悬索桥行车风环境研究

王同顺，郑亮

（1.江苏省水利科学研究院，江苏南京210017；2.上海黄埔江大桥建设有限公司，上海市200090）

悬索桥行车风环境研究

王同顺1，郑亮2

（1.江苏省水利科学研究院，江苏南京210017；2.上海黄埔江大桥建设有限公司，上海市200090）

某悬索桥位于平原地区，为了提高其运营管理效率并且保障行车安全，对桥面行车风环境进行研究。采用数值风洞的方法，对主桥、引桥跨中截面二维流场以及桥塔区的三维流场进行了研究，并且提出了两种风障设计方案。通过对等效桥面风速计影响系数的对比研究，确定了风障方案的挡风效果，为大桥的行车安全提供保障。

悬索桥；行车风环境；风障；数值风洞

0 引言

风致行车安全事故研究近年来得到了国内外桥梁运营管理部门以及专家学者的高度重视，主要是由于大风所致行车安全事故在造成车辆毁坏和交通中断的同时，还会产生人员伤亡以及直接和间接经济损失，造成恶劣的社会影响[1]。悬索桥是一种特大型的桥梁工程，投资大，在政治上、经济上的影响比较大，为了提高桥梁运营管理效率，保障行车安全，需要进行桥面行车风环境研究[2]。

1 概述

某悬索桥设计全长726 m，采用双向6车道高速公路标准设计，设计行车速度为100 km/h。该桥主跨406 m。全桥为漂浮体系，在塔梁连接处设有横向抗风支座，主梁采用流线型的扁平钢箱梁结构，双排平行主缆，门式桥塔，桥塔造型新颖，构造复杂。图1为主桥结构立面图，图2为主梁断面构造图。

图1 主桥结构立面示意图（单位：cm）

图2 主梁断面构造图（单位：cm）

该桥桥位沿线均属于暖温带大陆性气候，冷暖气团交替频繁，四季分明。瞬时最大风速为28 m/s，全年平均大风天数22.6 d。按照已建成桥梁的经验，当桥面实际瞬时风速达到19 m/s时，微型客车、轻型客车和空载集装箱车就将面临通行安全问题。本研究对该桥主桥截面、引桥截面以及桥塔区的行车风环境进行了研究，并提出了有效的风障措施来改善桥面行车安全。

2 几何建模及网格划分

首先按照设计方所提供的结构尺寸图建立主梁的几何模型，然后进行空间区域的网格划分。几何模型主要包括主梁、防撞栏杆、防撞墙、风障等构件。桥梁断面的特征截面主要选取主桥和引桥两个位置。为了考虑桥塔区对主桥桥面风环境的三维影响，针对主桥的桥塔及其一定范围内的主桥面进行三维模型的建立。几何模型主要由桥塔、主梁（防撞墙、护栏、风障等）组成。结构几何模型如图3所示。针对计算区域采用多块混合网格进行划分，同时在靠近主梁、桥塔等区域进行一定的局部加密。这样可以在我们关心的重要区域网格做到细密，非重要区域网格相对略粗，保证在总体网格数不变的情况下，提高了计算的精度，节约了有限的计算机资源[3]。

图3 计算截面几何模型

3 计算方法及边界条件设置

流场的数值模拟是以Navi er-St okes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。在Navi er-St okes方程求解中，采用直接数值求解（DNS）可精确描述绕流流动，但对三维高雷诺数绕流流动，这种数值模拟的计算量是难以承受的，在工程上常采用湍流模型来计算。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。

本研究报告采用基于时间平均的雷诺均值Navi er-St okes方程（RANS）模型中使用最广泛的Real i zabl ek-ε双方程湍流模型，计算方法及参数见表1。

表1 计算方法及参数列表

边界条件设置：流体入口边界条件采用了均匀来流的速度进口；出口边界条件为压力出口边界条件；无滑移固壁条件为桥塔、桥面、风障、防撞栏杆、防撞墙等。图4为计算区域边界条件设置。

图4 计算区域边界条件设置

4 桥面行车高度风环境研究

在计算区域设置一定的入口速度，通过数值求解可获得主梁区域的流场分布，从而可评估主梁区域的风环境。主要研究空间风速的变化，引入速度系数变量α来分析流场，该变量定义为：

式中：α为速度系数；υmean为研究空间某点的平均速度，m/s；υin为入口风速，m/s。

通过该系数的大小就可判断桥塔空间区域某点的风速相对大小。系数越大表示该点风速大，系数越小表示该点风速小，系数大于1表示该点风速大于来流风速，系数小于1表示该点风速小于来流风速。

考虑车道中心线，桥面以上10 m范围为风速监测位置，按照风速来流方向分别定义为车道6、车道5、车道4、车道3、车道2、车道1。为了便于研究桥塔区桥面的风环境，在顺桥向位置分别选取了研究位置：桥塔中心到外侧2 m、4 m、6 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m及离桥塔50 m远的位置。在离桥塔50 m远时，可认为桥面的风环境受桥塔的影响已经很小，可忽略[4]。横桥向车道选取与二维相同。通过计算，得到不同工况下流场分布以及各车道风速剖面（见图5～图7）。

图5 主桥及引桥截面流场显示

图6 主桥及引桥截面各车道风剖面显示

图7 桥塔区绕流场及风速剖面显示

5 桥面风障设置

风障考虑两种布置方式：主桥桥面分别布置为4道和3道，引桥桥面分别布置为5道和4道，风障布置方式如图8所示[5]。在桥塔区，设置过渡风障，防止气流突变[6]。

图8 桥面风障布置方式

6 等效桥面风速及影响系数

为了比较来流风速和桥面不同高度位置风速的对应关系，定义了等效桥面风速和影响系数。由于主梁和栏杆等附属结构的影响，均匀的侧向来流风速在桥面形成一定厚度的边界层。为了比较，根据侧向气动力等效原则定义等效桥面风速如下：

式中：zr为汽车所处的高度范围（m），一般的基本乘用车和交叉型乘用车选取高度范围为3.0 m，中型客车、大型客车和大型厢式货车高度范围选为5.0 m；u（z）为距桥面高度z处的风速，m/s。

桥梁结构对桥面风环境的影响用桥面等效风速与实际风速的比值表示，定义其为影响系数λs：

式中：Ueff为桥面等效风速，m/s；U∞为实际风速，m/s。

计算获得不同行车道位置5.0 m和3.0 m高度范围的影响系数（见表2、表3）。通过对比施加风障前后的效果可以看出：施加风障后，各截面的流场分布和和不同高度范围内的车道位置影响系数，与没有风障时相比，各车道位置影响系数有明显降低，风障的减风效果明显。主桥布置4道风障的效果略好于3道，引桥布置5道风障的效果略好于4道。

针对桥塔区域，计算获得不同距离。距桥塔中心不同距离各车道范围风速影响系数曲线如图9～图11所示。从图中可以看出，由于受到塔柱的影响：无风障时，桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈，且桥塔附近出现增大效应；在设置风障后，风速影响系数曲线变化趋缓，桥塔附近风速增大效应也有所消除。

表2 高度范围5 m桥面不同行车道位置影响系数

表3 高度范围3 m桥面不同行车道位置影响系数

图9 无风障时桥塔区各车道风速影响系数

图10 4道风障时桥塔区各车道风速影响系数

图11 3道风障时桥塔区各车道风速影响系数

7 结论

通过对该桥桥面行车风环境研究，可以得到以下主要结论：

（1）数值风洞技术通过良好的网格划分、合理的计算方法选择及边界条件设置，能够较好地得到构件周围流场分布。

（2）施加风障后，各截面的流场分布和和不同高度范围内的车道位置影响系数与没有风障时相比，各车道位置影响系数有明显降低，风障的减风效果明显。主桥布置4道风障的效果略好于3道，引桥布置5道风障的效果略好于4道。

（3）由于受到塔柱的影响：无风障时，桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈，且桥塔附近出现增大效应；在设置风障后，风速影响系数曲线变化趋缓，桥塔附近风速增大效应也有所消除。

[1] 陈艾荣,王达磊,庞加斌.跨海长桥风致行车安全研究[J].桥梁建设，2006(3):1-4．

[2] 王达磊.桥梁风致行车安全研究[D].上海：同济大学，2010．

[3] 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．

[4] T.Argent i ni,E.Ozkan,D.Rocchi,etal.Cross-wind effectsona vehicle crossing the wake of a bridge pylon[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics.2011,99(6):734-740．

[5] 董香婷.风障对桥面风环境影响的数值模拟研究[D].杭州：浙江大学，2006．

[6] S.Charuvisit,K.Kimura&Y.Fujino.Effects of wind barrier on a vehicle passing in the wake of a bridge tower in crosswind and its response[J].Journal of Wind Engineering&Industrial Aerodynamics.2004,92(7-8):609-639.

U448.25

A

1009-7716（2017）11-0193-04

2017-07-17

王同顺(1978-),男,江苏南京人,工程师,从事水土保持、工程管理工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.058