山区高墩桥梁桥址风环境数值模拟*

杨鸿波　江为学

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

山区高墩桥梁桥址风环境数值模拟*

杨鸿波江为学

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要采用结合桥址处地形进行风环境数值模拟的方法获得大桥桥址处未设风速测点的桥梁结构抗风所需的基本风速。建立三维数字地形模型并导入流场求解软件，划分网格，进行流场的数值模拟。以Navier-Stokes方程为基本控制方程，采用离散化的数值模拟方法求解流场，使用标准k-ε双方程湍流模型。通过风速修正系数考察桥位风速与气象站的风速关系。最后根据修正系数进行了风场指数α的拟合，确定桥位场地类别接近C类场地。

关键词风环境数值模拟Navier-Stokes方程湍流模型风速修正系数

在国家西南部地区，众多待建桥梁桥址处没有足够的风速站风速资料，而基本风速是对桥梁结构进行抗风研究最基本的资料。获得桥位风速的方法有物理风洞试验方法和数值风洞技术。传统的物理风洞试验方法是依据运动相似性原理和流动相似性原理，在风洞中安装建筑物模型和地形模型，研究建筑物的空气动力学特性的方法。物理风洞试验方法虽然具有准确直观的特点，但是也存在周期长、成本高、有缩尺效应等限制[1-2]。数值风洞技术是基于计算流体动力学原理，选择合适的空气湍流数学模型，并结合适当的数值算法模拟空气动力特性。数值风洞技术具有模拟真实风环境的能力，并且可以构建原型尺度的计算模型，有效弥补了物理风洞试验方法的不足[3]。

本文针对贵州某大型桥梁桥址处的基本风速求解问题，应用数值风洞技术，采用离散化的数值模拟方法求解流场，使用标准k-ε双方程湍流模型，求解获得桥位风速与气象站的风速关系。

1　三维数字地形建模

为了实现桥址周围地形风环境的模拟，需虚拟生成山区三维数字地形，在计算机系统里虚拟再现桥址周围的地形地貌。利用桥位附近区域局部的精细平面等高线分布图，并结合googleearth提供更大范围的空地地形分布图。见图1～图2。

图1　桥位附近地形等高线图

图2　Google Earth获取的地形图

通过选取的上述等高线分布图及大范围地形图，生成对应的坐标空间点，见图3，总共生成的模型空间点约5万左右。

图3　地形空间坐标点分布图

利用上述获得的空间点坐标，利用逆向工程原理，通过空间点集反向拟合生成所需要的三维数字地形曲面，见图4。通过把三维数字地形模型导出，从而完成三维数字地形的建模处理。

图4　逆向拟合生成的数字三维地形图

2　地形风环境数值模拟

将得到三维数字地形模型导入流场求解软件，并进行相应的网格划分，在地形变化较大的区域网格划分相对较密，地形较平坦区域网格划分相对较粗，整体网格划分数量约500万，见图5～图6。

图5　大桥周围山区地形几何模型图

图6　大桥山区地形表面网格划分图

流场的数值模拟是以Navier-Stokes方程(绕流风的连续性方程及动量守恒方程)为基本控制方程，采用离散化的数值模拟方法求解流场。湍流模型是模拟均值化的流场，对难以分辨的小尺度涡在均值化过程加以忽略，而被忽略的小尺度涡在湍流模型中体现。本文采用基于时间平均的雷诺均值Navier-Stokes方程(RANS)模型中使用最广泛的标准k-ε双方程湍流模型[4-5]，计算方法及参数列表见表1。

表1　计算方法及参数列表

流体入口边界条件：采用B类风场的风剖面作为来流入口，大气边界层风速设为10m/s；出口边界条件为：压力出口边界条件；无滑移固壁条件：地形地面，见图7。数值模拟考虑范围：以桥位中心附近4km范围的地形进行数值风洞试验研究。

图7　计算区域边界条件设置

风向考虑该地区的大风方向为东北向，见图8，在桥位上设置14个风速监测点，所有的风速监测点通过与设置地面附近的气象站风速观测点进行风速的大小对比来标定桥位处的风速分布。

图8　计算区域边界条件设置

风速测点对应分别为：桥面上各个桥墩位置及主跨的跨中位置分别对应的1～7测点，主桥墩的3个测点(桥墩1/4，1/2，3/4高度处)及旁边4个桥墩中间位置处布置的4个测点，监测点布置见图9。

图9　桥位风速监测点布置图

3　分析结果

为了考察桥位风速与气象站的风速关系，定义风速修正系数：

通过数值模拟可以得到不同监测点的风速修正系数，利用此修正系数可以获得设计基准风速与气象站基本风速的关系。通过分析得到的修正系数见表2，桥位空间各风速监测点风速修正系数分布见图10，地形风压云图见图11，地形流场见图12～13。

表2　各监测点相对风速修正列表

图10　桥位空间各风速监测点风速修正系数分布图

图11　地形表面风压云图显示

图12　地形切面流场显示

图13　地形表面流场显示

为了进一步获得场地地形类别参数，将桥位处不同高度的修正系数与桥位10m高度的修正系数(数值计算为0.78)相比，建立桥位风速修正系数关系图见图14。根据此修正系数进行了风场指数α的拟合，拟合结果显示α=0.21最接近分析结果。由此可见桥位场地类别接近C类场地。

图14　风场指数拟合结果

4　结论

根据数值模拟分析得到的修正系数，可以建立桥位基准风速与基本风速的修正系数(与《公路桥梁抗风设计规范》中的高度修正系数一致)。由表2可见，主梁高度最不利修正系数为1.46，因此可以偏保守选用此修正系数作为风速确定的依据，同时桥位风场类别可确定为C类。

参考文献

[1]黄志渊,陈燊.桥面风环境的数值风洞研究[J].福州大学学报：自然科学版,2007(1):95-99.

[2]谢华平,何敏娟.钢管输电塔平均风荷载数值模拟[J].结构工程师,2009(2):104-107.

[3]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004．

[4]ABBOTTMB，BASCODR.ComputatiorIalfluiddynamics:AnIntroductionforengineers[M].Harlow:LongmanScientific&Technical,1989.

[5]艾辉林.大涡模拟在桥梁风工程中的应用[D].上海：同济大学，2007．

收稿日期：2015-06-26

CollisionProtectionDesignforNorthBranch
BridgeofWuhanTianxingzhouYangtzeRiverBridge

Jiang Yimin

(ChinaRailwayMajorBridgeReconnaissance&DesignGroupCo.,Ltd.,Wuhan430056,China)

Abstract：This article introduced the necessity of installing anti-collision equipment within navigation opening bridge, together with principle and mechanism of installation of anti-collision equipment, in the context of an actual project of north branch bridge of Wuhan Tianxingzhou Yangtze River Bridge. It also introduced and analyzed the computation principle and method of ship collision force applied to piers, with a detailed presentation of anti-collision equipment applied to the project referred above.

Key words:pier anti-collision; floating anti-collision device; design

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.04.012

*贵州省交通运输厅科技项目(2010-122-017)资助