深切峽谷相鄰橋址區(qū)風(fēng)速相關(guān)性研究

余佳昕，張明金，李永樂(lè)

(西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川成都 610031)

近年來(lái)我國(guó)為了發(fā)展西部經(jīng)濟(jì)進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，其中不乏位于高山峽谷間的超大跨橋梁，但由于山區(qū)復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)分布特性，存在湍流強(qiáng)度大和風(fēng)切變強(qiáng)烈的特點(diǎn)[1]，在設(shè)計(jì)山區(qū)橋梁時(shí)，為了確定橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，通常采用數(shù)值模擬的方法模擬風(fēng)環(huán)境，無(wú)需花費(fèi)大量成本測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速。

數(shù)值模擬是目前主要的風(fēng)特性分析方法，數(shù)值模擬主要通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，可以以極低的成本模擬山區(qū)風(fēng)環(huán)境，另外兩種方法為：風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[2]。目前數(shù)值模擬主要針對(duì)，湍流模型，邊界條件，和特殊風(fēng)場(chǎng)分析。對(duì)于湍流模型，主要針對(duì)不同地形條件下不同的湍流模型的適用性研究。Uchida和Ohya[3]研究了大渦模擬在風(fēng)特性模擬中的應(yīng)用，并取得復(fù)雜地形的風(fēng)特性數(shù)據(jù)。Xiao[4]等將多種不同的湍流模型應(yīng)用于一個(gè)范圍10.1 km×6.9 km的小島區(qū)域，分析不同湍流模型下的小島的風(fēng)場(chǎng)分布。

對(duì)于邊界條件近年來(lái)主要針對(duì)于入口風(fēng)速模擬。研究多尺度分析的耦合是模擬邊界層的高雷洛數(shù)和復(fù)雜流動(dòng)現(xiàn)象的潛在方法[5]。沈煉[6]等結(jié)合WRF中尺度氣向分析為小尺度的CFD分析模擬邊界湍流入口，這種耦合方式能較好的模擬風(fēng)場(chǎng)內(nèi)的湍流強(qiáng)度。

復(fù)雜風(fēng)場(chǎng)分析現(xiàn)被用于為復(fù)雜地區(qū)橋址區(qū)選址和設(shè)計(jì)風(fēng)速確定提供參考。李永樂(lè)[7]等基于Y型河口研究了其風(fēng)特性分布情況，研究了不同于普通深切峽谷的風(fēng)特性。張玥[8]等基于一斜拉橋?qū)嶋H工程，利用多年的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式驗(yàn)證橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境，并應(yīng)用于橋梁風(fēng)振研究中。遆子龍[9]等基于FLUENT研究了不同地表粗糙度對(duì)橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境的影響，研究發(fā)現(xiàn)增加地表粗糙度可能使主梁處風(fēng)速增加。王云飛[10]等通過(guò)數(shù)值模擬研究了山區(qū)大壩對(duì)風(fēng)環(huán)境的影響，發(fā)現(xiàn)大壩削弱了橋址區(qū)的風(fēng)速和正攻角效應(yīng)。

以上研究重點(diǎn)針對(duì)于模擬方法和特定地形條件下的風(fēng)場(chǎng)模擬，對(duì)于兩橋之間的風(fēng)速相關(guān)性研究較為缺乏。本研究基于西南山區(qū)大渡河上兩座距離僅4.88 km的千米級(jí)大跨橋梁，且橋軸線基本平行，相差不超過(guò)2 °。一座為川藏公路大渡河大橋，另一座為川藏鐵路大渡河大橋，研究系統(tǒng)研究了兩橋在不用入口風(fēng)向下的風(fēng)速相關(guān)性。

1 數(shù)值分析模型

1.1 工程概況

兩橋位于西南山區(qū)的深切峽谷之中，分別位于瀘定縣城上下游。兩橋址區(qū)峽谷高差達(dá)5 000 m，地形和地表狀態(tài)復(fù)雜，是典型的青藏高原深切峽谷，受南亞季風(fēng)和青藏高原的雙重影響，可能存在較強(qiáng)的局地風(fēng)場(chǎng)。兩座千米級(jí)大跨橋梁相距僅4.88 km，均為川藏線控制工程。公路橋東南側(cè)存在一條海拔約2 000 m的高聳山脊，鐵路橋西側(cè)有一突出山體，高程約為2 320 m。兩橋軸線基本保持平行，橋位設(shè)定角差不超過(guò)2 °。橋位布置見(jiàn)圖1，立面布置見(jiàn)圖2。

圖1 橋位布置平面

圖2 橋位布置立面(單位：m)

1.2 模型建立

根據(jù)該地的地貌特征地形范圍取為20 km×20 km，以此保證風(fēng)場(chǎng)的充分發(fā)展，地形模型的下表面為山體與河流，頂部高程取為10 000 m。采用6面體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散劃分，為了能在保證計(jì)算效率的前提下增加橋址區(qū)模擬精度，網(wǎng)格采取了從兩側(cè)向橋址區(qū)處逐漸加密網(wǎng)格，形成兩側(cè)網(wǎng)格較為稀疏，中間網(wǎng)格劃分較密的網(wǎng)格計(jì)算區(qū)域。底層壁面網(wǎng)格高度為2 m，并采用較低的網(wǎng)格增長(zhǎng)率，充分模擬橋址區(qū)域的風(fēng)場(chǎng)，最終形成了網(wǎng)格數(shù)量為380萬(wàn)的計(jì)算區(qū)域。網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 三維地形模型及網(wǎng)格劃分

計(jì)算湍流模型使用SST k-ε模型，壓力與速度耦合采用SIMPLEC算法，離散格式選用二階精度格式。模型的底部邊界為WALL邊界，頂部邊界為對(duì)稱邊界，前后左右四個(gè)邊界根據(jù)工況的不同，選為壓力出口或速度入口。

風(fēng)場(chǎng)計(jì)算中入口處來(lái)流風(fēng)速分布偏安全地采用氣象觀測(cè)站標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地對(duì)應(yīng)的風(fēng)剖面，邊界層高度取為1 640 m，邊界層的海拔高度為3 000 m。計(jì)算入口風(fēng)速通過(guò)用戶自定義函數(shù)(UDF)進(jìn)行設(shè)置，高程3 000 m以上部分風(fēng)速取為50 m/s，高程3 000 m以下部分按B類(lèi)地表(標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)地)風(fēng)速隨高度變化的指數(shù)規(guī)律進(jìn)行設(shè)置，高程1 360 m處為入口處谷底，其中梯度風(fēng)速取為50 m/s，梯度風(fēng)高度取為1 640 m。入口處風(fēng)速可用下式表示，風(fēng)速分布如圖4所示。

圖4 入口邊界風(fēng)速剖面

1.3 計(jì)算工況與觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置

瀘定縣50 a歷史風(fēng)向資料表明橋址區(qū)風(fēng)向主要為南北向。為考察不同方向來(lái)流對(duì)橋位風(fēng)場(chǎng)的影響，計(jì)算中入口來(lái)流取24個(gè)方向(如圖5所示)，圖中數(shù)字代表計(jì)算工況號(hào)，其中以南偏西15.9 °方向(工況13)為來(lái)流垂直于橋位橋軸線的入口風(fēng)，其余工況以南偏西35.9 °方向(工況11)為始，逆時(shí)針每10 °一個(gè)工況，共11個(gè)工況。同樣在橋軸線的對(duì)應(yīng)側(cè)也有相應(yīng)的11個(gè)工況，此外設(shè)置兩個(gè)與河道走向基本垂直的工況(工況10與工況22)。為了方便討論以風(fēng)向與南北軸線的夾角代替各工況的名稱，其中由南向北逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)，風(fēng)攻角以向上為正，向下為負(fù)。

圖5 風(fēng)向工況示意

為獲取橋位關(guān)鍵點(diǎn)的風(fēng)速情況，在兩橋塔間每1/8跨布置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，橋軸向上共設(shè)置九個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，為了更好地捕捉橋位處的風(fēng)速剖面情況，在近橋面高度附近進(jìn)行了加密。在鐵路橋址區(qū)橋面下布置15個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，橋面以上布置10個(gè)檢測(cè)點(diǎn),共25個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。在公路橋址區(qū)，以同樣的布置原則，在橋面以下布置12個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，橋面以上布置13個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，共25個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。故兩橋址區(qū)總共設(shè)置66個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖6)。

圖6 兩個(gè)橋位觀測(cè)點(diǎn)位置示意

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 跨中和橋塔風(fēng)速

圖7(a)和圖7(b)為不同入口風(fēng)向下公路橋和鐵路橋的橋面跨中和橋塔處的橫橋向風(fēng)速。從圖中可以看出，橋面跨中和橋塔處風(fēng)速展現(xiàn)出了高度相似的變化規(guī)律，這表明跨中處的風(fēng)速和橋塔跨中處的風(fēng)速存在較強(qiáng)的相關(guān)性，整體上看公路橋風(fēng)速由于東側(cè)山脊線的影響風(fēng)速在一定范圍內(nèi)呈現(xiàn)出較大起伏，但橋塔和跨中處風(fēng)速依然保持一致性良好的風(fēng)速變化規(guī)律。由于鐵路橋位于峽谷中段，風(fēng)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，從圖上表現(xiàn)出比公路橋更好的擬合性。

(a)公路橋風(fēng)速

(b)鐵路橋風(fēng)速圖7 跨中風(fēng)速與橋塔風(fēng)速

圖8(a)和圖8(b)為兩橋跨中和橋塔處橫橋向風(fēng)速線性回歸擬合。將從圖8上可以看出，兩橋的橋塔和跨中風(fēng)速均表現(xiàn)出了較好的風(fēng)速線性相關(guān)性，其中公路橋的擬合風(fēng)速的截距為0，斜率為0.96。鐵路橋的截距為0，斜率為0.99?？梢钥闯鲲L(fēng)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的鐵路橋比公路橋風(fēng)速更接近1。主要是由于公路橋的橋址區(qū)相比鐵路橋明顯復(fù)雜，四周存在多座高聳山體的影響，使公路橋的風(fēng)速較為發(fā)散。

2.2 兩橋位跨中風(fēng)速相關(guān)性

下圖9為兩橋跨中橫橋向風(fēng)速，從圖9可以看出，兩橋在不同入口風(fēng)向下跨中橫橋向風(fēng)速變化規(guī)律存在一定的相似性，這說(shuō)明兩橋的橫橋向風(fēng)速存在著一定的相關(guān)性。但從圖上也能發(fā)現(xiàn)，在個(gè)別工況下，兩橋的橫橋向風(fēng)速存在較大差異，這來(lái)源于公路橋四周的高聳山脊線和山體對(duì)風(fēng)場(chǎng)的影響，且差異風(fēng)向主要為風(fēng)偏角較大工況21和工況22。從圖9可以看出，西側(cè)來(lái)流作用下，兩橋的橫橋向風(fēng)速一致性較好，東側(cè)來(lái)流時(shí)，由于高聳山體的影響，兩橋的風(fēng)速出現(xiàn)了較大的差異。由此可以看出，在沒(méi)有特殊山體的影響下，由于峽谷河道對(duì)氣流導(dǎo)向作用使得同一河道緊鄰的上下游橋梁的跨中橫橋向風(fēng)速存在這較強(qiáng)的風(fēng)速相關(guān)性。

(a)公路橋風(fēng)速擬合

(b)鐵路橋風(fēng)速擬合圖8 同一座大橋跨中和橋塔處風(fēng)速線性擬合

圖9 兩橋位跨中橫橋向風(fēng)速

為了更好地研究?jī)蓸驒M橋向風(fēng)速的相關(guān)性，將兩橋不同工況下的橋面的橫橋向風(fēng)速進(jìn)行線性擬合，如圖10所示，其中不考慮個(gè)別受山體遮擋的工況，從圖上可以看出，在不考慮個(gè)別特殊工況的情況下，兩橋的橫橋向風(fēng)速具有較好的線性相關(guān)性，在截距為0的情況下擬合風(fēng)速斜線的斜率為0.823。表明緊鄰的上下游橋梁的橫橋向風(fēng)速有較好的線性相關(guān)性。

圖10 兩橋位跨中橫橋向風(fēng)速相關(guān)性

2.3 兩橋位橋塔風(fēng)速相關(guān)性

為了研究?jī)蓸虻臉蛩幍娘L(fēng)速相關(guān)性，下圖11給出了兩橋的西側(cè)橋塔的不同工況下的橫橋向風(fēng)速和兩橋的橫橋向風(fēng)速比值?？梢詮膱D上看出，不同的入口風(fēng)向作用下，除個(gè)別工況外兩橋的橋塔處橫橋向風(fēng)速變化規(guī)律基本相同，但相比跨中稍差。整體上依然表現(xiàn)出西側(cè)來(lái)風(fēng)的規(guī)律性相比東側(cè)來(lái)風(fēng)更好的特點(diǎn)，這主要是由于西側(cè)橋塔受東側(cè)山脊線的影響較小。從跨中和西側(cè)橋塔在西側(cè)來(lái)風(fēng)作用的下的變化規(guī)律可以看出兩橋的變化規(guī)律是基本一致的?？傮w上看風(fēng)速與河道夾角較小時(shí)，兩橋的橋塔處風(fēng)速相關(guān)性更好。

圖11 兩橋西部橋塔橫橋向風(fēng)速

如圖12所示，將兩橋的西側(cè)橋塔處風(fēng)速進(jìn)行線性回歸擬合，兩橋西側(cè)橋塔的橫橋向風(fēng)速比較符合線性相關(guān)性相較于跨中較弱，風(fēng)速點(diǎn)更為離散。圖中的擬合風(fēng)速線截距為0，斜率為0.8736，由此可以看出同一峽谷中的緊鄰的上下游橋梁在靠近兩側(cè)山體的橋塔處的風(fēng)速依然具有相關(guān)性，但弱于跨中。

3 結(jié)論

通過(guò)建立考慮臨近山體的三維風(fēng)場(chǎng)數(shù)值分析模型，研究了復(fù)雜山區(qū)突出山體影響下兩座相臨橋梁橋址區(qū)風(fēng)速相關(guān)性，得到以下結(jié)論：

(1)在同一橋址區(qū)中的橋塔和跨中的風(fēng)速相關(guān)性良好，整體上風(fēng)速變化規(guī)律相同，特別是當(dāng)入口風(fēng)向與河道夾角較小時(shí)，表現(xiàn)出了良好的線性相關(guān)性。

(2)對(duì)于上下游橋梁跨中的相關(guān)性，可以看出，由于山脊線的影響在公路橋跨中受明顯遮蔽時(shí)，兩橋表現(xiàn)出風(fēng)速明顯差異，由此看出，當(dāng)橋梁受到高聳山體明顯遮蔽時(shí)兩橋的風(fēng)速相差較大且規(guī)律不同，當(dāng)山體的遮蔽效應(yīng)降低后，兩橋風(fēng)速表現(xiàn)出較好的風(fēng)速相關(guān)性。

圖12 兩橋位西部橋塔橫橋向風(fēng)速相關(guān)性

(3)對(duì)于上下游橋梁的西側(cè)橋塔之間的相關(guān)性由于受兩處橋址區(qū)的峽谷寬度和山體坡度的影響，兩橋除特殊工況外的風(fēng)速變化規(guī)律基本相同，但相關(guān)性弱于跨中。