楊鴻波　江為學

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

山區(qū)高墩橋梁橋址風環(huán)境數(shù)值模擬*

楊鴻波江為學

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要采用結(jié)合橋址處地形進行風環(huán)境數(shù)值模擬的方法獲得大橋橋址處未設(shè)風速測點的橋梁結(jié)構(gòu)抗風所需的基本風速。建立三維數(shù)字地形模型并導入流場求解軟件，劃分網(wǎng)格，進行流場的數(shù)值模擬。以Navier-Stokes方程為基本控制方程，采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場，使用標準k-ε雙方程湍流模型。通過風速修正系數(shù)考察橋位風速與氣象站的風速關(guān)系。最后根據(jù)修正系數(shù)進行了風場指數(shù)α的擬合，確定橋位場地類別接近C類場地。

關(guān)鍵詞風環(huán)境數(shù)值模擬Navier-Stokes方程湍流模型風速修正系數(shù)

在國家西南部地區(qū)，眾多待建橋梁橋址處沒有足夠的風速站風速資料，而基本風速是對橋梁結(jié)構(gòu)進行抗風研究最基本的資料。獲得橋位風速的方法有物理風洞試驗方法和數(shù)值風洞技術(shù)。傳統(tǒng)的物理風洞試驗方法是依據(jù)運動相似性原理和流動相似性原理，在風洞中安裝建筑物模型和地形模型，研究建筑物的空氣動力學特性的方法。物理風洞試驗方法雖然具有準確直觀的特點，但是也存在周期長、成本高、有縮尺效應(yīng)等限制[1-2]。數(shù)值風洞技術(shù)是基于計算流體動力學原理，選擇合適的空氣湍流數(shù)學模型，并結(jié)合適當?shù)臄?shù)值算法模擬空氣動力特性。數(shù)值風洞技術(shù)具有模擬真實風環(huán)境的能力，并且可以構(gòu)建原型尺度的計算模型，有效彌補了物理風洞試驗方法的不足[3]。

本文針對貴州某大型橋梁橋址處的基本風速求解問題，應(yīng)用數(shù)值風洞技術(shù)，采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場，使用標準k-ε雙方程湍流模型，求解獲得橋位風速與氣象站的風速關(guān)系。

1　三維數(shù)字地形建模

為了實現(xiàn)橋址周圍地形風環(huán)境的模擬，需虛擬生成山區(qū)三維數(shù)字地形，在計算機系統(tǒng)里虛擬再現(xiàn)橋址周圍的地形地貌。利用橋位附近區(qū)域局部的精細平面等高線分布圖，并結(jié)合googleearth提供更大范圍的空地地形分布圖。見圖1～圖2。

圖1　橋位附近地形等高線圖

圖2　Google Earth獲取的地形圖

通過選取的上述等高線分布圖及大范圍地形圖，生成對應(yīng)的坐標空間點，見圖3，總共生成的模型空間點約5萬左右。

圖3　地形空間坐標點分布圖

利用上述獲得的空間點坐標，利用逆向工程原理，通過空間點集反向擬合生成所需要的三維數(shù)字地形曲面，見圖4。通過把三維數(shù)字地形模型導出，從而完成三維數(shù)字地形的建模處理。

圖4　逆向擬合生成的數(shù)字三維地形圖

2　地形風環(huán)境數(shù)值模擬

將得到三維數(shù)字地形模型導入流場求解軟件，并進行相應(yīng)的網(wǎng)格劃分，在地形變化較大的區(qū)域網(wǎng)格劃分相對較密，地形較平坦區(qū)域網(wǎng)格劃分相對較粗，整體網(wǎng)格劃分數(shù)量約500萬，見圖5～圖6。

圖5　大橋周圍山區(qū)地形幾何模型圖

圖6　大橋山區(qū)地形表面網(wǎng)格劃分圖

流場的數(shù)值模擬是以Navier-Stokes方程(繞流風的連續(xù)性方程及動量守恒方程)為基本控制方程，采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場。湍流模型是模擬均值化的流場，對難以分辨的小尺度渦在均值化過程加以忽略，而被忽略的小尺度渦在湍流模型中體現(xiàn)。本文采用基于時間平均的雷諾均值Navier-Stokes方程(RANS)模型中使用最廣泛的標準k-ε雙方程湍流模型[4-5]，計算方法及參數(shù)列表見表1。

表1　計算方法及參數(shù)列表

流體入口邊界條件：采用B類風場的風剖面作為來流入口，大氣邊界層風速設(shè)為10m/s；出口邊界條件為：壓力出口邊界條件；無滑移固壁條件：地形地面，見圖7。數(shù)值模擬考慮范圍：以橋位中心附近4km范圍的地形進行數(shù)值風洞試驗研究。

圖7　計算區(qū)域邊界條件設(shè)置

風向考慮該地區(qū)的大風方向為東北向，見圖8，在橋位上設(shè)置14個風速監(jiān)測點，所有的風速監(jiān)測點通過與設(shè)置地面附近的氣象站風速觀測點進行風速的大小對比來標定橋位處的風速分布。

圖8　計算區(qū)域邊界條件設(shè)置

風速測點對應(yīng)分別為：橋面上各個橋墩位置及主跨的跨中位置分別對應(yīng)的1～7測點，主橋墩的3個測點(橋墩1/4，1/2，3/4高度處)及旁邊4個橋墩中間位置處布置的4個測點，監(jiān)測點布置見圖9。

圖9　橋位風速監(jiān)測點布置圖

3　分析結(jié)果

為了考察橋位風速與氣象站的風速關(guān)系，定義風速修正系數(shù)：

通過數(shù)值模擬可以得到不同監(jiān)測點的風速修正系數(shù)，利用此修正系數(shù)可以獲得設(shè)計基準風速與氣象站基本風速的關(guān)系。通過分析得到的修正系數(shù)見表2，橋位空間各風速監(jiān)測點風速修正系數(shù)分布見圖10，地形風壓云圖見圖11，地形流場見圖12～13。

表2　各監(jiān)測點相對風速修正列表

圖10　橋位空間各風速監(jiān)測點風速修正系數(shù)分布圖

圖11　地形表面風壓云圖顯示

圖12　地形切面流場顯示

圖13　地形表面流場顯示

為了進一步獲得場地地形類別參數(shù)，將橋位處不同高度的修正系數(shù)與橋位10m高度的修正系數(shù)(數(shù)值計算為0.78)相比，建立橋位風速修正系數(shù)關(guān)系圖見圖14。根據(jù)此修正系數(shù)進行了風場指數(shù)α的擬合，擬合結(jié)果顯示α=0.21最接近分析結(jié)果。由此可見橋位場地類別接近C類場地。

圖14　風場指數(shù)擬合結(jié)果

4　結(jié)論

根據(jù)數(shù)值模擬分析得到的修正系數(shù)，可以建立橋位基準風速與基本風速的修正系數(shù)(與《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》中的高度修正系數(shù)一致)。由表2可見，主梁高度最不利修正系數(shù)為1.46，因此可以偏保守選用此修正系數(shù)作為風速確定的依據(jù)，同時橋位風場類別可確定為C類。

參考文獻

[1]黃志淵,陳燊.橋面風環(huán)境的數(shù)值風洞研究[J].福州大學學報：自然科學版,2007(1):95-99.

[2]謝華平,何敏娟.鋼管輸電塔平均風荷載數(shù)值模擬[J].結(jié)構(gòu)工程師,2009(2):104-107.

[3]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學出版社，2004．

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

[5]艾輝林.大渦模擬在橋梁風工程中的應(yīng)用[D].上海：同濟大學，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

*貴州省交通運輸廳科技項目(2010-122-017)資助