馬培新，張永水，劉 林，胡偉鋒，陳 寧

(1.青海省公路建設管理局，青海 西寧 810000；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.中交基礎設施養(yǎng)護集團有限公司，北京 100112；4.湖南科技大學 土木工程學院，湖南 湘潭 411201)

橋梁的三維擾流會對橋面上的風環(huán)境產(chǎn)生干擾，可能導致橋面汽車所受氣動力加劇，引起橋上汽車發(fā)生風致行車安全事故。例如，2004年8月11日，廣州虎門大橋上，大風將正在橋上行駛的7輛空載貨車掀翻；2005年9月1日，臺風“泰利”導致3輛大貨車在福建青州閩江大橋上被吹翻；2012年4月2日，蘇通大橋上7～8級大風將1輛長約10 m的長板車吹翻。

我國西部地區(qū)地勢艱險、峽谷眾多，橋面標高距谷底超過百米的高墩橋梁已不鮮見。峽谷地帶受地形效應影響，大風天氣較常見，由此帶來了更為顯著的風致汽車—橋梁動力響應問題。筆者針對青海省大循高速公路臥龍溝4號橋，開展高海拔峽谷地帶高墩T梁連續(xù)剛構的風致行車安全性分析，通過車輛動力響應限值，計算不同路況下車輛運營臨界風速曲線。

1 風—汽車—橋梁耦合分析方法

汽車在橋上運動，受橋面不平順激勵及脈動風荷載作用的動力響應將傳導給下部橋梁結構；同時，橋梁結構的動力響應亦會影響橋上汽車的動力響應，形成典型的車—橋耦合振動體系。

韓萬水[1]、王小松[2]、陳寧[3]、王帆[4]等先后開展了側風作用下汽車—橋梁動力響應問題的理論分析；喬朋等[5]綜述了我國車—橋耦合振動的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢；筆者采用WVBANSYS軟件進行風—汽車—橋梁耦合分析[3]。其中，汽車—橋梁氣動參數(shù)采用CFD仿真模擬得到，隨機風場參考文獻[3]、文獻[6]的方法進行模擬。

在路面不平度方面，文獻[7]、文獻[8]對不同等級路面的功率譜密度函數(shù)進行了詳細論述。根據(jù)路面粗糙程度，將路況分為7個等級，如表1。擬合功率譜密度函數(shù)如式(1)：

(1)

式中：n0=0.1 m-1，為空間參考頻率；ω為頻率指數(shù)，反映了路面譜的頻率結構，一般情況下取ω=2；Gd(n0)是空間頻率為n0時的路面功率譜密度，稱為路面不平度系數(shù)，mm3/cycle。

現(xiàn)有車橋耦合振動響應研究中，通常假定車輛左右輪路面輸入的函數(shù)為常值函數(shù)[9-10]，未考慮相干函數(shù)隨頻率衰減的特性。筆者參考文獻[11]、文獻[12]考慮了左、右車轍之間的相干特性。由于左右車輪的實際輸入并不完全相同，基于各向同性假定，左右車輪輸入具有相同的統(tǒng)計特性，互譜密度函數(shù)或相干函數(shù)可唯一確定兩者間的統(tǒng)計特性。相干函數(shù)表示如式(2)：

(2)

式中：SLL(n)、SRR(n)分別為左、右車輪輸入的自功率譜密度；SLR(n)為左右車輪輸入的互功率譜密度。

2 依托工程簡介

臥龍溝4號橋是青海省大循高速上的1座墩高超百米的高墩橋梁，大橋位于大力加山埡口東南約6.2 km 處，橋位區(qū)地貌屬河流沖積地貌，呈“U”字形。

橋址區(qū)地處高海拔地區(qū)，氣溫較低，年可施工期短，采用裝配式T預應力混凝土T梁橋(14 m×40 m)，梁截面參數(shù)如圖1。在兩端墩身較矮的4跨，采用先簡支后結構連續(xù)型式，墩高較高的跨采用先簡支后連續(xù)剛構的結構型式(共8跨)。筆者擬對高墩連續(xù)剛構橋進行風致行車安全性分析。

3 汽車—橋梁風荷載

3.1 CFD模型簡化

對于汽車—橋梁組合體系，在進行風—汽車—橋梁耦合分析時，通?？紤]橋梁3分力，即側向力(FH)、升力(FV)和側傾力矩(FM)；對汽車考慮5分力，即側向力(FS)、升力(FL)、側傾力矩(MR)、俯仰力矩(MP)和橫擺力矩(MY)，如圖2。

橋斷面尺寸較為復雜，為加快CFD模擬的計算效率，汽車—橋梁組合體系的靜力3分力計算，擬采用以下策略進行模擬：

1)采用二維模型直接模擬橋梁靜力3分力，計算域如圖3，二維網(wǎng)格如圖4，二維網(wǎng)格總數(shù)達30萬；

2)橋梁下部復雜的斷面形式對橋上汽車影響較小，采用三維簡化模型，模擬橋上汽車的5分力系數(shù)，三維網(wǎng)格如圖5，三維網(wǎng)格總數(shù)達500萬。

為比較準確地模擬氣動力，湍流計算模型均采用k-w SST模型。

3.2 氣動參數(shù)

考慮汽車和橋梁的抖振力，模擬在不同攻角(3°、0°和3°)下的氣動參數(shù)。采用二維網(wǎng)格模擬，得到不同攻角下的橋梁斷面3分力系數(shù)如表2。

表2 不同攻角下橋梁斷面3分力系數(shù)

不同攻角下廂式貨車側向力、升力、側風力矩、橫擺力矩及俯仰力矩系數(shù)如表3。

表3 不同攻角下廂式貨車5分力系數(shù)

4 側風作用下車輛行車性能分析

根據(jù)式(1)，考慮左右輪轍路面不平順的相干特性，相干函數(shù)采用Ammon相干函數(shù)“B2”類，模擬路面不平順時域樣本，以作為車橋耦合振動分析的外部激勵源。車輛在橋上運行過程中，多輛車以恒定速度沿車道中心線運行。車輛間距定義為前車車尾至后車頭之間的距離。依據(jù)某一時刻車隊荷載將滿布于某一聯(lián)跨為原則，確定間距統(tǒng)一取為10 m，橋總長560 m，不同類型車輛車體長度為L，車輛數(shù)N=560/(10+L)。

針對廂式貨車過橋時風—車—橋耦合振動進行分析，主要開展不同風速、不同車速和不同等級路面情況下廂式貨車通過橋梁時的風—車—橋耦合振動響應分析，并根據(jù)響應結果，確定車輛的行車臨界風速。綜合考慮各種因素組合，合計工況數(shù)為135，考慮工況情況如下：

1)5種車速類型：60、70、80、90、100 km/h；

2)9級風速條件：15、17、20、22、25、27、30、32、35 m/s；

3)3類ISO規(guī)定的道路路況等級：“非常好”、“好”、“一般”(參見表1)。

4.1 行車安全性

根據(jù)不同風速(15～35 m/s，每2～3 m為1級)，不同車速(60～100 km/h，每10 km/h為1級)和不同路況等級(“非常好”、“好”、“一般”)下車輛的動力響應，廂式貨車的行車安全臨界風速如表4。

表4 不同路況、路面及車速情況下行車臨界風速

綜合表4臨界風速情況可知，隨著路況等級惡化(“非常好”→“好”→“一般”)，路面條件惡化(“干”→“濕”→“雪”→“冰”)，以及行車速度提高，臨界風速總體上越來越小，即在更小的橫風作用下車輛可能會發(fā)生行車安全事故。因而，在路況等級和路面條件較差，又適逢大風天氣時，車輛應當減速慢行，甚至封閉交通。

4.2 行車舒適性

根據(jù)不同風速(15～35 m/s，每2～3 m為1級)，不同車速(60～100 km/h，每10 km/h為1級)和不同路況等級(“非常好”、“好”、“一般”)條件下車輛的動力響應，車輛的行車舒適性評價指標如圖7。

由圖6可知，在路況等級為“非常好”和“好”時，在給定的風速(15～35 m/s)和車速(60～100 km/h)范圍內行駛時，車輛均不會發(fā)生行車舒適性問題；當路況等級為“一般”，車輛的行駛速度超過80 km/h時，車輛總體計權均方根加速度大于0.8，橋上行車將會對駕乘人員產(chǎn)生不舒適的感受，因此路況等級不良情況下，一方面應減速慢行，另一方面應加強道路養(yǎng)護，維持道路運行狀態(tài)良好。

5 結 語

筆者以青海高海拔地區(qū)峽谷地帶高墩橋梁為工程背景，采用CFD軟件Fluent對典型的廂式貨車進行了汽車—橋梁組合氣動特性分析，分別獲取了在不同風攻角情況下的車輛、橋梁的氣動參數(shù)曲線?；谧跃幍娘L—汽車—橋梁耦合動力分析程序，開展了不同路況等級、不同路面條件及不同車速情況下的風車橋響應分析和評價，得到了不同情況下的限速運營標準。研究表明：

1)在100 km/h車速范圍內，車輛沿著不同等級的“干”路面行駛時，車輛的行車臨界風速均大于35 m/s，表明在35 m/s風速范圍內車輛不會發(fā)生行車安全事故。

2)在100 km/h車速范圍內車輛沿路況等級為“非常好”和“好”的“濕”路面行駛時，車輛的行車臨界風速為30 m/s，路況條件為“一般”時，行車臨界風速和車速分別為30 m/s和90 km/h，表明車輛行車安全臨界風速和車速均會隨著道路等級的變差而降低。

3)在路況等級為“非常好”和“好”時，在給定的風速(15 ～35 m/s)和車速(60～100 km/h)范圍內行駛時車輛均不會發(fā)生行車舒適性問題，當路面狀況為“一般”，車輛的行駛速度超過80 km/h時，車輛總體計權均方根加速度大于0.8，橋上行車將會對駕乘人員產(chǎn)生不舒適的感受。