王同順，鄭亮

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇南京210017；2.上海黃埔江大橋建設(shè)有限公司，上海市200090）

懸索橋行車風環(huán)境研究

王同順1，鄭亮2

（1.江蘇省水利科學研究院，江蘇南京210017；2.上海黃埔江大橋建設(shè)有限公司，上海市200090）

某懸索橋位于平原地區(qū)，為了提高其運營管理效率并且保障行車安全，對橋面行車風環(huán)境進行研究。采用數(shù)值風洞的方法，對主橋、引橋跨中截面二維流場以及橋塔區(qū)的三維流場進行了研究，并且提出了兩種風障設(shè)計方案。通過對等效橋面風速計影響系數(shù)的對比研究，確定了風障方案的擋風效果，為大橋的行車安全提供保障。

懸索橋；行車風環(huán)境；風障；數(shù)值風洞

0 引言

風致行車安全事故研究近年來得到了國內(nèi)外橋梁運營管理部門以及專家學者的高度重視，主要是由于大風所致行車安全事故在造成車輛毀壞和交通中斷的同時，還會產(chǎn)生人員傷亡以及直接和間接經(jīng)濟損失，造成惡劣的社會影響[1]。懸索橋是一種特大型的橋梁工程，投資大，在政治上、經(jīng)濟上的影響比較大，為了提高橋梁運營管理效率，保障行車安全，需要進行橋面行車風環(huán)境研究[2]。

1 概述

某懸索橋設(shè)計全長726 m，采用雙向6車道高速公路標準設(shè)計，設(shè)計行車速度為100 km/h。該橋主跨406 m。全橋為漂浮體系，在塔梁連接處設(shè)有橫向抗風支座，主梁采用流線型的扁平鋼箱梁結(jié)構(gòu)，雙排平行主纜，門式橋塔，橋塔造型新穎，構(gòu)造復(fù)雜。圖1為主橋結(jié)構(gòu)立面圖，圖2為主梁斷面構(gòu)造圖。

圖1 主橋結(jié)構(gòu)立面示意圖（單位：cm）

圖2 主梁斷面構(gòu)造圖（單位：cm）

該橋橋位沿線均屬于暖溫帶大陸性氣候，冷暖氣團交替頻繁，四季分明。瞬時最大風速為28 m/s，全年平均大風天數(shù)22.6 d。按照已建成橋梁的經(jīng)驗，當橋面實際瞬時風速達到19 m/s時，微型客車、輕型客車和空載集裝箱車就將面臨通行安全問題。本研究對該橋主橋截面、引橋截面以及橋塔區(qū)的行車風環(huán)境進行了研究，并提出了有效的風障措施來改善橋面行車安全。

2 幾何建模及網(wǎng)格劃分

首先按照設(shè)計方所提供的結(jié)構(gòu)尺寸圖建立主梁的幾何模型，然后進行空間區(qū)域的網(wǎng)格劃分。幾何模型主要包括主梁、防撞欄桿、防撞墻、風障等構(gòu)件。橋梁斷面的特征截面主要選取主橋和引橋兩個位置。為了考慮橋塔區(qū)對主橋橋面風環(huán)境的三維影響，針對主橋的橋塔及其一定范圍內(nèi)的主橋面進行三維模型的建立。幾何模型主要由橋塔、主梁（防撞墻、護欄、風障等）組成。結(jié)構(gòu)幾何模型如圖3所示。針對計算區(qū)域采用多塊混合網(wǎng)格進行劃分，同時在靠近主梁、橋塔等區(qū)域進行一定的局部加密。這樣可以在我們關(guān)心的重要區(qū)域網(wǎng)格做到細密，非重要區(qū)域網(wǎng)格相對略粗，保證在總體網(wǎng)格數(shù)不變的情況下，提高了計算的精度，節(jié)約了有限的計算機資源[3]。

圖3 計算截面幾何模型

3 計算方法及邊界條件設(shè)置

流場的數(shù)值模擬是以Navi er-St okes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。在Navi er-St okes方程求解中，采用直接數(shù)值求解（DNS）可精確描述繞流流動，但對三維高雷諾數(shù)繞流流動，這種數(shù)值模擬的計算量是難以承受的，在工程上常采用湍流模型來計算。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)。

本研究報告采用基于時間平均的雷諾均值Navi er-St okes方程（RANS）模型中使用最廣泛的Real i zabl ek-ε雙方程湍流模型，計算方法及參數(shù)見表1。

表1 計算方法及參數(shù)列表

邊界條件設(shè)置：流體入口邊界條件采用了均勻來流的速度進口；出口邊界條件為壓力出口邊界條件；無滑移固壁條件為橋塔、橋面、風障、防撞欄桿、防撞墻等。圖4為計算區(qū)域邊界條件設(shè)置。

圖4 計算區(qū)域邊界條件設(shè)置

4 橋面行車高度風環(huán)境研究

在計算區(qū)域設(shè)置一定的入口速度，通過數(shù)值求解可獲得主梁區(qū)域的流場分布，從而可評估主梁區(qū)域的風環(huán)境。主要研究空間風速的變化，引入速度系數(shù)變量α來分析流場，該變量定義為：

式中：α為速度系數(shù)；υmean為研究空間某點的平均速度，m/s；υin為入口風速，m/s。

通過該系數(shù)的大小就可判斷橋塔空間區(qū)域某點的風速相對大小。系數(shù)越大表示該點風速大，系數(shù)越小表示該點風速小，系數(shù)大于1表示該點風速大于來流風速，系數(shù)小于1表示該點風速小于來流風速。

考慮車道中心線，橋面以上10 m范圍為風速監(jiān)測位置，按照風速來流方向分別定義為車道6、車道5、車道4、車道3、車道2、車道1。為了便于研究橋塔區(qū)橋面的風環(huán)境，在順橋向位置分別選取了研究位置：橋塔中心到外側(cè)2 m、4 m、6 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m及離橋塔50 m遠的位置。在離橋塔50 m遠時，可認為橋面的風環(huán)境受橋塔的影響已經(jīng)很小，可忽略[4]。橫橋向車道選取與二維相同。通過計算，得到不同工況下流場分布以及各車道風速剖面（見圖5～圖7）。

圖5 主橋及引橋截面流場顯示

圖6 主橋及引橋截面各車道風剖面顯示

圖7 橋塔區(qū)繞流場及風速剖面顯示

5 橋面風障設(shè)置

風障考慮兩種布置方式：主橋橋面分別布置為4道和3道，引橋橋面分別布置為5道和4道，風障布置方式如圖8所示[5]。在橋塔區(qū)，設(shè)置過渡風障，防止氣流突變[6]。

圖8 橋面風障布置方式

6 等效橋面風速及影響系數(shù)

為了比較來流風速和橋面不同高度位置風速的對應(yīng)關(guān)系，定義了等效橋面風速和影響系數(shù)。由于主梁和欄桿等附屬結(jié)構(gòu)的影響，均勻的側(cè)向來流風速在橋面形成一定厚度的邊界層。為了比較，根據(jù)側(cè)向氣動力等效原則定義等效橋面風速如下：

式中：zr為汽車所處的高度范圍（m），一般的基本乘用車和交叉型乘用車選取高度范圍為3.0 m，中型客車、大型客車和大型廂式貨車高度范圍選為5.0 m；u（z）為距橋面高度z處的風速，m/s。

橋梁結(jié)構(gòu)對橋面風環(huán)境的影響用橋面等效風速與實際風速的比值表示，定義其為影響系數(shù)λs：

式中：Ueff為橋面等效風速，m/s；U∞為實際風速，m/s。

計算獲得不同行車道位置5.0 m和3.0 m高度范圍的影響系數(shù)（見表2、表3）。通過對比施加風障前后的效果可以看出：施加風障后，各截面的流場分布和和不同高度范圍內(nèi)的車道位置影響系數(shù)，與沒有風障時相比，各車道位置影響系數(shù)有明顯降低，風障的減風效果明顯。主橋布置4道風障的效果略好于3道，引橋布置5道風障的效果略好于4道。

針對橋塔區(qū)域，計算獲得不同距離。距橋塔中心不同距離各車道范圍風速影響系數(shù)曲線如圖9～圖11所示。從圖中可以看出，由于受到塔柱的影響：無風障時，橋塔區(qū)域各車道風速影響系數(shù)變化劇烈，且橋塔附近出現(xiàn)增大效應(yīng)；在設(shè)置風障后，風速影響系數(shù)曲線變化趨緩，橋塔附近風速增大效應(yīng)也有所消除。

表2 高度范圍5 m橋面不同行車道位置影響系數(shù)

表3 高度范圍3 m橋面不同行車道位置影響系數(shù)

圖9 無風障時橋塔區(qū)各車道風速影響系數(shù)

圖10 4道風障時橋塔區(qū)各車道風速影響系數(shù)

圖11 3道風障時橋塔區(qū)各車道風速影響系數(shù)

7 結(jié)論

通過對該橋橋面行車風環(huán)境研究，可以得到以下主要結(jié)論：

（1）數(shù)值風洞技術(shù)通過良好的網(wǎng)格劃分、合理的計算方法選擇及邊界條件設(shè)置，能夠較好地得到構(gòu)件周圍流場分布。

（2）施加風障后，各截面的流場分布和和不同高度范圍內(nèi)的車道位置影響系數(shù)與沒有風障時相比，各車道位置影響系數(shù)有明顯降低，風障的減風效果明顯。主橋布置4道風障的效果略好于3道，引橋布置5道風障的效果略好于4道。

（3）由于受到塔柱的影響：無風障時，橋塔區(qū)域各車道風速影響系數(shù)變化劇烈，且橋塔附近出現(xiàn)增大效應(yīng)；在設(shè)置風障后，風速影響系數(shù)曲線變化趨緩，橋塔附近風速增大效應(yīng)也有所消除。

[1] 陳艾榮,王達磊,龐加斌.跨海長橋風致行車安全研究[J].橋梁建設(shè)，2006(3):1-4．

[2] 王達磊.橋梁風致行車安全研究[D].上海：同濟大學，2010．

[3] 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．

[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.風障對橋面風環(huán)境影響的數(shù)值模擬研究[D].杭州：浙江大學，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

王同順(1978-),男,江蘇南京人,工程師,從事水土保持、工程管理工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.058