某斜拉橋橋塔區(qū)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.上海黃浦江大橋建設(shè)有限公司，上海市 200090）

某斜拉橋橋塔區(qū)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.上海黃浦江大橋建設(shè)有限公司，上海市 200090）

采用數(shù)值風(fēng)洞的方法，對某斜拉橋橋塔區(qū)三維流場數(shù)值模擬，通過在無監(jiān)控室、無風(fēng)障、有風(fēng)障三種情況下橋塔區(qū)行車高度風(fēng)環(huán)境的研究，結(jié)果表明：無風(fēng)障時，由于受到塔柱的影響，橋塔區(qū)域各車道風(fēng)速影響系數(shù)變化劇烈，且橋塔附近增大效應(yīng)明顯；無監(jiān)控室時，風(fēng)速影響系數(shù)最大值變化不大，監(jiān)控室對橋塔區(qū)行車風(fēng)環(huán)境影響較??；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)速影響系數(shù)突變得到有效消除。設(shè)置風(fēng)障能夠有效保障大風(fēng)環(huán)境下行車安全。

斜拉橋；數(shù)值風(fēng)洞；風(fēng)障；風(fēng)速影響系數(shù)

0 引言

橋梁行車風(fēng)環(huán)境問題在國內(nèi)外橋梁設(shè)計、建設(shè)及運營管理中越來越受到重視[1]。根據(jù)已建成橋梁的經(jīng)驗，當(dāng)橋面實際瞬時風(fēng)速達(dá)到19 m/s時，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[2]，如何采取有效措施提高大橋風(fēng)天的通行安全，提高橋梁運營效率無疑是該橋建設(shè)和運營管理必須要解決的問題。目前降低橋面行車風(fēng)環(huán)境的有效工程措施主要是加設(shè)風(fēng)障[3]。國內(nèi)外已加設(shè)風(fēng)障的橋梁有英國Severn懸索橋、Severn二橋，法國Millau高架橋，中國杭州灣跨海大橋、青馬大橋等[4-5]。本文以某斜拉橋橋塔區(qū)行車道橋面行車高度范圍風(fēng)速影響系數(shù)的最大值不超過同等高度非橋塔區(qū)主梁橋面行車高度范圍的風(fēng)速影響系數(shù)為控制目標(biāo)，采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)進(jìn)行橋塔區(qū)橋面繞流仿真分析，結(jié)合控制目標(biāo)，評價風(fēng)障的減風(fēng)效果，為后期橋梁風(fēng)天的通行安全和提高橋梁運營效率提供數(shù)據(jù)和理論支撐。

1 工程概況

某斜拉橋的大橋全長6.017 km，主橋長1.074 km，主跨 590 m，總寬 35.95 m（見圖 1），設(shè)雙向 8車道，設(shè)計時速80 km，最大荷載為汽-超20級。主塔呈A形，主塔高217 m；拉索采用扇形平面布置，共30對240根。該橋橋位屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，溫和濕潤，四季分明；歷史瞬時最大風(fēng)速為22 m/s，大于8級的大風(fēng)日年均22 d。

圖1 主梁跨中標(biāo)準(zhǔn)橫斷面布置圖（單位:mm）

風(fēng)障布置于檢修道欄桿上，在橋塔中心線向外20 m范圍內(nèi)，采用7道風(fēng)障，每道風(fēng)障高280 mm，透風(fēng)率43%；往外12 m范圍內(nèi)布置5道風(fēng)障；9 m范圍內(nèi)布置3道風(fēng)障；9 m范圍內(nèi)布置2道風(fēng)障。單塔柱風(fēng)障布置范圍總長度99 m。風(fēng)障布置方案如圖2和圖3所示。

圖2 風(fēng)障縱橋向布置（單位：m）

圖3 風(fēng)障立面布置圖（單位：mm）

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

為了考慮橋塔區(qū)對主橋橋面風(fēng)環(huán)境的三維影響，針對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。首先按照設(shè)計方所提供的結(jié)構(gòu)圖建立了主梁的幾何模型，然后進(jìn)行空間區(qū)域的網(wǎng)格劃分。幾何模型主要包括橋塔、主梁（防撞護(hù)欄、風(fēng)障等）組成，忽略主梁底部小縱梁、檢修車道等對橋面行車風(fēng)環(huán)境沒有影響的構(gòu)件。

針對橋塔計算區(qū)域采用多塊混合網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格數(shù)量為2 500萬左右，同時在靠近橋塔區(qū)域進(jìn)行一定的局部加密。這樣可以在重要區(qū)域網(wǎng)格做到細(xì)密，非重要區(qū)域網(wǎng)格相對略粗，保證在總體網(wǎng)格數(shù)不變的情況下，提高了計算的精度，節(jié)約了有限的計算機(jī)資源[6]。結(jié)構(gòu)幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖4 a所示。

圖4 結(jié)構(gòu)幾何模型及計算區(qū)域邊界條件設(shè)置

3 計算方法及邊界條件設(shè)置

流場的數(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。在Navier-Stokes方程求解中，采用直接數(shù)值求解（DNS）可精確描述繞流流動，但對三維高雷諾數(shù)繞流流動，這種數(shù)值模擬的計算量是難以承受的，在工程上常采用湍流模型來計算。湍流模型是模擬均值化的流場，對難以分辨的小尺度渦在均值化過程中加以忽略，而被忽略的小尺度渦在湍流模型中體現(xiàn)[7]。

本研究采用基于時間平均的雷諾均值Navier-Sto kes方程（RANS）模型中使用最廣泛的Realizablek-ε雙方程湍流模型，計算方法及參數(shù)見表1。

表1 計算方法及參數(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10 m/s的速度進(jìn)口，出口邊界條件為壓力出口邊界條件，無滑移固壁條件有橋面、風(fēng)障、防撞欄桿、防撞墻等，如圖4 b所示。

4 橋面行車高度風(fēng)環(huán)境研究

在計算區(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)域的流場分布，從而可評估主梁區(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，該變量定義為

式中：α為速度系數(shù)；υmean為研究空間某點的平均速度；υin為入口風(fēng)速。通過該系數(shù)的大小就可判斷橋塔空間區(qū)域某點的風(fēng)速相對大小，系數(shù)越大表示該點風(fēng)速大，系數(shù)越小表示該點風(fēng)速小，系數(shù)大于1表示該點風(fēng)速大于來流風(fēng)速，系數(shù)小于1表示該點風(fēng)速小于來流風(fēng)速[8]。

考慮車道中心線，橋面以上10 m范圍為風(fēng)速監(jiān)測位置，按照風(fēng)速來流方向分別定義為車道1、車道 2、車道 3、車道 4、車道 5、車道 6、車道 7、車道8，如圖5所示。

圖5 監(jiān)視位置示意圖

為了便于研究橋塔區(qū)橋面的風(fēng)環(huán)境，在無監(jiān)控室時，在順橋向位置分別選取的研究位置有橋塔中心到外側(cè) 0 m、4 m、6 m、8 m、8.5 m、9 m、9.5 m、10 m及離橋塔70m遠(yuǎn)的位置，該處位置可認(rèn)為橋面的風(fēng)環(huán)境受橋塔的影響已經(jīng)很小，可忽略[9]；在無風(fēng)障時，在順橋向位置分別選取的研究位置有橋塔中心到外側(cè)0 m、2 m、4 m、6m、8 m、10 m、12 m、20 m及離橋塔70 m遠(yuǎn)的位置；在有風(fēng)障時，在順橋向位置分別選取的研究位置有橋塔中心到外側(cè) 0 m、4 m、6 m、8 m、10 m、25 m、36 m、45 m及離橋塔70 m遠(yuǎn)的位置。橋塔區(qū)繞流場顯示圖及橋面風(fēng)速剖面圖如圖6～圖8所示。

圖6 無監(jiān)控室時橋塔區(qū)繞流場顯示及橋面風(fēng)速剖面顯示圖

圖7 無風(fēng)障時橋塔區(qū)繞流場和橋面風(fēng)速剖面顯示圖

圖8 有風(fēng)障時橋塔區(qū)繞流場及橋面風(fēng)速剖面顯示圖

5 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)向氣動力等效原則定義等效橋面風(fēng)速如下：

式中：zr表示汽車所處的高度范圍。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。橋梁結(jié)構(gòu)對橋面風(fēng)環(huán)境的影響用橋面等效風(fēng)速與實際風(fēng)速的比值表示，定義其為影響系數(shù)：

計算獲得距橋塔中心不同距離，在行車道位置5.0 m和3.0 m高度各車道范圍風(fēng)速影響系數(shù)如圖9～圖11所示。從圖中可以看出，無監(jiān)控室時，風(fēng)速影響系數(shù)最大值數(shù)值變化不大，位置向外偏移；由于受到塔柱的影響，無風(fēng)障時，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)曲線變化更加平緩，橋塔附近風(fēng)速影響系數(shù)突變得到有效消除。

圖9 無監(jiān)控室時橋塔區(qū)各車道風(fēng)速影響系數(shù)

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

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

6 結(jié)語

通過建立某斜拉橋橋塔區(qū)三維流場模型，對橋塔區(qū)行車風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究，得到了各位置處的車道位置影響系數(shù)，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）無風(fēng)障時，由于受到塔柱的影響，橋塔區(qū)域各車道風(fēng)速影響系數(shù)變化劇烈，且橋塔附近增大效應(yīng)明顯。

（2）無監(jiān)控室時，風(fēng)速影響系數(shù)最大值變化不大，監(jiān)控室對橋塔區(qū)行車風(fēng)環(huán)境影響較小。

（3）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)速影響系數(shù)突變得到有效消除。設(shè)置風(fēng)障能夠有效保障大風(fēng)環(huán)境下行車安全。

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

[2]JTG/T D60-01—2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]夏錦林，李珂，葛耀君，等.不同風(fēng)障形式下橋梁斷面行車風(fēng)環(huán)境及顫振性能[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2017,49(3):98-105.

[4]OSTENFELD K H．Great belt link:the east bridge[J].Concrete International,1992,14(12):643．

[5]陳曉冬.大跨橋梁側(cè)風(fēng)行車安全分析[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007．

[6]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．

[7]陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8]艾輝林,陳艾榮.跨海大橋橋塔區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值風(fēng)洞模擬[J].工程力學(xué),2010(S1):196-199.

[9]ARGENTINI T，OZKAN E，ROCCHI D，et al.Cross-wind effects on a vehicle crossing the wake of a bridge pylon[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011,99(6):734-740.

北京首條中低速磁浮線路S1線年底開通 將新建7條道路

北京首條中低速磁浮線路S1線將于今年年底開通試運營。為方便市民乘坐新線，交通部門新建7條道路。

S1線西起石門營站，東至蘋果園站，全長10.2 km，共設(shè)8座車站，分別是：石廠站、小園站、栗園莊站、上岸站、橋戶營站、四道橋站、金安橋站、蘋果園站。年底將開通石門營站至金安橋站區(qū)段。

S1線是北京市首條中低速磁浮線路，最高運行時速為100 km/h，列車采用6輛編組，總長度為89.6 m，額定載客數(shù)為1 032人，通車后會有10組列車用于日常運營。

為方便市民乘坐新線，交通部門新建7條道路，在石廠站建設(shè)5 500 m2P+R停車場，新建3個公交場站和7個公交?？空窘玉g新線。

7條道路分別是石廠站車輛段一路、石廠站車輛段二路、石廠站石園北路、栗園莊站新城大街、上岸站雅安路、橋戶營站臨時接駁道路和四道橋站人行步道。7條接駁道路均已進(jìn)場施工，同時加快施工進(jìn)度，確保年底前順利通車。

石廠站5 500 m2P+R停車場正在緊張建設(shè)之中，爭取年底與新線同步投入使用。

同時，還將新建石廠站、小園站和金安橋站3個臨時公交場站。開通的每個站點都新配建公交?？空?，共計15個，方便市民乘坐公交接駁線路搭乘地鐵。

U442.5+9

A

1009-7716（2017）12-0177-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.049

2017-08-20

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。