箱型橋梁截面參數(shù)對(duì)風(fēng)致行車安全的影響研究

摘 要：雙幅箱型橋梁的寬高比和間距是影響橋面風(fēng)場(chǎng)及橋上車輛氣動(dòng)性能的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，為提高強(qiáng)風(fēng)載荷下橋梁的風(fēng)致行車安全能力，本文以雙向六車道雙幅橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法建立了不同截面參數(shù)組合下的氣動(dòng)分析模型，獲取了不同車道的橋面風(fēng)場(chǎng)參數(shù)及車輛氣動(dòng)性能。結(jié)果表明，較小的寬高比和橋梁間距對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)的干擾更小，不同車道的等效風(fēng)速更低，更利于保障車輛的行駛安全。

關(guān)鍵詞：截面參數(shù)；橋梁間距；橋梁寬高比；典型車輛；風(fēng)致行車安全

中圖分類號(hào)：U 44" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

跨海橋梁是連接城市交通節(jié)點(diǎn)的重要樞紐，在帶來便捷交通的同時(shí)，強(qiáng)風(fēng)氣候下也容易誘發(fā)風(fēng)致行車安全事故?！皹蛄号c橋梁”、“汽車與橋梁”、“橋梁與側(cè)風(fēng)”之間的相互氣動(dòng)影響不容輕視[1-2]，當(dāng)車輛在跨海大橋上行駛時(shí)，強(qiáng)側(cè)風(fēng)會(huì)導(dǎo)致車輛的行駛穩(wěn)定性發(fā)生變化[3]，致使車輛發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻等危險(xiǎn)情況，因此，本文以《橋梁擋風(fēng)障關(guān)鍵參數(shù)及行車安全性研究》科研項(xiàng)目為研究背景，開展跨海橋梁的截面參數(shù)對(duì)風(fēng)致行車安全研究具有重要的工程意義。

側(cè)風(fēng)、橋梁與汽車的交互氣動(dòng)干擾與眾多因素有關(guān)，其中，橋梁截面參數(shù)的影響尤為重要，例如橋梁寬高比、橋梁間距和橋面附屬構(gòu)造等[4-7]。本文以雙向六車道雙幅橋（參數(shù)來源于《橋梁擋風(fēng)障關(guān)鍵參數(shù)及行車安全性研究》項(xiàng)目實(shí)體模型）為研究對(duì)象，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法建立不同截面參數(shù)組合下的氣動(dòng)分析模型，獲取不同車道的橋面風(fēng)場(chǎng)參數(shù)及車輛氣動(dòng)參數(shù)，研究結(jié)果可以為指導(dǎo)跨海橋梁的截面設(shè)計(jì)提供參考。

1 橋面風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型

為研究雙向六車道雙幅橋的截面和間距對(duì)車輛行車的影響，取3種寬高比（2.5、3.5和4.5）、3種橋梁間距（2.5m、5.0m和10.0m）進(jìn)行研究。圖1為某橋梁截面與間距的橋梁模型，圖1中所標(biāo)注的為橋梁基本參數(shù)代號(hào)，橫坡為i=1.5，單幅橋?qū)挒锽=12m，車道寬為3.5m。本文共建立了9種不同的雙幅箱梁橋梁工況，不同工況采用“B/H-L”進(jìn)行命名，其中B/H代表變截面橋梁不同截面的寬高比，L為橋梁間距。

當(dāng)計(jì)算橋面風(fēng)場(chǎng)時(shí)，為減小邊界條件對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的影響，當(dāng)對(duì)不同橋梁模型橋面風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行模擬時(shí)，橋梁長(zhǎng)度統(tǒng)一取50m，并參考公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[8]中虛擬風(fēng)洞的尺寸搭建橋面風(fēng)場(chǎng)模擬所需的流體域。經(jīng)過網(wǎng)格無關(guān)性驗(yàn)證分析，在兼顧計(jì)算效率和精度的前提下確定以下網(wǎng)格設(shè)置方案：體網(wǎng)格采用Fluent Meshing中的六面體網(wǎng)格，橋梁欄桿面網(wǎng)格為20mm，其他位置面網(wǎng)格為128mm，最大六面體網(wǎng)格為640mm；為了更準(zhǔn)確模擬監(jiān)測(cè)區(qū)域的橋面風(fēng)場(chǎng)，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行局部加密，其加密尺寸為320mm、160mm、80mm和40mm，為捕捉近壁面的風(fēng)速變化，在橋梁不同面上添加7層邊界層網(wǎng)格，第一層邊界層網(wǎng)格的高度為0.94mm，邊界層網(wǎng)格的增長(zhǎng)速率為1.2，最后橋面風(fēng)場(chǎng)計(jì)算域中的體網(wǎng)格總量達(dá)到6600萬左右，橋面風(fēng)環(huán)境計(jì)算示意如圖2所示。

采用SSTk-omega湍流模型、SIMPLE算法以及二階迎風(fēng)離散格式求解。本文設(shè)置側(cè)風(fēng)環(huán)境速度Vr為20.8m/s，不同車道的風(fēng)速檢測(cè)點(diǎn)均在橋梁中心面上，且監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于車道中心線正上方。為檢測(cè)集裝箱貨車高度的風(fēng)速，本文的風(fēng)速監(jiān)測(cè)高度為4.5m，每隔0.25m設(shè)置1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每一車道共18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，雙幅橋梁上風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)共108個(gè)。

1.2 橋面風(fēng)環(huán)境評(píng)估參數(shù)

采用等效風(fēng)速和風(fēng)速折減系數(shù)評(píng)估橋面風(fēng)場(chǎng)。當(dāng)風(fēng)作用于橋梁時(shí)，風(fēng)速會(huì)隨著離橋面高度的不同而變化，為了衡量橋面在某一高度范圍內(nèi)風(fēng)速效應(yīng)，采用等效風(fēng)速[9]的概念，等效風(fēng)速基于風(fēng)壓剖面等效的原則定義，如公式（1）所示。

式中：Zr為等效高度，轎車的等效高度取值Zr=2.0m，集裝箱貨車等效高度取值為Zr=4.5m；V為橋面不同高度的風(fēng)速；z為離橋面高度。

為了評(píng)估橋梁的寬高比及其間距對(duì)來流風(fēng)場(chǎng)的影響，本文將等效風(fēng)速無量綱化為風(fēng)速折減系數(shù)，該系數(shù)為等效風(fēng)速與參考風(fēng)速之間的比值，用β表示。用風(fēng)速折減系數(shù)以衡量不同橋梁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)干擾作用的程度，如公式（2）所示。

式中：Vr為參考風(fēng)速（入口風(fēng)速）。

1.3 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述橋面風(fēng)場(chǎng)網(wǎng)格尺寸設(shè)置建立與風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的橋面風(fēng)場(chǎng)計(jì)算模型，保證計(jì)算模型橋梁和風(fēng)洞試驗(yàn)橋梁模型一致，風(fēng)洞試驗(yàn)中橋梁模型比例為1∶20，入口風(fēng)速為10m/s，數(shù)值模擬中湍流模型以及邊界條件與上述保持一致。在本次驗(yàn)證中，監(jiān)測(cè)范圍為5m，檢測(cè)點(diǎn)的設(shè)置與上述設(shè)置方法一樣并同風(fēng)洞試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)位置一致，最后利用等效風(fēng)速與風(fēng)速折減系數(shù)的公式算出風(fēng)洞試驗(yàn)與模擬仿真不同車道的風(fēng)速折減系數(shù)，如圖3所示。

風(fēng)洞試驗(yàn)所得到的第1車道～6車道風(fēng)速折減系數(shù)分別為1.1426、1.0659、1.0312、0.9771、0.9875、0.9978，數(shù)值模擬數(shù)據(jù)為1.1373、1.0500、1.0034、0.9367、0.9571、0.9858，兩者較接近，表明本文的數(shù)值計(jì)算模型較準(zhǔn)確。

2 橋面風(fēng)場(chǎng)分析與討論

不同橋梁高寬比、不同等效高度以及不同車道下的橋面風(fēng)場(chǎng)如圖4、圖5所示，橋梁寬高比是影響橋面風(fēng)場(chǎng)的主要參數(shù)。

不同工況下，迎風(fēng)側(cè)橋的第一車道至第三車道風(fēng)速折減系數(shù)逐漸降低，而背風(fēng)側(cè)橋梁第四車道至第六車道的風(fēng)速折減系數(shù)逐漸增加。與迎風(fēng)側(cè)的橋梁相比，背風(fēng)側(cè)的橋梁受到的影響更大，而且，隨著橋梁寬高比增加，橋梁間距對(duì)橋面風(fēng)速折減系數(shù)的影響逐步降低。

當(dāng)?shù)刃Ц叨葹?.5m時(shí)，對(duì)迎風(fēng)側(cè)橋梁車道來說，寬高比越小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)越小，對(duì)遠(yuǎn)離迎風(fēng)側(cè)的車道三影響最大，而對(duì)接近迎風(fēng)側(cè)的車道一影響最??；對(duì)背風(fēng)側(cè)橋梁車道來說，當(dāng)橋梁間距較小時(shí)，寬高比越小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)越小，當(dāng)橋梁間距較大（10m）時(shí)，隨著寬高比減小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)先變小后變大。

當(dāng)?shù)刃Ц叨葹?m時(shí)，對(duì)迎風(fēng)側(cè)橋梁車道來說，當(dāng)橋梁間距較小（2.5m）時(shí)，寬高比越小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)越小，而當(dāng)橋梁間距較大時(shí)，隨著寬高比變小，車道一的風(fēng)速折減系數(shù)越小，而遠(yuǎn)離迎風(fēng)側(cè)的車道二和車道三的風(fēng)速折減系數(shù)先變小后變大。對(duì)背風(fēng)側(cè)橋梁來說，當(dāng)橋梁間距較小時(shí)，寬高比越小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)越小，當(dāng)橋梁間距較大（10m）時(shí)，隨著寬高比小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)先變小后變大。

不同橋梁截面參數(shù)下的橋面風(fēng)場(chǎng)如圖6所示。當(dāng)橋梁間距較小時(shí)，寬高比的變化對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)有較大的影響，特別是對(duì)背風(fēng)側(cè)橋梁。當(dāng)橋梁寬高比較小時(shí)，橋梁間距的變化對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)有較大的影響，特別是對(duì)背風(fēng)側(cè)橋梁。

3 橋上車輛氣動(dòng)分析與討論

3.1 數(shù)值計(jì)算模型

橋上車輛行車的氣動(dòng)分析計(jì)算示意如圖7所示，采用滑移網(wǎng)格方法建立計(jì)算模型，其中，集裝箱貨車長(zhǎng)寬高尺寸分別為14.92.43.9m，車速為80km/h，轎車長(zhǎng)寬高尺寸分別為5.050m2.11.5m，車速為100km/h。

采用Fluent Meshing中的Ploy-Hexcore進(jìn)行網(wǎng)格劃分，靜止區(qū)域的網(wǎng)格設(shè)置為400mm，移動(dòng)區(qū)域的最大網(wǎng)格尺寸為320mm，為更準(zhǔn)確模擬車輛周圍的流場(chǎng)，對(duì)車輛周圍進(jìn)行加密，加密尺寸為160mm和80mm，并對(duì)車輛共設(shè)置4層邊界層，第一層高度1mm，增長(zhǎng)率為1.1，靜止區(qū)域和移動(dòng)區(qū)域的體網(wǎng)格總和為4200萬左右。本文設(shè)置側(cè)風(fēng)環(huán)境速度Vr為20.8m/s，采用realizable k-e湍流模型、SIMPLE算法以及二階迎風(fēng)離散格式進(jìn)行求解計(jì)算。

3.2 集裝箱貨車橋上行車氣動(dòng)分析

橋梁間距為2.5m，不同寬高比工況下牽引車前軸YZ截面的速度云圖如圖8所示，汽車行駛在迎風(fēng)側(cè)橋梁的第二車道上，橋面風(fēng)環(huán)境的差異導(dǎo)致集裝箱貨車的氣動(dòng)六分力存在較大的差異，具體變化如圖9所示。

由圖8可知，寬高比的變化對(duì)集裝箱貨車迎風(fēng)側(cè)車道和背風(fēng)側(cè)橋梁車道的流場(chǎng)有較大的影響，寬高比越大，欄桿對(duì)迎風(fēng)側(cè)橋面的有效遮擋高度越小，對(duì)車輛迎風(fēng)側(cè)的氣流影響越明顯，但迎風(fēng)側(cè)橋梁的尾流對(duì)背風(fēng)側(cè)橋面的風(fēng)場(chǎng)影響越小。

在氣動(dòng)六分力中，氣動(dòng)側(cè)力和氣動(dòng)橫擺力矩是影響汽車風(fēng)致行車安全的主要因素，橋梁寬高比逐漸增大，牽引車的氣動(dòng)側(cè)力和氣動(dòng)橫擺力矩均發(fā)生不同程度的增幅，其中，氣動(dòng)側(cè)力的變化幅度更高。與橋梁寬高比為2.5工況相比，隨著橋梁寬高比增大，牽引車的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)分別增長(zhǎng)0.1880、0.3689，掛車的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)分別增長(zhǎng)0.4183、0.8017；牽引車的氣動(dòng)橫擺力矩系數(shù)分別增長(zhǎng)0.0132、0.0164，掛車的氣動(dòng)橫擺力矩系數(shù)分別增長(zhǎng)0.0387、0.0640。

橋梁寬高比為4.5m，不同橋梁間距工況下牽引車前軸YZ截面的速度云圖如圖10所示，汽車行駛在背風(fēng)側(cè)橋梁的第五車道上。當(dāng)橋梁寬高比較小時(shí)，橋梁間距的變化對(duì)背風(fēng)側(cè)橋面風(fēng)場(chǎng)影響較大，當(dāng)橋梁寬高比較大時(shí)，對(duì)背風(fēng)側(cè)橋面風(fēng)場(chǎng)的影響較小。因此，該工況下橋梁間距對(duì)集裝箱貨車氣動(dòng)特性影響不大，如圖11所示。與橋梁間距為2.5m工況相比，隨著橋梁間距增大，牽引車的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)分別增長(zhǎng)0.0077、0.0221，掛車的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)分別減小0.1029、0.0791；牽引車的氣動(dòng)橫擺力矩系數(shù)分別減小0.0167、0.0237，掛車的氣動(dòng)橫擺力矩系數(shù)分別減小0.0131、0.0142。

3.3 轎車橋上行車氣動(dòng)分析

不同寬高比和間距工況下轎車前軸YZ截面的速度云圖如圖12所示，汽車行駛在迎風(fēng)側(cè)橋梁的第二車道和背風(fēng)側(cè)橋梁第五車道上。不同工況下的轎車周圍流場(chǎng)存在明顯差異，隨著寬高比增大，欄桿的擾流作用產(chǎn)生的加速區(qū)越來越低，轎車上方的流速越來越大。當(dāng)橋梁間距較小時(shí)，由于迎風(fēng)側(cè)橋梁的阻風(fēng)效果，轎車直接處于低速尾流區(qū)，當(dāng)橋梁間距較大時(shí)，車輛迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)速會(huì)有一定程度增大。不同工況下的轎車氣動(dòng)系數(shù)如圖13所示。

由圖13（a）可知，當(dāng)橋梁間距為2.5m時(shí)，隨著橋梁寬高比變小，轎車的側(cè)向力先變小再變大，由推力逐漸變成吸力，而氣動(dòng)橫擺力矩則先增加后減小，該工況下，氣動(dòng)側(cè)力和氣動(dòng)橫擺力矩均不大，對(duì)行駛穩(wěn)定性的影響較小。由圖13（b）可知，當(dāng)橋梁寬高比為4.5時(shí)，隨著橋梁間距縮短，轎車的側(cè)向力和橫擺力矩先變大后變小。與橋梁間距為2.5m工況相比，隨著橋梁間距縮短，轎車的氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)分別增長(zhǎng)0.4571、0.3005，轎車的氣動(dòng)橫擺力矩系數(shù)分別增長(zhǎng)0.1322、0.1141。

4 結(jié)語

綜上所述，本文得出以下結(jié)論。1）隨著橋梁寬高比減小，各車道的風(fēng)速折減系數(shù)逐漸變小，集裝箱貨車和轎車所受的氣動(dòng)干擾變小，汽車的行駛穩(wěn)定性更好。2）當(dāng)橋梁寬高比較小時(shí)，橋梁間距的變化主要影響背風(fēng)側(cè)橋梁橋面風(fēng)場(chǎng)，間距越小，風(fēng)速折減系數(shù)越小，集裝箱貨車和轎車的行駛穩(wěn)定性更好。3）當(dāng)橋梁寬高比較大時(shí)，橋梁間距的變化主要影響迎風(fēng)側(cè)橋梁橋面風(fēng)場(chǎng)，間距越大，風(fēng)速折減系數(shù)越小，集裝箱貨車和轎車的行駛穩(wěn)定性更好。4）為提高橋上車輛的風(fēng)致行車安全能力，可以考慮在橋幅兩側(cè)增設(shè)橋梁擋風(fēng)障，保障強(qiáng)風(fēng)或者臺(tái)風(fēng)氣候下的橋上車輛行駛穩(wěn)定性。

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