山區(qū)高墩橋梁橋址風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬*

楊鴻波　江為學(xué)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

山區(qū)高墩橋梁橋址風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬*

楊鴻波江為學(xué)

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要采用結(jié)合橋址處地形進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬的方法獲得大橋橋址處未設(shè)風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)所需的基本風(fēng)速。建立三維數(shù)字地形模型并導(dǎo)入流場(chǎng)求解軟件，劃分網(wǎng)格，進(jìn)行流場(chǎng)的數(shù)值模擬。以Navier-Stokes方程為基本控制方程，采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場(chǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型。通過風(fēng)速修正系數(shù)考察橋位風(fēng)速與氣象站的風(fēng)速關(guān)系。最后根據(jù)修正系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)指數(shù)α的擬合，確定橋位場(chǎng)地類別接近C類場(chǎng)地。

關(guān)鍵詞風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬Navier-Stokes方程湍流模型風(fēng)速修正系數(shù)

在國(guó)家西南部地區(qū)，眾多待建橋梁橋址處沒有足夠的風(fēng)速站風(fēng)速資料，而基本風(fēng)速是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)研究最基本的資料。獲得橋位風(fēng)速的方法有物理風(fēng)洞試驗(yàn)方法和數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)。傳統(tǒng)的物理風(fēng)洞試驗(yàn)方法是依據(jù)運(yùn)動(dòng)相似性原理和流動(dòng)相似性原理，在風(fēng)洞中安裝建筑物模型和地形模型，研究建筑物的空氣動(dòng)力學(xué)特性的方法。物理風(fēng)洞試驗(yàn)方法雖然具有準(zhǔn)確直觀的特點(diǎn)，但是也存在周期長(zhǎng)、成本高、有縮尺效應(yīng)等限制[1-2]。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)是基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理，選擇合適的空氣湍流數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合適當(dāng)?shù)臄?shù)值算法模擬空氣動(dòng)力特性。數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)具有模擬真實(shí)風(fēng)環(huán)境的能力，并且可以構(gòu)建原型尺度的計(jì)算模型，有效彌補(bǔ)了物理風(fēng)洞試驗(yàn)方法的不足[3]。

本文針對(duì)貴州某大型橋梁橋址處的基本風(fēng)速求解問題，應(yīng)用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場(chǎng)，使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型，求解獲得橋位風(fēng)速與氣象站的風(fēng)速關(guān)系。

1　三維數(shù)字地形建模

為了實(shí)現(xiàn)橋址周圍地形風(fēng)環(huán)境的模擬，需虛擬生成山區(qū)三維數(shù)字地形，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里虛擬再現(xiàn)橋址周圍的地形地貌。利用橋位附近區(qū)域局部的精細(xì)平面等高線分布圖，并結(jié)合googleearth提供更大范圍的空地地形分布圖。見圖1～圖2。

圖1　橋位附近地形等高線圖

圖2　Google Earth獲取的地形圖

通過選取的上述等高線分布圖及大范圍地形圖，生成對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)空間點(diǎn)，見圖3，總共生成的模型空間點(diǎn)約5萬(wàn)左右。

圖3　地形空間坐標(biāo)點(diǎn)分布圖

利用上述獲得的空間點(diǎn)坐標(biāo)，利用逆向工程原理，通過空間點(diǎn)集反向擬合生成所需要的三維數(shù)字地形曲面，見圖4。通過把三維數(shù)字地形模型導(dǎo)出，從而完成三維數(shù)字地形的建模處理。

圖4　逆向擬合生成的數(shù)字三維地形圖

2　地形風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

將得到三維數(shù)字地形模型導(dǎo)入流場(chǎng)求解軟件，并進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，在地形變化較大的區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)較密，地形較平坦區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，整體網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量約500萬(wàn)，見圖5～圖6。

圖5　大橋周圍山區(qū)地形幾何模型圖

圖6　大橋山區(qū)地形表面網(wǎng)格劃分圖

流場(chǎng)的數(shù)值模擬是以Navier-Stokes方程(繞流風(fēng)的連續(xù)性方程及動(dòng)量守恒方程)為基本控制方程，采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場(chǎng)。湍流模型是模擬均值化的流場(chǎng)，對(duì)難以分辨的小尺度渦在均值化過程加以忽略，而被忽略的小尺度渦在湍流模型中體現(xiàn)。本文采用基于時(shí)間平均的雷諾均值Navier-Stokes方程(RANS)模型中使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程湍流模型[4-5]，計(jì)算方法及參數(shù)列表見表1。

表1　計(jì)算方法及參數(shù)列表

流體入口邊界條件：采用B類風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)剖面作為來(lái)流入口，大氣邊界層風(fēng)速設(shè)為10m/s；出口邊界條件為：壓力出口邊界條件；無(wú)滑移固壁條件：地形地面，見圖7。數(shù)值模擬考慮范圍：以橋位中心附近4km范圍的地形進(jìn)行數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

圖7　計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置

風(fēng)向考慮該地區(qū)的大風(fēng)方向?yàn)闁|北向，見圖8，在橋位上設(shè)置14個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所有的風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過與設(shè)置地面附近的氣象站風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速的大小對(duì)比來(lái)標(biāo)定橋位處的風(fēng)速分布。

圖8　計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置

風(fēng)速測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)分別為：橋面上各個(gè)橋墩位置及主跨的跨中位置分別對(duì)應(yīng)的1～7測(cè)點(diǎn)，主橋墩的3個(gè)測(cè)點(diǎn)(橋墩1/4，1/2，3/4高度處)及旁邊4個(gè)橋墩中間位置處布置的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖9。

圖9　橋位風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

3　分析結(jié)果

為了考察橋位風(fēng)速與氣象站的風(fēng)速關(guān)系，定義風(fēng)速修正系數(shù)：

通過數(shù)值模擬可以得到不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速修正系數(shù)，利用此修正系數(shù)可以獲得設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速與氣象站基本風(fēng)速的關(guān)系。通過分析得到的修正系數(shù)見表2，橋位空間各風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速修正系數(shù)分布見圖10，地形風(fēng)壓云圖見圖11，地形流場(chǎng)見圖12～13。

表2　各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)風(fēng)速修正列表

圖10　橋位空間各風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速修正系數(shù)分布圖

圖11　地形表面風(fēng)壓云圖顯示

圖12　地形切面流場(chǎng)顯示

圖13　地形表面流場(chǎng)顯示

為了進(jìn)一步獲得場(chǎng)地地形類別參數(shù)，將橋位處不同高度的修正系數(shù)與橋位10m高度的修正系數(shù)(數(shù)值計(jì)算為0.78)相比，建立橋位風(fēng)速修正系數(shù)關(guān)系圖見圖14。根據(jù)此修正系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)指數(shù)α的擬合，擬合結(jié)果顯示α=0.21最接近分析結(jié)果。由此可見橋位場(chǎng)地類別接近C類場(chǎng)地。

圖14　風(fēng)場(chǎng)指數(shù)擬合結(jié)果

4　結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬分析得到的修正系數(shù)，可以建立橋位基準(zhǔn)風(fēng)速與基本風(fēng)速的修正系數(shù)(與《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的高度修正系數(shù)一致)。由表2可見，主梁高度最不利修正系數(shù)為1.46，因此可以偏保守選用此修正系數(shù)作為風(fēng)速確定的依據(jù)，同時(shí)橋位風(fēng)場(chǎng)類別可確定為C類。

參考文獻(xiàn)

[1]黃志淵,陳燊.橋面風(fēng)環(huán)境的數(shù)值風(fēng)洞研究[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2007(1):95-99.

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[5]艾輝林.大渦模擬在橋梁風(fēng)工程中的應(yīng)用[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007．

收稿日期：2015-06-26

CollisionProtectionDesignforNorthBranch
BridgeofWuhanTianxingzhouYangtzeRiverBridge

Jiang Yimin

(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

Abstract：This article introduced the necessity of installing anti-collision equipment within navigation opening bridge, together with principle and mechanism of installation of anti-collision equipment, in the context of an actual project of north branch bridge of Wuhan Tianxingzhou Yangtze River Bridge. It also introduced and analyzed the computation principle and method of ship collision force applied to piers, with a detailed presentation of anti-collision equipment applied to the project referred above.

Key words:pier anti-collision; floating anti-collision device; design

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.012

*貴州省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目(2010-122-017)資助