山區(qū)峽谷中橋址處風場特性數(shù)值模擬研究

柯 勇＊，段青松

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司，四川 成都610041；2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽621010）

近年來，隨著交通建設水平的不斷提高和人民對交通日益增長的需求，我國西部山區(qū)有建設大跨度橋梁來跨越山區(qū)峽谷的需求。西部山區(qū)峽谷風速高、紊流強度高且沿橋跨向分布不均勻，非平穩(wěn)性、脈動風特性突出，大跨度橋梁跨度大、剛度小、結構柔、頻率低，對風作用敏感，因此，有必要深入研究山區(qū)峽谷風特性，為后續(xù)橋梁設計奠定基礎。

針對典型的理想狀態(tài)山區(qū)峽谷風特性，張忠義[1]、丁海平[2]等進行數(shù)值分析，并與試驗結果進行對比。針對典型的過山氣流特性，李正良等[3]采用k-ε 湍流模型分析了三維山體的風特性。胡峰強[4]采用k-ε 湍流模型進行了詳細分析，并與試驗結果進行了對比，結果表明數(shù)值模擬方法可較好的模擬。對于實際中復雜地形處的風特性研究，許多學者[5-8]也展開了針對性研究。針對北盤江大橋橋址區(qū)風特性，與平原地區(qū)不同，山區(qū)峽谷地形復雜，傳統(tǒng)的橋梁設計基準風速的選取方法不再適用，目前尚無針對山區(qū)峽谷中橋梁設計風速的選取方法。

本文基于山區(qū)峽谷復雜地形，通過數(shù)值模擬對橋址處地形進行計算分析，得到橋面高度處設計基準風速，為山區(qū)峽谷同類橋梁設計提供參考。

1 工程概況

某擬建大跨度橋梁位于四川省西部山區(qū)，橋梁周圍主要以山區(qū)峽谷地形為主，具有兩側海拔高、中間河道較寬的特點。地形模型的三維視圖如圖1(a)所示，計算區(qū)域局部地表網格劃分如圖1(b)所示，其中圖形中心部位的直線為橋梁軸線。計算區(qū)域劃分為2 492 259 個單元, 660 944 個節(jié)點。求解時采用k-w SST湍流模型，方程組求解時采用SIMPLE 算法。

圖1 有限元模擬

2 計算工況

為了考察不同方向來流對橋位風場的影響，計算中來流取6 個方向(圖2)，分別定義為工況1～工況6，分別為：北偏西36°、北偏西51°、北偏西66°、東偏南24°、東偏南39°、東偏南54°。風場計算中入口處來流風速30 m/s。為了直觀的描述考察點風速分量與邊界入口風速的關系，引入了風速放大系數(shù)這一無量綱參數(shù)：Cu表示該測點風速與入口風速的比值，該值反映了地形影響導致各計算點處風速的放大或衰減。為了反映橋位處風速的變化規(guī)律，沿橋軸線位置重點考察了48 個監(jiān)測點，具體如圖3 所示。

圖2 工況定義

圖3 CFD 計算風速監(jiān)測點設置

3 結果分析

3.1 風速放大系數(shù)

圖4 給出了工況1～工況6 中不同監(jiān)測點處的順風向風速放大系數(shù)結果?？芍簶蚩鐑蓚蕊L速放大系數(shù)比橋跨中大，測點30～40 區(qū)域(靠近右側橋塔區(qū)域)，風速放大系數(shù)相對較小，這主要是與橋塔所處的地形有關。在0～20 測點區(qū)域內，工況3 (北偏西66°) 時風速放大系數(shù)最大，工況6 (東偏南54°) 風速放大系數(shù)最小。20～48 測點區(qū)域內，工況2(北偏西51°)時風速放大系數(shù)最大，工況6(東偏南54°)中風速放大系數(shù)相對最小。在靠近山體兩側，風速放大系數(shù)相對較大，跨中側風速放大系數(shù)相對較小。

圖4 不同工況時風速放大系數(shù)沿橋軸線變化曲線

3.2 風攻角及風偏角

圖5(a)給出了工況1～工況6 中不同監(jiān)測點處的風攻角結果, 圖5(b)給出了工況1～工況6 中不同監(jiān)測點處的風偏角結果。

圖5 不同工況時風攻角、風偏角沿橋軸線變化曲線

可知：不同測點處的攻角范圍基本在+6°～-8°，工況4、工況5、工況6 在靠近右側橋塔區(qū)域，風攻角局部較大(工況6)，最大達25°，不同測點處的風攻角變化相對較小，這可能與山體兩側地形的影響有關。在測點0～24 范圍內，工況1～工況2 中的風攻角為正，工況3～工況6 時攻角為負；在測點25～測點48范圍內，工況1～工況3 中的風攻角為負。而工況1中，不同監(jiān)測點處風偏角變化相對較小，在0°左右；工況2～工況3 中，在右側橋塔區(qū)域附近，風偏角為負，絕對值最大可達10°；工況4、工況6 中，在右側橋塔區(qū)域附近，風偏角為負且絕對值最大達50°；在右側橋塔區(qū)域附近，風偏角為正，且最大達30°，這可能主要與地形有關。

綜上可知：橫橋向+15°來風作用時，橋跨范圍內風攻角約+6°～-8°，中跨橋面測點攻角約在+5°～-12°范圍內；從工況1 到工況6，平均放大系數(shù)均較小，最大為0.80；但工況3，即沿河道下游來流與橋主梁成15°風偏角時，主梁端部的風速放大系數(shù)較大，為1.16。

表1 給出了工況1～工況6 中的平均風攻角、平均風向角及風速放大系數(shù)結果?？芍浩骄L攻角范圍在-3°～+3°內；風偏角最大為10°～-24°；風速放大系數(shù)范圍為0.5～0.8，不同工況中風速放大系數(shù)相對差距不大。

表1 各個工況主跨測點平均風攻角、風向角、風速放大系數(shù)

綜合氣象資料，卡哈洛鄉(xiāng)至黃華鎮(zhèn)金沙江大橋橋址處近百年一遇的風速為25.7 m/s。按照最大風速放大系數(shù)1.16 考慮，橋面高度處的設計風速可取為29.8 m/s。

4 結論

本文以山區(qū)峽谷大跨度鋼橋梁地形為背景，通過數(shù)值模擬研究了不同工況下的橋面高度處風速放大系數(shù)、風攻角、風偏角結果，得出如下結論。

(1) 橋跨兩側風速放大系數(shù)比橋跨中大，靠近右側橋塔區(qū)域，風速放大系數(shù)相對較小。

(2) 不同測點處的攻角范圍基本在+6°～-8°，風攻角在局部測點處較大，最大達25°；不同測點處的風攻角變化相對較小。

(3) 工況1～工況3 中，在橋塔區(qū)域附近，風偏角為負，最大可達10°；工況4、工況6 中，在右側橋塔區(qū)域附近，風偏角為負且最大達-50°；在橋塔區(qū)域附近，風偏角為正，且最大達30°。

(4) 根據(jù)氣象資料和地形CFD 計算結果，橋面高度處的設計風速可取為29.8 m/s，綜合風速和風向，建議設計時考慮的攻角范圍為±5°。