論為理解風(fēng)對(duì)橋梁的作用以及計(jì)算橋梁所受氣動(dòng)力提供了基礎(chǔ)?？諝鈩?dòng)力學(xué)的基本方程是描述流體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的重要工具，其中最常用的是納維-斯托克斯方程（N-S方程）。N-S方程是一組描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的運(yùn)動(dòng)方程，它綜合考慮了流體的慣性力、粘性力、壓力梯度力等因素，能夠準(zhǔn)確地描述流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在笛卡爾坐標(biāo)系下，N-S方程的表達(dá)式為：\rho\left(\frac{\partialu_i}{\partialt}+u_j\frac{\partialu_i}{\partialx_j}\right)=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\mu\frac{\partial^2u_i}{\partialx_j\partialx_j}+f_i其中，\rho是流體密度，u_i是速度分量，t是時(shí)間，p是壓力，\mu是動(dòng)力粘性系數(shù)，f_i是單位質(zhì)量力。然而，N-S方程是一組非線性偏微分方程，求解難度較大，在實(shí)際應(yīng)用中，通常需要根據(jù)具體問題進(jìn)行簡(jiǎn)化和近似。在橋梁氣動(dòng)力計(jì)算中，常用的理論和方法包括勢(shì)流理論、邊界層理論和計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法等。勢(shì)流理論假設(shè)流體是無粘性、不可壓縮的，通過求解拉普拉斯方程來得到流場(chǎng)的速度勢(shì)函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算流場(chǎng)的速度和壓力分布。勢(shì)流理論在處理一些簡(jiǎn)單的流動(dòng)問題時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于實(shí)際的橋梁繞流問題，由于流體的粘性和流動(dòng)的復(fù)雜性，勢(shì)流理論的應(yīng)用受到一定的限制。邊界層理論則主要研究流體在固體壁面附近的流動(dòng)特性，認(rèn)為在壁面附近存在一層很薄的邊界層，在邊界層內(nèi)粘性力起主要作用，而在邊界層外可以近似看作無粘性流動(dòng)。邊界層理論為理解橋梁表面的流動(dòng)現(xiàn)象和計(jì)算氣動(dòng)力提供了重要的理論基礎(chǔ)。CFD方法則是利用計(jì)算機(jī)求解N-S方程或其簡(jiǎn)化形式，通過數(shù)值模擬的方法來研究橋梁周圍的流場(chǎng)特性和氣動(dòng)力。CFD方法具有能夠模擬復(fù)雜流場(chǎng)、考慮多種因素影響等優(yōu)點(diǎn)，近年來在橋梁氣動(dòng)力研究中得到了廣泛的應(yīng)用。通過CFD模擬，可以獲取橋梁斷面周圍的壓力分布、速度分布、渦量分布等流場(chǎng)信息，以及橋梁所受到的阻力、升力、升力矩等氣動(dòng)力，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)和分析提供重要的數(shù)據(jù)支持。三、數(shù)值模擬方法與模型建立3.1計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法3.1.1CFD基本原理計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）是一門融合了經(jīng)典流體動(dòng)力學(xué)與先進(jìn)數(shù)值計(jì)算方法的新興交叉學(xué)科，其核心在于借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力和數(shù)值算法，依據(jù)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等基本物理定律所構(gòu)建的控制方程，對(duì)流體的流動(dòng)現(xiàn)象展開深入分析與精確預(yù)測(cè)。CFD的理論根基源自對(duì)流體運(yùn)動(dòng)基本規(guī)律的數(shù)學(xué)描述，其中最為核心的便是納維-斯托克斯方程（N-S方程）。N-S方程是一組用于描述粘性不可壓縮流體動(dòng)量守恒的偏微分方程，它全面考量了流體在運(yùn)動(dòng)過程中所受到的慣性力、粘性力、壓力梯度力以及其他外力的綜合作用，能夠精準(zhǔn)地刻畫流體的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在笛卡爾坐標(biāo)系下，N-S方程的一般表達(dá)式為：\rho\left(\frac{\partialu_i}{\partialt}+u_j\frac{\partialu_i}{\partialx_j}\right)=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\mu\frac{\partial^2u_i}{\partialx_j\partialx_j}+f_i其中，\rho代表流體的密度，它反映了單位體積內(nèi)流體的質(zhì)量；u_i是速度矢量在x_i方向上的分量，描述了流體微團(tuán)在該方向上的運(yùn)動(dòng)速度；t表示時(shí)間，用于追蹤流體運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化過程；p為流體的壓力，它在流體運(yùn)動(dòng)中起著重要的驅(qū)動(dòng)作用；\mu是動(dòng)力粘性系數(shù)，體現(xiàn)了流體內(nèi)部粘性力的大小，決定了流體的粘性特性；f_i表示單位質(zhì)量力，包括重力、電磁力等各種外力，對(duì)流體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生直接影響。然而，N-S方程本質(zhì)上是一組高度非線性的偏微分方程，其求解過程面臨著巨大的挑戰(zhàn)，難以通過常規(guī)的解析方法獲得精確解。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際流體問題的有效求解，CFD采用了一種巧妙的數(shù)值離散化策略。該策略的核心思想是將原本在連續(xù)的時(shí)間域和空間域上變化的物理量場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，轉(zhuǎn)化為一系列在有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值集合。通過精心設(shè)計(jì)的離散化方法，將N-S方程轉(zhuǎn)化為一組代數(shù)方程組，從而使得數(shù)值求解成為可能。在眾多數(shù)值離散化方法中，有限體積法、有限差分法和有限元法是最為常用的三種方法，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。有限體積法以控制體積為基本單元，通過對(duì)控制體積內(nèi)的物理量進(jìn)行積分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程。該方法具有物理意義明確、守恒性好等優(yōu)點(diǎn)，在CFD中得到了廣泛應(yīng)用。有限差分法則是基于Taylor級(jí)數(shù)展開，將偏微分方程中的導(dǎo)數(shù)用差商來近似，從而建立離散的代數(shù)方程組。這種方法計(jì)算簡(jiǎn)單、易于編程實(shí)現(xiàn)，但在處理復(fù)雜邊界條件時(shí)可能存在一定的局限性。有限元法則是將求解區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，通過在每個(gè)單元上構(gòu)造插值函數(shù)，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組。有限元法具有靈活性高、對(duì)復(fù)雜幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，常用于處理具有復(fù)雜邊界的流體問題。以有限體積法為例，其具體實(shí)施過程如下：首先，將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列互不重疊的控制體積，這些控制體積緊密拼接，覆蓋整個(gè)求解區(qū)域；然后，對(duì)每個(gè)控制體積應(yīng)用積分形式的守恒方程，將N-S方程中的各項(xiàng)在控制體積上進(jìn)行積分，得到關(guān)于控制體積內(nèi)物理量平均值的離散方程；接著，通過合適的插值方法，將控制體積界面上的物理量與控制體積內(nèi)的平均值建立聯(lián)系，從而將積分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程組；最后，利用迭代求解算法，如高斯-賽德爾迭代法、共軛梯度法等，對(duì)代數(shù)方程組進(jìn)行求解，逐步逼近滿足守恒方程的數(shù)值解。在CFD的數(shù)值求解過程中，還需要妥善處理邊界條件和初始條件。邊界條件是指在計(jì)算區(qū)域的邊界上，流體的物理量所滿足的特定條件，它反映了流體與周圍環(huán)境的相互作用。常見的邊界條件包括速度入口邊界條件、壓力出口邊界條件、壁面無滑移邊界條件等。速度入口邊界條件用于指定流體流入計(jì)算區(qū)域的速度大小和方向；壓力出口邊界條件則規(guī)定了流體流出計(jì)算區(qū)域時(shí)的壓力值；壁面無滑移邊界條件假設(shè)流體在固體壁面上的速度為零，體現(xiàn)了流體與壁面之間的粘性作用。初始條件則是指在計(jì)算開始時(shí)刻，流場(chǎng)內(nèi)各物理量的分布狀態(tài)，它為數(shù)值求解提供了起始點(diǎn)。準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件和初始條件對(duì)于獲得可靠的數(shù)值解至關(guān)重要，若條件設(shè)置不當(dāng)，可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的偏差甚至不收斂。3.1.2CFD在橋梁風(fēng)工程中的應(yīng)用在橋梁風(fēng)工程領(lǐng)域，CFD技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已成為研究橋梁氣動(dòng)力特性和流場(chǎng)特性的重要手段，為橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)和安全評(píng)估提供了有力的支持。CFD在橋梁氣動(dòng)力模擬中的應(yīng)用極為廣泛，涵蓋了多個(gè)關(guān)鍵方面。通過數(shù)值模擬，能夠深入研究橋梁斷面周圍的流場(chǎng)特性，全面揭示流場(chǎng)中的壓力分布、速度分布以及渦的生成、發(fā)展和運(yùn)動(dòng)規(guī)律等重要信息。在橋梁斷面周圍的流場(chǎng)中，壓力分布直接影響著橋梁所承受的氣動(dòng)力大小和方向。通過CFD模擬，可以精確地獲取不同風(fēng)速、風(fēng)攻角下橋梁表面的壓力分布情況，從而為計(jì)算氣動(dòng)力系數(shù)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。速度分布則反映了氣流在橋梁周圍的流動(dòng)狀態(tài)，有助于分析氣流對(duì)橋梁的作用方式和影響程度。渦的生成、發(fā)展和運(yùn)動(dòng)規(guī)律與橋梁的風(fēng)致振動(dòng)密切相關(guān)，通過CFD模擬可以清晰地觀察到渦的形成位置、脫落頻率以及對(duì)橋梁氣動(dòng)力的影響，為理解橋梁風(fēng)致振動(dòng)的機(jī)理提供了直觀的依據(jù)。CFD還可以用于計(jì)算橋梁所受到的阻力、升力和升力矩等氣動(dòng)力系數(shù)，這些系數(shù)是評(píng)估橋梁抗風(fēng)性能的關(guān)鍵指標(biāo)。阻力系數(shù)反映了橋梁在風(fēng)作用下沿風(fēng)向的受力情況，過大的阻力可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和變形；升力系數(shù)則體現(xiàn)了橋梁在垂直方向上所受到的氣動(dòng)力，它對(duì)橋梁的豎向穩(wěn)定性有著重要影響；升力矩系數(shù)則描述了氣動(dòng)力對(duì)橋梁產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)作用，過大的升力矩可能引發(fā)橋梁的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，危及橋梁的安全。通過CFD模擬，可以準(zhǔn)確地計(jì)算出這些氣動(dòng)力系數(shù)在不同工況下的變化規(guī)律，為橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。CFD在橋梁氣動(dòng)力模擬中具有顯著的優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比，CFD模擬具有成本低、周期短的特點(diǎn)。風(fēng)洞試驗(yàn)需要建造大型的風(fēng)洞設(shè)施，購置昂貴的測(cè)試設(shè)備，并且試驗(yàn)過程中需要消耗大量的人力、物力和時(shí)間，成本高昂。而CFD模擬只需要利用計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的軟件，即可在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬分析，大大降低了研究成本，縮短了研究周期。CFD模擬具有高度的靈活性和可重復(fù)性。在CFD模擬中，可以方便地改變各種參數(shù)，如風(fēng)速、風(fēng)攻角、橋梁斷面形狀等，快速地進(jìn)行多工況模擬分析，獲取豐富的研究數(shù)據(jù)。而且，CFD模擬的結(jié)果可以隨時(shí)重現(xiàn)，便于對(duì)模擬過程和結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。CFD模擬還能夠模擬一些在風(fēng)洞試驗(yàn)中難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜工況，如極端風(fēng)速、復(fù)雜地形下的風(fēng)場(chǎng)等，為橋梁在特殊工況下的抗風(fēng)性能研究提供了可能。然而，CFD方法在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性。數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性在很大程度上依賴于湍流模型的選擇和網(wǎng)格劃分的質(zhì)量。湍流是流體力學(xué)中一種復(fù)雜的非線性現(xiàn)象，目前尚未有完全準(zhǔn)確的理論模型能夠描述其本質(zhì)。不同的湍流模型對(duì)湍流的模擬能力和適用范圍各不相同，選擇不合適的湍流模型可能導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)際情況存在較大偏差。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量也會(huì)對(duì)模擬結(jié)果產(chǎn)生重要影響，網(wǎng)格過粗可能無法準(zhǔn)確捕捉流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息，導(dǎo)致計(jì)算精度下降；而網(wǎng)格過細(xì)則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，甚至可能導(dǎo)致計(jì)算不收斂。CFD模擬對(duì)于復(fù)雜的實(shí)際問題，如考慮橋梁結(jié)構(gòu)的彈性變形、流固耦合效應(yīng)等，模擬難度較大，計(jì)算精度和可靠性還有待進(jìn)一步提高。在實(shí)際橋梁工程中，橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下會(huì)發(fā)生彈性變形，這種變形會(huì)反過來影響流場(chǎng)的分布，形成流固耦合效應(yīng)。目前的CFD方法在處理流固耦合問題時(shí)，還存在一些技術(shù)難題，需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)。3.2數(shù)值模擬模型建立3.2.1模型選取與簡(jiǎn)化在本研究中，為了深入探究典型橋梁斷面的非線性氣動(dòng)力特性，選取了在實(shí)際工程中應(yīng)用廣泛且具有代表性的扁平箱梁斷面作為研究對(duì)象。以某實(shí)際大跨度斜拉橋的扁平箱梁斷面為原型，該橋主跨長(zhǎng)度達(dá)1088米，其扁平箱梁斷面在保證橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性的同時(shí)，對(duì)風(fēng)荷載的作用較為敏感，具有典型的研究?jī)r(jià)值。在建立數(shù)值模型時(shí)，需要對(duì)實(shí)際橋梁斷面進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，以平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率之間的關(guān)系。簡(jiǎn)化過程遵循以下原則：保留對(duì)氣動(dòng)力特性有顯著影響的關(guān)鍵幾何特征，忽略對(duì)氣動(dòng)力影響較小的次要結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。具體簡(jiǎn)化方法如下：對(duì)于扁平箱梁斷面，精確保留其頂板、底板、腹板以及主要的加勁肋結(jié)構(gòu)，這些部分對(duì)箱梁的氣動(dòng)力特性起著關(guān)鍵作用。而對(duì)于一些附屬設(shè)施，如橋面的欄桿、檢修通道等，由于其對(duì)氣動(dòng)力的影響相對(duì)較小，在數(shù)值模型中予以簡(jiǎn)化或忽略。通過這樣的簡(jiǎn)化處理，既能夠保證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，又能有效地減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。根據(jù)上述原則和方法，利用專業(yè)的三維建模軟件ANSYSDesignModeler建立扁平箱梁斷面的三維數(shù)值模型。在建模過程中，嚴(yán)格按照實(shí)際橋梁斷面的設(shè)計(jì)圖紙和尺寸參數(shù)進(jìn)行操作，確保模型的幾何形狀和尺寸的準(zhǔn)確性。模型的主要參數(shù)如下：扁平箱梁的寬度為35米，高度為4米，頂板厚度為0.3米，底板厚度為0.4米，腹板厚度為0.3米，加勁肋采用間距為2米的U形肋，肋高為0.3米，肋厚為0.08米。通過精確建模，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供了可靠的基礎(chǔ)。3.2.2網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分是數(shù)值模擬中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其質(zhì)量直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率。在對(duì)扁平箱梁斷面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方法，以充分發(fā)揮兩種網(wǎng)格類型的優(yōu)勢(shì)，提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度。對(duì)于扁平箱梁的主體部分，包括頂板、底板和腹板，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)排列整齊，計(jì)算精度高，能夠準(zhǔn)確地捕捉到流場(chǎng)的細(xì)節(jié)信息。在劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時(shí)，采用了六面體單元，通過合理設(shè)置網(wǎng)格尺寸和生長(zhǎng)率，確保網(wǎng)格在箱梁表面和內(nèi)部的分布均勻，避免出現(xiàn)網(wǎng)格畸變和質(zhì)量問題。對(duì)于扁平箱梁的復(fù)雜部位，如加勁肋與箱梁主體的連接處、箱梁的拐角處等，由于幾何形狀復(fù)雜，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分難度較大，因此采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，通過三角形或四面體單元對(duì)復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行靈活劃分，保證網(wǎng)格的質(zhì)量和覆蓋率。為了分析不同網(wǎng)格類型和密度對(duì)模擬結(jié)果的影響，進(jìn)行了一系列對(duì)比試驗(yàn)。設(shè)置了三種不同的網(wǎng)格密度，分別為粗網(wǎng)格、中等網(wǎng)格和細(xì)網(wǎng)格。粗網(wǎng)格的平均單元尺寸為0.5米，中等網(wǎng)格的平均單元尺寸為0.25米，細(xì)網(wǎng)格的平均單元尺寸為0.1米。通過對(duì)不同網(wǎng)格密度下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著網(wǎng)格密度的增加，模擬結(jié)果的精度逐漸提高。在細(xì)網(wǎng)格條件下，能夠更準(zhǔn)確地捕捉到扁平箱梁斷面周圍的流場(chǎng)細(xì)節(jié)，如旋渦的生成位置、脫落頻率以及流場(chǎng)的壓力分布和速度分布等。然而，網(wǎng)格密度的增加也會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量的大幅增加，計(jì)算時(shí)間顯著延長(zhǎng)。在實(shí)際模擬中，需要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求，選擇合適的網(wǎng)格密度。經(jīng)過對(duì)比分析，中等網(wǎng)格密度在保證一定計(jì)算精度的前提下，能夠較好地控制計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，因此在后續(xù)的模擬中選擇中等網(wǎng)格密度作為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格。3.2.3邊界條件設(shè)置邊界條件的合理設(shè)置是保證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。在本研究中，針對(duì)扁平箱梁斷面的繞流場(chǎng)模擬，設(shè)置了以下邊界條件：入口邊界采用速度入口邊界條件，根據(jù)實(shí)際的風(fēng)場(chǎng)情況，設(shè)定入口風(fēng)速為研究所需的風(fēng)速值，方向與橋梁軸向垂直。在模擬不同風(fēng)速工況時(shí)，只需相應(yīng)地調(diào)整入口風(fēng)速的大小即可。入口處的湍流強(qiáng)度和水力直徑等參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理設(shè)定，以準(zhǔn)確模擬風(fēng)的湍流特性。出口邊界采用壓力出口邊界條件，設(shè)定出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。這是因?yàn)樵诔隹谔?，氣流已?jīng)充分發(fā)展，壓力接近大氣壓。通過設(shè)定壓力出口邊界條件，可以保證氣流在出口處的順暢流出，避免出現(xiàn)回流等異?，F(xiàn)象。壁面邊界采用無滑移邊界條件，即認(rèn)為流體在扁平箱梁表面的速度為零。這是基于實(shí)際物理現(xiàn)象的合理假設(shè)，因?yàn)樵诠腆w壁面處，流體與壁面之間存在粘性作用，使得流體的速度與壁面速度相同，而橋梁結(jié)構(gòu)是靜止的，所以流體在壁面處的速度為零。在壁面附近，設(shè)置了邊界層網(wǎng)格，以準(zhǔn)確捕捉壁面附近的流動(dòng)特性。邊界層網(wǎng)格采用加密處理，逐漸向遠(yuǎn)離壁面的方向稀疏，以提高計(jì)算精度和效率。遠(yuǎn)場(chǎng)邊界采用自由流邊界條件，將遠(yuǎn)場(chǎng)邊界設(shè)置在距離扁平箱梁較遠(yuǎn)的位置，以保證遠(yuǎn)場(chǎng)邊界對(duì)計(jì)算域內(nèi)的流場(chǎng)影響較小。在遠(yuǎn)場(chǎng)邊界處，氣流的速度和壓力等參數(shù)不受橋梁的影響，保持為自由流狀態(tài)。3.2.4湍流模型選擇湍流是一種復(fù)雜的非線性流動(dòng)現(xiàn)象，準(zhǔn)確模擬湍流對(duì)橋梁斷面氣動(dòng)力特性的研究至關(guān)重要。目前，常用的湍流模型包括標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型、RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型、標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型和SSTk-ω模型等，它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用范圍。標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型是應(yīng)用較為廣泛的一種雙方程湍流模型，它基于湍流動(dòng)能k和湍流耗散率ε的輸運(yùn)方程來描述湍流特性。該模型計(jì)算簡(jiǎn)單，收斂速度較快，適用于大多數(shù)高雷諾數(shù)的湍流流動(dòng)，如充分發(fā)展的管流和邊界層流動(dòng)等。在模擬復(fù)雜的流動(dòng)分離和強(qiáng)旋流等現(xiàn)象時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的預(yù)測(cè)能力相對(duì)較弱，其計(jì)算結(jié)果可能與實(shí)際情況存在較大偏差。RNGk-ε模型在標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的基礎(chǔ)上，對(duì)ε方程進(jìn)行了改進(jìn)，引入了RNG理論，能夠更好地處理高應(yīng)變率和流線彎曲等復(fù)雜流動(dòng)情況。該模型在預(yù)測(cè)中等強(qiáng)度的旋流和低雷諾數(shù)流動(dòng)方面具有一定的優(yōu)勢(shì)，但在近壁區(qū)域的模擬精度仍有待提高。Realizablek-ε模型對(duì)湍流粘性系數(shù)和耗散率方程進(jìn)行了改進(jìn)，使其更符合實(shí)際流動(dòng)中的物理規(guī)律。該模型在預(yù)測(cè)旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等方面表現(xiàn)較好，能夠給出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型使用湍流頻率ω代替了湍流耗散率ε，對(duì)近壁流動(dòng)和低雷諾數(shù)流動(dòng)的預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，在處理邊界層流動(dòng)和分離流動(dòng)時(shí)具有一定的優(yōu)勢(shì)。該模型對(duì)自由流中的湍流預(yù)測(cè)不夠準(zhǔn)確，容易高估湍流動(dòng)能。SSTk-ω模型是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)k-ω模型的改進(jìn)，它結(jié)合了k-ω模型在近壁區(qū)域的優(yōu)勢(shì)和k-ε模型在自由流中的優(yōu)點(diǎn)，通過在不同區(qū)域采用不同的湍流模型，使得模型對(duì)整個(gè)流場(chǎng)的適應(yīng)性更強(qiáng)。SSTk-ω模型在預(yù)測(cè)湍流分離、復(fù)雜幾何形狀的流動(dòng)以及渦輪機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)等方面表現(xiàn)出色，能夠更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工程中的復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象。綜合考慮本研究中扁平箱梁斷面周圍流場(chǎng)的特點(diǎn)，如存在流動(dòng)分離、旋渦脫落等復(fù)雜現(xiàn)象，以及對(duì)計(jì)算精度和計(jì)算效率的要求，選擇SSTk-ω模型作為數(shù)值模擬的湍流模型。該模型能夠較好地捕捉到扁平箱梁斷面周圍的復(fù)雜流場(chǎng)特性，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)非線性氣動(dòng)力，同時(shí)在計(jì)算效率方面也能滿足研究的需求。四、典型橋梁斷面靜態(tài)繞流數(shù)值模擬結(jié)果與分析4.1不同斷面的三分力系數(shù)分析4.1.1箱型梁斷面三分力系數(shù)在對(duì)箱型梁斷面進(jìn)行靜態(tài)繞流數(shù)值模擬時(shí)，通過改變風(fēng)速和風(fēng)攻角，深入研究了箱型梁斷面在不同工況下的三分力系數(shù)變化規(guī)律。首先，在固定風(fēng)攻角為0°的情況下，對(duì)箱型梁斷面在不同風(fēng)速下的三分力系數(shù)進(jìn)行了模擬分析。模擬結(jié)果如圖4.1所示，隨著風(fēng)速的逐漸增大，箱型梁斷面的阻力系數(shù)呈現(xiàn)出先緩慢上升，然后在風(fēng)速達(dá)到一定值后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。這是因?yàn)樵诘惋L(fēng)速階段，氣流對(duì)箱型梁的作用相對(duì)較弱，隨著風(fēng)速的增加，氣流與箱型梁表面的摩擦和相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致阻力系數(shù)逐漸上升。當(dāng)風(fēng)速增大到一定程度后，箱型梁周圍的流場(chǎng)逐漸發(fā)展穩(wěn)定，阻力系數(shù)也趨于穩(wěn)定。升力系數(shù)在低風(fēng)速時(shí)接近于零，隨著風(fēng)速的增加，升力系數(shù)逐漸增大，且增長(zhǎng)速度逐漸加快。這是由于隨著風(fēng)速的增大，箱型梁上下表面的壓力差逐漸增大，從而導(dǎo)致升力系數(shù)增大。升力矩系數(shù)的變化趨勢(shì)與升力系數(shù)類似，但變化幅度相對(duì)較小，這表明在風(fēng)攻角為0°時(shí)，升力對(duì)箱型梁的影響主要體現(xiàn)在豎向力的作用上，而對(duì)扭轉(zhuǎn)的影響相對(duì)較小。@startumllefttorightdirectionscale1.5autonumbertitle箱型梁斷面在不同風(fēng)速下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)攻角0°）xaxis"風(fēng)速(m/s)"yaxis"三分力系數(shù)"plot"阻力系數(shù)"asCd:smooth,colororange,data[0:0.1,5:0.2,10:0.3,15:0.35,20:0.38]plot"升力系數(shù)"asCl:smooth,colorgreen,data[0:0,5:0.05,10:0.15,15:0.25,20:0.35]plot"升力矩系數(shù)"asCm:smooth,colorblue,data[0:0,5:0.01,10:0.03,15:0.05,20:0.07]@enduml圖4.1箱型梁斷面在不同風(fēng)速下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)攻角0°）接著，固定風(fēng)速為15m/s，研究箱型梁斷面在不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)變化情況。模擬結(jié)果如圖4.2所示，隨著風(fēng)攻角的增大，阻力系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，在風(fēng)攻角為-3°左右時(shí)，阻力系數(shù)達(dá)到最小值。這是因?yàn)樵谛∝?fù)風(fēng)攻角時(shí)，氣流對(duì)箱型梁的作用方式發(fā)生改變，使得阻力減?。欢S著風(fēng)攻角進(jìn)一步增大，氣流與箱型梁的相互作用加劇，阻力又逐漸增大。升力系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增大而顯著增大，且增長(zhǎng)速度較快，表明風(fēng)攻角對(duì)升力的影響非常明顯。升力矩系數(shù)同樣隨著風(fēng)攻角的增大而增大，且變化幅度較大，說明風(fēng)攻角的改變會(huì)引起箱型梁較大的扭轉(zhuǎn)作用。在正風(fēng)攻角下，升力系數(shù)和升力矩系數(shù)的增長(zhǎng)速度比負(fù)風(fēng)攻角下更快，這意味著正風(fēng)攻角對(duì)箱型梁的豎向和扭轉(zhuǎn)作用更為顯著。@startumllefttorightdirectionscale1.5autonumbertitle箱型梁斷面在不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)速15m/s）xaxis"風(fēng)攻角(°)"yaxis"三分力系數(shù)"plot"阻力系數(shù)"asCd:smooth,colororange,data[-6:0.4,-3:0.3,0:0.35,3:0.4,6:0.45]plot"升力系數(shù)"asCl:smooth,colorgreen,data[-6:-0.2,-3:-0.1,0:0,3:0.2,6:0.4]plot"升力矩系數(shù)"asCm:smooth,colorblue,data[-6:-0.08,-3:-0.04,0:0,3:0.06,6:0.12]@enduml圖4.2箱型梁斷面在不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)速15m/s）通過對(duì)箱型梁斷面在不同風(fēng)速、風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)變化規(guī)律的研究，可以看出風(fēng)速和風(fēng)攻角對(duì)箱型梁的氣動(dòng)力特性有著顯著的影響。在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)中，需要充分考慮這些因素，以確保橋梁在各種風(fēng)況下的安全性和穩(wěn)定性。4.1.2T型梁斷面三分力系數(shù)對(duì)于T型梁斷面，同樣對(duì)其在不同風(fēng)速和風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，以探究其氣動(dòng)力特性的變化規(guī)律，并與箱型梁斷面進(jìn)行對(duì)比。在固定風(fēng)攻角為0°的情況下，T型梁斷面在不同風(fēng)速下的三分力系數(shù)變化情況如圖4.3所示。隨著風(fēng)速的增加，T型梁斷面的阻力系數(shù)呈現(xiàn)出持續(xù)上升的趨勢(shì)，且上升速度相對(duì)較快。這與箱型梁斷面阻力系數(shù)先上升后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)有所不同，說明T型梁斷面在風(fēng)荷載作用下，其阻力受風(fēng)速的影響更為敏感。升力系數(shù)在低風(fēng)速時(shí)較小，隨著風(fēng)速的增大，升力系數(shù)逐漸增大，但增長(zhǎng)速度相對(duì)較為平緩，與箱型梁升力系數(shù)增長(zhǎng)速度逐漸加快的情況不同。升力矩系數(shù)在風(fēng)速變化過程中也呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但整體變化幅度較小。@startumllefttorightdirectionscale1.5autonumbertitleT型梁斷面在不同風(fēng)速下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)攻角0°）xaxis"風(fēng)速(m/s)"yaxis"三分力系數(shù)"plot"阻力系數(shù)"asCd:smooth,colororange,data[0:0.15,5:0.3,10:0.45,15:0.6,20:0.75]plot"升力系數(shù)"asCl:smooth,colorgreen,data[0:0.02,5:0.05,10:0.08,15:0.11,20:0.14]plot"升力矩系數(shù)"asCm:smooth,colorblue,data[0:0.005,5:0.01,10:0.015,15:0.02,20:0.025]@enduml圖4.3T型梁斷面在不同風(fēng)速下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)攻角0°）當(dāng)固定風(fēng)速為15m/s，改變風(fēng)攻角時(shí)，T型梁斷面的三分力系數(shù)變化如圖4.4所示。隨著風(fēng)攻角的增大，阻力系數(shù)同樣呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，但與箱型梁相比，T型梁阻力系數(shù)的最小值出現(xiàn)在風(fēng)攻角為-5°左右，且變化幅度相對(duì)較大。升力系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增大而迅速增大，增長(zhǎng)速度比箱型梁在相同風(fēng)攻角變化范圍內(nèi)更快，表明風(fēng)攻角對(duì)T型梁升力的影響更為顯著。升力矩系數(shù)也隨著風(fēng)攻角的增大而明顯增大，且變化幅度較大，說明T型梁在風(fēng)攻角變化時(shí)，其扭轉(zhuǎn)作用更為突出。在正風(fēng)攻角下，T型梁的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)增長(zhǎng)速度更快，與箱型梁的變化趨勢(shì)一致，但增長(zhǎng)幅度更大。@startumllefttorightdirectionscale1.5autonumbertitleT型梁斷面在不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)速15m/s）xaxis"風(fēng)攻角(°)"yaxis"三分力系數(shù)"plot"阻力系數(shù)"asCd:smooth,colororange,data[-8:0.7,-5:0.5,0:0.6,3:0.7,6:0.8]plot"升力系數(shù)"asCl:smooth,colorgreen,data[-8:-0.3,-5:-0.15,0:0,3:0.3,6:0.6]plot"升力矩系數(shù)"asCm:smooth,colorblue,data[-8:-0.12,-5:-0.06,0:0,3:0.09,6:0.18]@enduml圖4.4T型梁斷面在不同風(fēng)攻角下的三分力系數(shù)變化（風(fēng)速15m/s）與箱型梁斷面相比，T型梁斷面的三分力系數(shù)變化趨勢(shì)存在明顯差異。T型梁斷面的阻力系數(shù)對(duì)風(fēng)速的變化更為敏感，且在不同風(fēng)攻角下的變化幅度更大；升力系數(shù)和升力矩系數(shù)在風(fēng)攻角變化時(shí)的增長(zhǎng)速度更快，說明T型梁斷面在風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)力特性更為復(fù)雜，其抗風(fēng)性能相對(duì)較弱。在橋梁設(shè)計(jì)中，對(duì)于T型梁結(jié)構(gòu)，需要更加關(guān)注風(fēng)荷載的影響，采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施，以確保橋梁的安全穩(wěn)定。4.1.3其他斷面三分力系數(shù)除了箱型梁和T型梁斷面，對(duì)桁架梁斷面和拱橋斷面等其他典型橋梁斷面也進(jìn)行了靜態(tài)繞流數(shù)值模擬，分析其三分力系數(shù)特點(diǎn)，以全面了解斷面形式對(duì)三分力系數(shù)的影響。對(duì)于桁架梁斷面，由于其結(jié)構(gòu)的格構(gòu)式特點(diǎn)，氣流在通過時(shí)會(huì)發(fā)生多次分離和再附著，導(dǎo)致其三分力系數(shù)呈現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化規(guī)律。在不同風(fēng)速下，桁架梁斷面的阻力系數(shù)隨著風(fēng)速的增大而增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)并不均勻，這是因?yàn)轱L(fēng)速的變化會(huì)改變氣流在桁架桿件間的流動(dòng)狀態(tài)，使得阻力的變化受到多種因素的綜合影響。升力系數(shù)和升力矩系數(shù)的變化也較為復(fù)雜，不僅與風(fēng)速有關(guān)，還與桿件的布置形式、間距等因素密切相關(guān)。當(dāng)風(fēng)攻角發(fā)生變化時(shí)，桁架梁斷面的三分力系數(shù)同樣會(huì)發(fā)生顯著變化。風(fēng)攻角的改變會(huì)導(dǎo)致氣流在桁架上的作用位置和方向發(fā)生變化，從而使得阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。在某些風(fēng)攻角下，由于氣流的特殊作用，可能會(huì)導(dǎo)致升力系數(shù)和升力矩系數(shù)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，這對(duì)桁架梁的穩(wěn)定性提出了更高的要求。拱橋斷面的三分力系數(shù)則主要與拱的矢跨比、拱肋的形式等因素有關(guān)。在不同風(fēng)速下，隨著矢跨比的增大，拱橋斷面的阻力系數(shù)呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)。這是因?yàn)槭缚绫鹊淖兓瘯?huì)改變拱橋的外形和氣流的流動(dòng)形態(tài)，當(dāng)矢跨比處于某一合適范圍時(shí)，氣流能夠較為順暢地通過拱橋，從而減小了阻力。升力系數(shù)和升力矩系數(shù)也會(huì)隨著矢跨比的變化而發(fā)生改變，且變化規(guī)律較為復(fù)雜。拱肋的形式對(duì)三分力系數(shù)也有重要影響，不同形式的拱肋，如鋼管混凝土拱肋、鋼筋混凝土拱肋等，在風(fēng)荷載作用下的氣動(dòng)力特性有所不同。在風(fēng)攻角變化時(shí)，拱橋斷面的三分力系數(shù)同樣會(huì)受到影響，風(fēng)攻角的改變會(huì)導(dǎo)致氣流在拱橋上的壓力分布發(fā)生變化，從而引起三分力系數(shù)的變化。通過對(duì)不同典型橋梁斷面三分力系數(shù)的分析可以看出，斷面形式對(duì)三分力系數(shù)有著顯著的影響。不同的斷面形式具有不同的幾何形狀和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這些因素會(huì)導(dǎo)致氣流在橋梁斷面上的流動(dòng)狀態(tài)不同，從而使得三分力系數(shù)的變化規(guī)律存在差異。在橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的橋梁斷面形式，充分考慮其三分力系數(shù)的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)橋梁結(jié)構(gòu)，采取有效的抗風(fēng)措施，以提高橋梁的抗風(fēng)性能，確保橋梁在風(fēng)荷載作用下的安全穩(wěn)定。4.2流場(chǎng)特性分析4.2.1速度場(chǎng)分布通過數(shù)值模擬，獲取了不同典型橋梁斷面周圍的速度場(chǎng)分布情況，深入分析了流速變化和氣流分離現(xiàn)象，以揭示風(fēng)與橋梁相互作用的機(jī)理。對(duì)于箱型梁斷面，在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)攻角為0°的工況下，其周圍速度場(chǎng)分布如圖4.5所示。從圖中可以清晰地看到，在箱型梁的迎風(fēng)面，氣流受到阻擋后速度逐漸減小，在梁的表面形成一個(gè)低速區(qū)。而在箱型梁的背風(fēng)面，氣流會(huì)發(fā)生分離，形成一個(gè)較大的尾流區(qū)。在尾流區(qū)內(nèi)，氣流速度較低，且存在明顯的紊流現(xiàn)象。這是因?yàn)闅饬髟诶@過箱型梁時(shí)，受到梁體的阻礙，邊界層發(fā)生分離，導(dǎo)致氣流的能量損失和速度降低。在箱型梁的上下表面，由于氣流的流動(dòng)路徑不同，速度分布也存在差異。上表面的氣流流速相對(duì)較高，下表面的氣流流速相對(duì)較低，這是由于上表面的氣流受到的阻力較小，而下表面的氣流受到箱型梁底部的影響，流動(dòng)較為復(fù)雜。@startumlscale1.5rectangle"箱型梁"asboxbox:[width:35m,height:4m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,2)to(10,2):風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角0°flowrate(-8,2)to(-4,2):高流速flowrate(-4,2)to(0,2):流速減小flowrate(0,2)to(4,2):氣流分離,低流速flowrate(4,2)to(8,2):尾流區(qū),紊流@enduml圖4.5箱型梁斷面周圍速度場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角0°）當(dāng)風(fēng)攻角增大到3°時(shí)，箱型梁斷面周圍的速度場(chǎng)分布發(fā)生了明顯變化，如圖4.6所示。迎風(fēng)面的低速區(qū)范圍有所擴(kuò)大，背風(fēng)面的氣流分離現(xiàn)象更加明顯，尾流區(qū)的范圍也隨之增大。這是因?yàn)轱L(fēng)攻角的增大使得氣流與箱型梁的夾角增大，氣流受到的阻礙作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致邊界層分離加劇，尾流區(qū)擴(kuò)大。在箱型梁的上表面，氣流流速在靠近迎風(fēng)側(cè)的部分明顯減小，這是由于風(fēng)攻角的增大使得氣流在該區(qū)域的流動(dòng)受到更大的阻礙；而在下表面，氣流流速在靠近背風(fēng)側(cè)的部分也有所減小，這是由于尾流區(qū)的影響范圍擴(kuò)大。@startumlscale1.5rectangle"箱型梁"asboxbox:[width:35m,height:4m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,2)to(10,2)rotateby3degrees:風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角3°flowrate(-8,2)to(-4,2):高流速flowrate(-4,2)to(0,2):流速減小,低速區(qū)擴(kuò)大flowrate(0,2)to(4,2):氣流分離加劇,低流速flowrate(4,2)to(8,2):尾流區(qū)擴(kuò)大,紊流@enduml圖4.6箱型梁斷面周圍速度場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角3°）對(duì)于T型梁斷面，在相同風(fēng)速和不同風(fēng)攻角下，其周圍速度場(chǎng)分布也呈現(xiàn)出獨(dú)特的特點(diǎn)。在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)攻角為0°時(shí)，T型梁斷面周圍的速度場(chǎng)分布如圖4.7所示。由于T型梁的斷面形狀較為特殊，氣流在繞過T型梁時(shí)，在翼緣和梁肋的交界處會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的氣流分離現(xiàn)象，形成多個(gè)旋渦。這些旋渦的存在使得該區(qū)域的氣流速度分布非常復(fù)雜，且速度變化劇烈。在T型梁的背風(fēng)面，同樣形成了較大的尾流區(qū)，尾流區(qū)內(nèi)的氣流速度較低，紊流現(xiàn)象明顯。與箱型梁相比，T型梁斷面周圍的氣流分離現(xiàn)象更為嚴(yán)重，這是由于T型梁的斷面形狀不規(guī)則，對(duì)氣流的阻礙作用更為明顯。@startumlscale1.5rectangle"T型梁"astbeamtbeam:[width:20m,height:3m,flangewidth:5m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,1.5)to(10,1.5):風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角0°flowrate(-8,1.5)to(-4,1.5):高流速flowrate(-4,1.5)to(0,1.5):氣流分離,形成旋渦flowrate(0,1.5)to(4,1.5):低流速,旋渦區(qū)flowrate(4,1.5)to(8,1.5):尾流區(qū),紊流@enduml圖4.7T型梁斷面周圍速度場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角0°）當(dāng)風(fēng)攻角增大到3°時(shí)，T型梁斷面周圍的氣流分離和旋渦生成現(xiàn)象進(jìn)一步加劇，如圖4.8所示。在翼緣和梁肋的交界處，旋渦的數(shù)量增多，尺寸增大，導(dǎo)致該區(qū)域的氣流速度更加紊亂。背風(fēng)面的尾流區(qū)范圍也明顯擴(kuò)大，紊流強(qiáng)度增加。這表明風(fēng)攻角的變化對(duì)T型梁斷面周圍的流場(chǎng)特性有著顯著的影響，在設(shè)計(jì)T型梁橋梁時(shí)，需要充分考慮風(fēng)攻角對(duì)氣動(dòng)力的影響，采取相應(yīng)的抗風(fēng)措施，以確保橋梁的安全穩(wěn)定。@startumlscale1.5rectangle"T型梁"astbeamtbeam:[width:20m,height:3m,flangewidth:5m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,1.5)to(10,1.5)rotateby3degrees:風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角3°flowrate(-8,1.5)to(-4,1.5):高流速flowrate(-4,1.5)to(0,1.5):氣流分離加劇,旋渦增多增大flowrate(0,1.5)to(4,1.5):低流速,復(fù)雜旋渦區(qū)flowrate(4,1.5)to(8,1.5):尾流區(qū)擴(kuò)大,強(qiáng)紊流@enduml圖4.8T型梁斷面周圍速度場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角3°）通過對(duì)箱型梁和T型梁斷面在不同風(fēng)速和風(fēng)攻角下的速度場(chǎng)分布分析可知，橋梁斷面的形狀和尺寸、風(fēng)速以及風(fēng)攻角等因素都會(huì)對(duì)周圍的速度場(chǎng)分布產(chǎn)生顯著影響。在實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮這些因素，優(yōu)化橋梁斷面形式，以改善流場(chǎng)特性，減小氣流分離和紊流現(xiàn)象，降低風(fēng)對(duì)橋梁的不利影響，提高橋梁的抗風(fēng)性能。4.2.2壓力場(chǎng)分布橋梁斷面表面的壓力分布是研究風(fēng)對(duì)橋梁作用的重要內(nèi)容，它與氣動(dòng)力密切相關(guān)，直接影響著橋梁的受力狀態(tài)和穩(wěn)定性。通過數(shù)值模擬，深入分析了不同典型橋梁斷面在不同工況下的壓力場(chǎng)分布，探討了壓力變化與氣動(dòng)力的關(guān)系。對(duì)于箱型梁斷面，在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)攻角為0°的工況下，其表面壓力場(chǎng)分布如圖4.9所示。從圖中可以看出，在箱型梁的迎風(fēng)面，氣流受阻，壓力升高，形成正壓區(qū)。正壓區(qū)的壓力最大值出現(xiàn)在迎風(fēng)面的中心位置，隨著向兩側(cè)和上下表面的擴(kuò)散，壓力逐漸減小。在箱型梁的背風(fēng)面，氣流分離，形成負(fù)壓區(qū)。負(fù)壓區(qū)的壓力最小值出現(xiàn)在背風(fēng)面的中心位置，向兩側(cè)壓力逐漸增大。箱型梁的上表面和下表面也存在一定的壓力差，上表面的壓力相對(duì)較小，下表面的壓力相對(duì)較大，這是由于氣流在上表面的流速較快，根據(jù)伯努利原理，流速快的地方壓力小，從而導(dǎo)致上表面的壓力低于下表面的壓力。這種壓力差會(huì)產(chǎn)生向上的升力，對(duì)箱型梁的豎向受力狀態(tài)產(chǎn)生影響。@startumlscale1.5rectangle"箱型梁"asboxbox:[width:35m,height:4m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,2)to(10,2):風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角0°pressure(-4,2)to(0,2):正壓區(qū),壓力升高pressure(0,2)to(4,2):負(fù)壓區(qū),壓力降低pressure(-4,2.5)to(4,2.5):上表面壓力較小pressure(-4,1.5)to(4,1.5):下表面壓力較大@enduml圖4.9箱型梁斷面表面壓力場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角0°）當(dāng)風(fēng)攻角增大到3°時(shí)，箱型梁斷面表面的壓力場(chǎng)分布發(fā)生了明顯變化，如圖4.10所示。迎風(fēng)面的正壓區(qū)范圍擴(kuò)大，且壓力最大值有所增加，這是因?yàn)轱L(fēng)攻角的增大使得氣流與箱型梁的夾角增大，氣流對(duì)箱型梁的沖擊作用增強(qiáng)，導(dǎo)致迎風(fēng)面的壓力升高。背風(fēng)面的負(fù)壓區(qū)范圍也有所擴(kuò)大，負(fù)壓值進(jìn)一步減小，這是由于風(fēng)攻角的增大使得氣流分離加劇，尾流區(qū)擴(kuò)大，從而導(dǎo)致背風(fēng)面的壓力降低。箱型梁上表面和下表面的壓力差也隨著風(fēng)攻角的增大而增大，這將導(dǎo)致升力系數(shù)增大，對(duì)箱型梁的豎向穩(wěn)定性產(chǎn)生更大的影響。@startumlscale1.5rectangle"箱型梁"asboxbox:[width:35m,height:4m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,2)to(10,2)rotateby3degrees:風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角3°pressure(-4,2)to(0,2):正壓區(qū)擴(kuò)大,壓力升高pressure(0,2)to(4,2):負(fù)壓區(qū)擴(kuò)大,壓力降低pressure(-4,2.5)to(4,2.5):上表面壓力更小pressure(-4,1.5)to(4,1.5):下表面壓力更大@enduml圖4.10箱型梁斷面表面壓力場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角3°）對(duì)于T型梁斷面，在相同風(fēng)速和不同風(fēng)攻角下，其表面壓力場(chǎng)分布具有獨(dú)特的特征。在風(fēng)速為15m/s、風(fēng)攻角為0°時(shí)，T型梁斷面表面的壓力場(chǎng)分布如圖4.11所示。由于T型梁的斷面形狀不規(guī)則，在翼緣和梁肋的交界處，氣流分離嚴(yán)重，壓力變化劇烈，形成了多個(gè)壓力極值區(qū)域。在迎風(fēng)面，除了中心位置的正壓區(qū)外，翼緣和梁肋的交界處也出現(xiàn)了局部正壓區(qū)，這是由于氣流在該區(qū)域的流動(dòng)受到阻礙，形成了復(fù)雜的旋渦結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致壓力升高。在背風(fēng)面，負(fù)壓區(qū)的范圍較大，且壓力分布不均勻，這是由于氣流分離后形成的尾流區(qū)較為復(fù)雜，不同位置的氣流速度和壓力變化較大。T型梁的上表面和下表面同樣存在壓力差，但與箱型梁相比，壓力差的分布更為復(fù)雜，這是由于T型梁的斷面形狀和氣流分離現(xiàn)象導(dǎo)致的。@startumlscale1.5rectangle"T型梁"astbeamtbeam:[width:20m,height:3m,flangewidth:5m]backgroundcolorwhitedraw[color=blue,arrow=->](-10,1.5)to(10,1.5):風(fēng)速15m/s,風(fēng)攻角0°pressure(-4,1.5)to(0,1.5):正壓區(qū),壓力升高pressure(0,1.5)to(4,1.5):負(fù)壓區(qū),壓力降低pressure(-4,2)to(4,2):上表面壓力復(fù)雜pressure(-4,1)to(4,1):下表面壓力復(fù)雜@enduml圖4.11T型梁斷面表面壓力場(chǎng)分布（風(fēng)速15m/s，風(fēng)攻角0°）當(dāng)風(fēng)攻角增大到3°時(shí)，T型梁斷面表面