某斜拉橋橋塔區行車風環境研究

王同順，鄭 亮

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

某斜拉橋橋塔區行車風環境研究

王同順1，鄭 亮2

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

采用數值風洞的方法，對某斜拉橋橋塔區三維流場數值模擬，通過在無監控室、無風障、有風障三種情況下橋塔區行車高度風環境的研究，結果表明：無風障時，由于受到塔柱的影響，橋塔區域各車道風速影響系數變化劇烈，且橋塔附近增大效應明顯；無監控室時，風速影響系數最大值變化不大，監控室對橋塔區行車風環境影響較小；在設置風障后，風速影響系數曲線變化趨緩，橋塔附近風速影響系數突變得到有效消除。設置風障能夠有效保障大風環境下行車安全。

斜拉橋；數值風洞；風障；風速影響系數

0 引言

橋梁行車風環境問題在國內外橋梁設計、建設及運營管理中越來越受到重視[1]。根據已建成橋梁的經驗，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[2]，如何采取有效措施提高大橋風天的通行安全，提高橋梁運營效率無疑是該橋建設和運營管理必須要解決的問題。目前降低橋面行車風環境的有效工程措施主要是加設風障[3]。國內外已加設風障的橋梁有英國Severn懸索橋、Severn二橋，法國Millau高架橋，中國杭州灣跨海大橋、青馬大橋等[4-5]。本文以某斜拉橋橋塔區行車道橋面行車高度范圍風速影響系數的最大值不超過同等高度非橋塔區主梁橋面行車高度范圍的風速影響系數為控制目標，采用數值風洞技術進行橋塔區橋面繞流仿真分析，結合控制目標，評價風障的減風效果，為后期橋梁風天的通行安全和提高橋梁運營效率提供數據和理論支撐。

1 工程概況

某斜拉橋的大橋全長6.017 km，主橋長1.074 km，主跨 590 m，總寬 35.95 m（見圖 1），設雙向 8車道，設計時速80 km，最大荷載為汽-超20級。主塔呈A形，主塔高217 m；拉索采用扇形平面布置，共30對240根。該橋橋位屬于北亞熱帶季風氣候，溫和濕潤，四季分明；歷史瞬時最大風速為22 m/s，大于8級的大風日年均22 d。

圖1 主梁跨中標準橫斷面布置圖（單位:mm）

風障布置于檢修道欄桿上，在橋塔中心線向外20 m范圍內，采用7道風障，每道風障高280 mm，透風率43%；往外12 m范圍內布置5道風障；9 m范圍內布置3道風障；9 m范圍內布置2道風障。單塔柱風障布置范圍總長度99 m。風障布置方案如圖2和圖3所示。

圖2 風障縱橋向布置（單位：m）

圖3 風障立面布置圖（單位：mm）

2 幾何建模及網格劃分

為了考慮橋塔區對主橋橋面風環境的三維影響，針對主橋的橋塔及其一定范圍內的主橋面進行三維模型的建立。首先按照設計方所提供的結構圖建立了主梁的幾何模型，然后進行空間區域的網格劃分。幾何模型主要包括橋塔、主梁（防撞護欄、風障等）組成，忽略主梁底部小縱梁、檢修車道等對橋面行車風環境沒有影響的構件。

針對橋塔計算區域采用多塊混合網格進行劃分，網格數量為2 500萬左右，同時在靠近橋塔區域進行一定的局部加密。這樣可以在重要區域網格做到細密，非重要區域網格相對略粗，保證在總體網格數不變的情況下，提高了計算的精度，節約了有限的計算機資源[6]。結構幾何模型及網格劃分如圖4 a所示。

圖4 結構幾何模型及計算區域邊界條件設置

3 計算方法及邊界條件設置

流場的數值模擬是以Navier-Stokes方程（繞流風的連續性方程及動量守恒方程）為基本控制方程，采用離散化的數值模擬方法求解流場。在Navier-Stokes方程求解中，采用直接數值求解（DNS）可精確描述繞流流動，但對三維高雷諾數繞流流動，這種數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中加以忽略，而被忽略的小尺度渦在湍流模型中體現[7]。

本研究采用基于時間平均的雷諾均值Navier-Sto kes方程（RANS）模型中使用最廣泛的Realizablek-ε雙方程湍流模型，計算方法及參數見表1。

表1 計算方法及參數列表

邊界條件設置：流體入口邊界條件采用了均勻來流10 m/s的速度進口，出口邊界條件為壓力出口邊界條件，無滑移固壁條件有橋面、風障、防撞欄桿、防撞墻等，如圖4 b所示。

4 橋面行車高度風環境研究

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

式中：α為速度系數；υmean為研究空間某點的平均速度；υin為入口風速。通過該系數的大小就可判斷橋塔空間區域某點的風速相對大小，系數越大表示該點風速大，系數越小表示該點風速小，系數大于1表示該點風速大于來流風速，系數小于1表示該點風速小于來流風速[8]。

考慮車道中心線，橋面以上10 m范圍為風速監測位置，按照風速來流方向分別定義為車道1、車道 2、車道 3、車道 4、車道 5、車道 6、車道 7、車道8，如圖5所示。

圖5 監視位置示意圖

為了便于研究橋塔區橋面的風環境，在無監控室時，在順橋向位置分別選取的研究位置有橋塔中心到外側 0 m、4 m、6 m、8 m、8.5 m、9 m、9.5 m、10 m及離橋塔70m遠的位置，該處位置可認為橋面的風環境受橋塔的影響已經很小，可忽略[9]；在無風障時，在順橋向位置分別選取的研究位置有橋塔中心到外側0 m、2 m、4 m、6m、8 m、10 m、12 m、20 m及離橋塔70 m遠的位置；在有風障時，在順橋向位置分別選取的研究位置有橋塔中心到外側 0 m、4 m、6 m、8 m、10 m、25 m、36 m、45 m及離橋塔70 m遠的位置。橋塔區繞流場顯示圖及橋面風速剖面圖如圖6～圖8所示。

圖6 無監控室時橋塔區繞流場顯示及橋面風速剖面顯示圖

圖7 無風障時橋塔區繞流場和橋面風速剖面顯示圖

圖8 有風障時橋塔區繞流場及橋面風速剖面顯示圖

5 等效橋面風速及影響系數

為了比較來流風速和橋面不同高度位置風速的對應關系，定義了等效橋面風速和影響系數。由于主梁和欄桿等附屬結構的影響，均勻的側向來流風速在橋面形成一定厚度的邊界層，為了比較，根據側向氣動力等效原則定義等效橋面風速如下：

式中：zr表示汽車所處的高度范圍。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。橋梁結構對橋面風環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：

計算獲得距橋塔中心不同距離，在行車道位置5.0 m和3.0 m高度各車道范圍風速影響系數如圖9～圖11所示。從圖中可以看出，無監控室時，風速影響系數最大值數值變化不大，位置向外偏移；由于受到塔柱的影響，無風障時，橋塔區域各車道風速影響系數變化劇烈，且橋塔附近出現增大效應；在設置風障后，風速影響系數曲線變化更加平緩，橋塔附近風速影響系數突變得到有效消除。

圖9 無監控室時橋塔區各車道風速影響系數

圖10 無風障時橋塔區各車道風速影響系數

圖11 有風障時橋塔區各車道風速影響系數

6 結語

通過建立某斜拉橋橋塔區三維流場模型，對橋塔區行車風環境進行研究，得到了各位置處的車道位置影響系數，可以得到以下主要結論：

（1）無風障時，由于受到塔柱的影響，橋塔區域各車道風速影響系數變化劇烈，且橋塔附近增大效應明顯。

（2）無監控室時，風速影響系數最大值變化不大，監控室對橋塔區行車風環境影響較小。

（3）在設置風障后，風速影響系數曲線變化趨緩，橋塔附近風速影響系數突變得到有效消除。設置風障能夠有效保障大風環境下行車安全。

[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，2006(3):1-4．

[2]JTG/T D60-01—2004，公路橋梁抗風設計規范[S].

[3]夏錦林，李珂，葛耀君，等.不同風障形式下橋梁斷面行車風環境及顫振性能[J].哈爾濱工業大學學報,2017,49(3):98-105.

[4]OSTENFELD K H．Great belt link:the east bridge[J].Concrete International,1992,14(12):643．

[5]陳曉冬.大跨橋梁側風行車安全分析[D].上海:同濟大學,2007．

[6]艾輝林.大渦模擬在橋梁風工程中的應用[D].上海：同濟大學，2007．

[7]陳政清.橋梁風工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8]艾輝林,陳艾榮.跨海大橋橋塔區風環境數值風洞模擬[J].工程力學,2010(S1):196-199.

[9]ARGENTINI T，OZKAN E，ROCCHI D，et al.Cross-wind effects on a vehicle crossing the wake of a bridge pylon[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011,99(6):734-740.

北京首條中低速磁浮線路S1線年底開通 將新建7條道路

北京首條中低速磁浮線路S1線將于今年年底開通試運營。為方便市民乘坐新線，交通部門新建7條道路。

S1線西起石門營站，東至蘋果園站，全長10.2 km，共設8座車站，分別是：石廠站、小園站、栗園莊站、上岸站、橋戶營站、四道橋站、金安橋站、蘋果園站。年底將開通石門營站至金安橋站區段。

S1線是北京市首條中低速磁浮線路，最高運行時速為100 km/h，列車采用6輛編組，總長度為89.6 m，額定載客數為1 032人，通車后會有10組列車用于日常運營。

為方便市民乘坐新線，交通部門新建7條道路，在石廠站建設5 500 m2P+R停車場，新建3個公交場站和7個公交?？空窘玉g新線。

7條道路分別是石廠站車輛段一路、石廠站車輛段二路、石廠站石園北路、栗園莊站新城大街、上岸站雅安路、橋戶營站臨時接駁道路和四道橋站人行步道。7條接駁道路均已進場施工，同時加快施工進度，確保年底前順利通車。

石廠站5 500 m2P+R停車場正在緊張建設之中，爭取年底與新線同步投入使用。

同時，還將新建石廠站、小園站和金安橋站3個臨時公交場站。開通的每個站點都新配建公交停靠站，共計15個，方便市民乘坐公交接駁線路搭乘地鐵。

U442.5+9

A

1009-7716（2017）12-0177-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.049

2017-08-20

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。