润扬长江大桥北汊斜拉桥风流场数值模拟及压力分布特性研究

2019-07-17杜昕

重庆理工大学学报(自然科学) 2019年6期

杜昕

(中设设计集团股份有限公司，南京 210000)

斜拉桥是大跨径桥梁工程中主要采用的结构型式，如苏通长江大桥(主跨跨径1 088 m)、湖北鄂东长江大桥(主跨跨径926 m)、俄罗斯岛大桥(主跨跨径1 104 m)[1-4]。同时，由于斜拉桥普遍跨径较大、导致桥梁主体结构弯矩大，容易受到外力作用引发结构振动。而斜拉桥需要设置主塔承压，主塔高度较高且与桥梁跨径成正相关，因此受到的风荷载较大[5]。目前，风荷载已成为斜拉桥结构稳定的主要影响因素之一，了解斜拉桥风压力分布规律，分析风对斜拉桥的动力作用显得十分重要[6]。

国内外学者对于桥梁风速流场现场实测及数值模拟做了一些工作，取得了若干成就和进展。加拿大的Davenport教授在1965—1970年间，对世界上100余座桥梁进行了风速测量与统计，并制定了Davenport风谱，用于描述不同地形、表面粗糙程度的风场剖面；日本东京大学的T.Amano等3位教授根据冲绳多次台风实测资料，研究了台风平均剖面并建立了描述方程；20世纪六七十年代，Vaslie Melling教授基于层流结构原理，建立了风模型的二维流体与三维流体结构，建立了数值模拟风流场的最初模型。此后的几十年间，各国学者对数值模型的计算手段与参数选择做了若干修正，目前权威度最高的数值计算模型为美国加州理工大学Senthooran教授提出的修正k-ε模型。

1 实例工程概况

润扬长江大桥位于江苏省镇江市世业洲处，是跨长江高速公路的组成部分和重要节点，桥梁全长4.7 km。润扬长江大桥被世业洲隔成南汊和北汊两座桥梁，其中北汊桥为双塔双索面钢箱梁斜拉桥，桥梁主跨为406 m。主塔长758 m，高154 m,采用“钻石”形预应力混凝土结构。斜拉索共布置104根。公路桥全线采用双向6车道，设计时速为100 km。在最高通航水位下，桥梁通航净高为18 m。

2 实测风况资料分析

风对斜拉桥的作用体现在两方面，即风对桥梁结构的直接荷载作用以及风荷载引发的桥梁振动。本文采用实例工程的实测资料对工程处风况特性进行系统分析。

2.1 测量仪器选择及布置

1) 风速、风向测量

综合考虑测量精度、测量适用性，采用丹麦RBI公司生产的XY1000-1Q型风速测量仪对实例工况的风速进行分析。该测量仪的测量风速范围为0～100 m/s，风量测量范围为0～99 999 m3/h，测量误差小于1% F.S。

仪器布置安装在桥面(高约25 m)及桥塔顶处(高约179 m)。

2) 风压测量

采用西班牙AFP实验室的RE-1211D型多路风压测量仪对实例工况的风压进行分析。RE-1211D型测量仪的测量范围为0～10 000 kPa/m，测量精度可达0.001 kPa/m。在桥塔塔身共布设60个测点测量风压。

2.2 平均风速与风向

风速和风向在空间、时间序列上都是不断变化的，只能通过分布函数对风速和风向进行概括描述。根据文献[7]的研究，风速和风向在5～30 min内的平均值相对较为稳定，可以用来表征参考。因此，本文试验取10 min的平均风速与风向作为特征值。桥面处和塔顶处的10 min风速历程见图1，风向历程见图2。

分析图1及图2可知：

① 桥面处实测10 min的样本资料，主要风向为东北向，平均风攻角为52.0°；平均风速为6.69 m/s，最大风速为8.75 m/s。

② 塔顶处实测10 min的样本资料，主要风向为东北向，平均风攻角为58.8°；平均风速为9.15 m/s，最大风速为10.60 m/s。

图1 风速历程测试结果

图2 风向历程测试结果

2.3 风流场脉动特性

由于风流场分布、强度分布随时间存在随机波动，目前主要通过紊流强度、阵风因子来进行研究。

1) 阵风因子

阵风因子的定义是指在阵风持续时间t内，风速的最大值与平均风速的比值，其定义表达式如下：

Gt=1+umax/U(t)

(1)

式中：t为阵风持续时间，通常取2～5 s，本工程取3 s；umax为风速的最大值；U(t)为时间t内的平均风速。根据《桥梁抗风设计指南》，I 类场地的阵风因子不应大于1.38。

本工程10 min的阵风因子历程(取18个计算点)计算结果见图3。分析可知：桥面处的横向阵风因子最大值为0.19，纵向阵风因子最大值为1.21；塔顶处的横向阵风因子最大值为0.18，纵向阵风因子最大值为1.02，均满足规范要求。

2) 紊流强度

紊流强度的定义为风速在3个方向的标准方差之和与平均风速的比值，其定义表达式为

I=(σu+σv+σw)/U

(2)

式中：σu、σv、σw分别为风速在u、v、w方向的标准方差。

本工程10 min的紊流度历程(取18个计算点)计算结果见图4。分析可知：桥面处的横向紊流度最大值为0.16，纵向紊流度最大值为0.18；塔顶处的横向紊流度最大值为0.099，纵向紊流度最大值为0.098，小于《桥梁抗风设计指南》中I 类场地的紊流度推荐值0.20，可见实例工程的风脉动性相对较小。

图3 阵风因子历程曲线

图4 紊流度历程曲线

风压特性测量结果见表1。

表1 计算精度验证

3 数值模型建立

根据各计算软件的计算原理适用性、计算精度、出图效果等因素[7-9]，采用美国流体技术服务公司研发的Fluent流体计算软件进行分析计算。

3.1 计算网格划分

为保证模型计算的精确性，采用稳定性最好的三角网格对计算区域进行划分。网格间距设为30 m，构筑物区间内的网格加密至10 m。

3.2 模型参数设置

模型入口采用速度入口，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。空气密度根据实测值取为1.215 kg/m3，模型表面粗糙系数根据文献[10-12]中的计算公式计算为0.033。桥面处紊流强度取0.135，塔顶处紊流强度取0.068，其他位置进行线性插值。紊动能系数取0.025。收敛标准定义为迭代残差值小于0.000 1[13]。

3.3 模型精度验证

选择7#、9#、18#等9个实测点，其风压力计算值与实测值的对比见表1。分析表1可知：9个测点的最大误差率为7.93%，最小误差率为0.91%，平均误差率为3.75%，计算精度较高，能满足实例工程的风流场特性数值模拟要求。

3.4 计算工况

本文研究最大风速时不同风攻角下桥梁的风流场分布及风压力分布，结果见表2。

表2 数值模拟计算工况布置

4 模拟计算结果分析

4.1 桥塔整体受压特性分析

最小(工况1)和最大(工况5)风攻角工况下桥塔压力分布见图5。其中，每组工况分布图内，左侧为桥塔迎风面、右侧为桥塔背风面。

分析图5可知：

① 在风攻角为-5°工况下，桥塔迎风面的风压分布在-180～-10 Pa，均为负压区，迎风面的负压集中在局部地区，主要由于涡旋、紊流作用产生。背风面的风压分布在-60 Pa左右，风压分布变化较小。侧面风塔分布在45～100 Pa，风压分布变化幅度较大。

② 在风攻角为5°工况下，桥塔迎风面与背风面的压力分布完全相反，迎风面的风压分布在10～-70 Pa，基本为正压区，在迎风面转角处局部地区因为强烈涡旋作用出现较大负压，负压最大值可达 -230 Pa，对涡旋区表面剥离作用明显；背风面的风压分布均在-60 Pa左右，均为负压区；侧面的风压分布为负压与正压的过渡区域，风压分布范围为-10～30 Pa。

图5 各工况下桥塔压力分布特性

4.2 桥梁断面风压力及流场分析

根据数模计算结果，各风攻角工况下桥梁断面压力分布及流线分布见图6-10。

图6 工况1(-5°风攻角)下桥梁断面压力及流场分布

图7 工况2(-3°风攻角)下桥梁断面压力及流场分布

图8 工况3(0°风攻角)下桥梁断面压力及流场分布

图9 工况4(3°风攻角)下桥梁断面压力及流场分布

图10 工况5(5°风攻角)下桥梁断面压力及流场分布

分析图6-10可知：

① 在风攻角为0°的工况下，桥梁断面左下角外侧区域产生一部分正压区，压力分布范围为25～80 Pa，正压涡旋中心位于左侧桥墩外侧中心区域；在梁底大范围区域、桥梁右侧桥墩周围以及左侧梁顶局部区域产生负压区，压力分布范围为-15～-100 Pa，负压涡旋中心位于左半幅梁底区域，受桥面护栏、桥体外侧不平整面的综合影响，涡旋处产生明显的分离、剥落现象。

② 随着风攻角由0°逐渐减小至-5°，即负风攻角逐渐增大，正压区域分布范围及正压大小基本保持不变；负压分布范围向梁底下方发展，负压范围增大，且在桥梁梁底左右两侧对角逐渐衍生出新的涡旋区，同时最大负压值也由-100 Pa增大至-140 Pa，涡旋分离、脱离作用更加明显。

③ 随着风攻角由0°逐渐增大至5°，即正风攻角逐渐增大，正压区域逐渐向桥梁梁底发展，首先在右侧桥墩内侧及右侧梁底出现正压区域，然后左右两侧桥墩正压区域逐渐连在一起，正压区域迅速扩张，但最大正压值基本不变；负压区域由桥梁梁底逐渐向上部发展，当风攻角达到5°时，负压区域大幅缩小，集中在桥梁左侧桥墩上侧区域，最大负压值增幅较大，由-100 Pa增大至-175 Pa；梁底流场由一个大尺度涡旋分离成一个大涡旋及若干个小涡旋，流场规律性明显下降，风流动状态变得复杂。