懸索橋行車風(fēng)環(huán)境研究

王同順，鄭亮

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京210017；2.上海黃埔江大橋建設(shè)有限公司，上海市200090）

懸索橋行車風(fēng)環(huán)境研究

王同順1，鄭亮2

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇南京210017；2.上海黃埔江大橋建設(shè)有限公司，上海市200090）

某懸索橋位于平原地區(qū)，為了提高其運(yùn)營(yíng)管理效率并且保障行車安全，對(duì)橋面行車風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究。采用數(shù)值風(fēng)洞的方法，對(duì)主橋、引橋跨中截面二維流場(chǎng)以及橋塔區(qū)的三維流場(chǎng)進(jìn)行了研究，并且提出了兩種風(fēng)障設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)等效橋面風(fēng)速計(jì)影響系數(shù)的對(duì)比研究，確定了風(fēng)障方案的擋風(fēng)效果，為大橋的行車安全提供保障。

懸索橋；行車風(fēng)環(huán)境；風(fēng)障；數(shù)值風(fēng)洞

0 引言

風(fēng)致行車安全事故研究近年來得到了國(guó)內(nèi)外橋梁運(yùn)營(yíng)管理部門以及專家學(xué)者的高度重視，主要是由于大風(fēng)所致行車安全事故在造成車輛毀壞和交通中斷的同時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生人員傷亡以及直接和間接經(jīng)濟(jì)損失，造成惡劣的社會(huì)影響[1]。懸索橋是一種特大型的橋梁工程，投資大，在政治上、經(jīng)濟(jì)上的影響比較大，為了提高橋梁運(yùn)營(yíng)管理效率，保障行車安全，需要進(jìn)行橋面行車風(fēng)環(huán)境研究[2]。

1 概述

某懸索橋設(shè)計(jì)全長(zhǎng)726 m，采用雙向6車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)行車速度為100 km/h。該橋主跨406 m。全橋?yàn)槠◇w系，在塔梁連接處設(shè)有橫向抗風(fēng)支座，主梁采用流線型的扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，雙排平行主纜，門式橋塔，橋塔造型新穎，構(gòu)造復(fù)雜。圖1為主橋結(jié)構(gòu)立面圖，圖2為主梁斷面構(gòu)造圖。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)立面示意圖（單位：cm）

圖2 主梁斷面構(gòu)造圖（單位：cm）

該橋橋位沿線均屬于暖溫帶大陸性氣候，冷暖氣團(tuán)交替頻繁，四季分明。瞬時(shí)最大風(fēng)速為28 m/s，全年平均大風(fēng)天數(shù)22.6 d。按照已建成橋梁的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)橋面實(shí)際瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到19 m/s時(shí)，微型客車、輕型客車和空載集裝箱車就將面臨通行安全問題。本研究對(duì)該橋主橋截面、引橋截面以及橋塔區(qū)的行車風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究，并提出了有效的風(fēng)障措施來改善橋面行車安全。

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

首先按照設(shè)計(jì)方所提供的結(jié)構(gòu)尺寸圖建立主梁的幾何模型，然后進(jìn)行空間區(qū)域的網(wǎng)格劃分。幾何模型主要包括主梁、防撞欄桿、防撞墻、風(fēng)障等構(gòu)件。橋梁斷面的特征截面主要選取主橋和引橋兩個(gè)位置。為了考慮橋塔區(qū)對(duì)主橋橋面風(fēng)環(huán)境的三維影響，針對(duì)主橋的橋塔及其一定范圍內(nèi)的主橋面進(jìn)行三維模型的建立。幾何模型主要由橋塔、主梁（防撞墻、護(hù)欄、風(fēng)障等）組成。結(jié)構(gòu)幾何模型如圖3所示。針對(duì)計(jì)算區(qū)域采用多塊混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，同時(shí)在靠近主梁、橋塔等區(qū)域進(jìn)行一定的局部加密。這樣可以在我們關(guān)心的重要區(qū)域網(wǎng)格做到細(xì)密，非重要區(qū)域網(wǎng)格相對(duì)略粗，保證在總體網(wǎng)格數(shù)不變的情況下，提高了計(jì)算的精度，節(jié)約了有限的計(jì)算機(jī)資源[3]。

圖3 計(jì)算截面幾何模型

3 計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置

流場(chǎng)的數(shù)值模擬是以Navi er-St okes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)。在Navi er-St okes方程求解中，采用直接數(shù)值求解（DNS）可精確描述繞流流動(dòng)，但對(duì)三維高雷諾數(shù)繞流流動(dòng)，這種數(shù)值模擬的計(jì)算量是難以承受的，在工程上常采用湍流模型來計(jì)算。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)。

本研究報(bào)告采用基于時(shí)間平均的雷諾均值Navi er-St okes方程（RANS）模型中使用最廣泛的Real i zabl ek-ε雙方程湍流模型，計(jì)算方法及參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算方法及參數(shù)列表

邊界條件設(shè)置：流體入口邊界條件采用了均勻來流的速度進(jìn)口；出口邊界條件為壓力出口邊界條件；無滑移固壁條件為橋塔、橋面、風(fēng)障、防撞欄桿、防撞墻等。圖4為計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置。

圖4 計(jì)算區(qū)域邊界條件設(shè)置

4 橋面行車高度風(fēng)環(huán)境研究

在計(jì)算區(qū)域設(shè)置一定的入口速度，通過數(shù)值求解可獲得主梁區(qū)域的流場(chǎng)分布，從而可評(píng)估主梁區(qū)域的風(fēng)環(huán)境。主要研究空間風(fēng)速的變化，引入速度系數(shù)變量α來分析流場(chǎng)，該變量定義為：

式中：α為速度系數(shù)；υmean為研究空間某點(diǎn)的平均速度，m/s；υin為入口風(fēng)速，m/s。

通過該系數(shù)的大小就可判斷橋塔空間區(qū)域某點(diǎn)的風(fēng)速相對(duì)大小。系數(shù)越大表示該點(diǎn)風(fēng)速大，系數(shù)越小表示該點(diǎn)風(fēng)速小，系數(shù)大于1表示該點(diǎn)風(fēng)速大于來流風(fēng)速，系數(shù)小于1表示該點(diǎn)風(fēng)速小于來流風(fēng)速。

考慮車道中心線，橋面以上10 m范圍為風(fēng)速監(jiān)測(cè)位置，按照風(fēng)速來流方向分別定義為車道6、車道5、車道4、車道3、車道2、車道1。為了便于研究橋塔區(qū)橋面的風(fēng)環(huán)境，在順橋向位置分別選取了研究位置：橋塔中心到外側(cè)2 m、4 m、6 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m及離橋塔50 m遠(yuǎn)的位置。在離橋塔50 m遠(yuǎn)時(shí)，可認(rèn)為橋面的風(fēng)環(huán)境受橋塔的影響已經(jīng)很小，可忽略[4]。橫橋向車道選取與二維相同。通過計(jì)算，得到不同工況下流場(chǎng)分布以及各車道風(fēng)速剖面（見圖5～圖7）。

圖5 主橋及引橋截面流場(chǎng)顯示

圖6 主橋及引橋截面各車道風(fēng)剖面顯示

圖7 橋塔區(qū)繞流場(chǎng)及風(fēng)速剖面顯示

5 橋面風(fēng)障設(shè)置

風(fēng)障考慮兩種布置方式：主橋橋面分別布置為4道和3道，引橋橋面分別布置為5道和4道，風(fēng)障布置方式如圖8所示[5]。在橋塔區(qū)，設(shè)置過渡風(fēng)障，防止氣流突變[6]。

圖8 橋面風(fēng)障布置方式

6 等效橋面風(fēng)速及影響系數(shù)

為了比較來流風(fēng)速和橋面不同高度位置風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系，定義了等效橋面風(fēng)速和影響系數(shù)。由于主梁和欄桿等附屬結(jié)構(gòu)的影響，均勻的側(cè)向來流風(fēng)速在橋面形成一定厚度的邊界層。為了比較，根據(jù)側(cè)向氣動(dòng)力等效原則定義等效橋面風(fēng)速如下：

式中：zr為汽車所處的高度范圍（m），一般的基本乘用車和交叉型乘用車選取高度范圍為3.0 m，中型客車、大型客車和大型廂式貨車高度范圍選為5.0 m；u（z）為距橋面高度z處的風(fēng)速，m/s。

橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境的影響用橋面等效風(fēng)速與實(shí)際風(fēng)速的比值表示，定義其為影響系數(shù)λs：

式中：Ueff為橋面等效風(fēng)速，m/s；U∞為實(shí)際風(fēng)速，m/s。

計(jì)算獲得不同行車道位置5.0 m和3.0 m高度范圍的影響系數(shù)（見表2、表3）。通過對(duì)比施加風(fēng)障前后的效果可以看出：施加風(fēng)障后，各截面的流場(chǎng)分布和和不同高度范圍內(nèi)的車道位置影響系數(shù)，與沒有風(fēng)障時(shí)相比，各車道位置影響系數(shù)有明顯降低，風(fēng)障的減風(fēng)效果明顯。主橋布置4道風(fēng)障的效果略好于3道，引橋布置5道風(fēng)障的效果略好于4道。

針對(duì)橋塔區(qū)域，計(jì)算獲得不同距離。距橋塔中心不同距離各車道范圍風(fēng)速影響系數(shù)曲線如圖9～圖11所示。從圖中可以看出，由于受到塔柱的影響：無風(fēng)障時(shí)，橋塔區(qū)域各車道風(fēng)速影響系數(shù)變化劇烈，且橋塔附近出現(xiàn)增大效應(yīng)；在設(shè)置風(fēng)障后，風(fēng)速影響系數(shù)曲線變化趨緩，橋塔附近風(fēng)速增大效應(yīng)也有所消除。

表2 高度范圍5 m橋面不同行車道位置影響系數(shù)

表3 高度范圍3 m橋面不同行車道位置影響系數(shù)

圖9 無風(fēng)障時(shí)橋塔區(qū)各車道風(fēng)速影響系數(shù)

圖10 4道風(fēng)障時(shí)橋塔區(qū)各車道風(fēng)速影響系數(shù)

圖11 3道風(fēng)障時(shí)橋塔區(qū)各車道風(fēng)速影響系數(shù)

7 結(jié)論

通過對(duì)該橋橋面行車風(fēng)環(huán)境研究，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)通過良好的網(wǎng)格劃分、合理的計(jì)算方法選擇及邊界條件設(shè)置，能夠較好地得到構(gòu)件周圍流場(chǎng)分布。

（2）施加風(fēng)障后，各截面的流場(chǎng)分布和和不同高度范圍內(nèi)的車道位置影響系數(shù)與沒有風(fēng)障時(shí)相比，各車道位置影響系數(shù)有明顯降低，風(fēng)障的減風(fēng)效果明顯。主橋布置4道風(fēng)障的效果略好于3道，引橋布置5道風(fēng)障的效果略好于4道。

（3）由于受到塔柱的影響：無風(fēng)障時(shí)，橋塔區(qū)域各車道風(fēng)速影響系數(shù)變化劇烈，且橋塔附近出現(xiàn)增大效應(yīng)；在設(shè)置風(fēng)障后，風(fēng)速影響系數(shù)曲線變化趨緩，橋塔附近風(fēng)速增大效應(yīng)也有所消除。

[1] 陳艾榮,王達(dá)磊,龐加斌.跨海長(zhǎng)橋風(fēng)致行車安全研究[J].橋梁建設(shè)，2006(3):1-4．

[2] 王達(dá)磊.橋梁風(fēng)致行車安全研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2010．

[3] 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．

[4] T.Argent i ni,E.Ozkan,D.Rocchi,etal.Cross-wind effectsona vehicle crossing the wake of a bridge pylon[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.2011,99(6):734-740．

[5] 董香婷.風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2006．

[6] S.Charuvisit,K.Kimura&Y.Fujino.Effects of wind barrier on a vehicle passing in the wake of a bridge tower in crosswind and its response[J].Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics.2004,92(7-8):609-639.

U448.25

A

1009-7716（2017）11-0193-04

2017-07-17

王同順(1978-),男,江蘇南京人,工程師,從事水土保持、工程管理工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.058