潤揚長江大橋北汊斜拉橋風流場數值模擬及壓力分布特性研究

杜 昕

(中設設計集團股份有限公司， 南京 210000)

斜拉橋是大跨徑橋梁工程中主要采用的結構型式，如蘇通長江大橋(主跨跨徑1 088 m)、湖北鄂東長江大橋(主跨跨徑926 m)、俄羅斯島大橋(主跨跨徑1 104 m)[1-4]。同時，由于斜拉橋普遍跨徑較大、導致橋梁主體結構彎矩大，容易受到外力作用引發結構振動。而斜拉橋需要設置主塔承壓，主塔高度較高且與橋梁跨徑成正相關，因此受到的風荷載較大[5]。目前，風荷載已成為斜拉橋結構穩定的主要影響因素之一，了解斜拉橋風壓力分布規律，分析風對斜拉橋的動力作用顯得十分重要[6]。

國內外學者對于橋梁風速流場現場實測及數值模擬做了一些工作，取得了若干成就和進展。加拿大的Davenport教授在1965—1970年間，對世界上100余座橋梁進行了風速測量與統計，并制定了Davenport風譜，用于描述不同地形、表面粗糙程度的風場剖面；日本東京大學的T.Amano等3位教授根據沖繩多次臺風實測資料，研究了臺風平均剖面并建立了描述方程；20世紀六七十年代，Vaslie Melling教授基于層流結構原理，建立了風模型的二維流體與三維流體結構，建立了數值模擬風流場的最初模型。此后的幾十年間，各國學者對數值模型的計算手段與參數選擇做了若干修正，目前權威度最高的數值計算模型為美國加州理工大學Senthooran教授提出的修正k-ε模型。

1 實例工程概況

潤揚長江大橋位于江蘇省鎮江市世業洲處，是跨長江高速公路的組成部分和重要節點，橋梁全長4.7 km。潤揚長江大橋被世業洲隔成南汊和北汊兩座橋梁，其中北汊橋為雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，橋梁主跨為406 m。主塔長758 m，高154 m,采用“鉆石”形預應力混凝土結構。斜拉索共布置104根。公路橋全線采用雙向6車道，設計時速為100 km。在最高通航水位下，橋梁通航凈高為18 m。

2 實測風況資料分析

風對斜拉橋的作用體現在兩方面，即風對橋梁結構的直接荷載作用以及風荷載引發的橋梁振動。本文采用實例工程的實測資料對工程處風況特性進行系統分析。

2.1 測量儀器選擇及布置

1) 風速、風向測量

綜合考慮測量精度、測量適用性，采用丹麥RBI公司生產的XY1000-1Q型風速測量儀對實例工況的風速進行分析。該測量儀的測量風速范圍為0～100 m/s，風量測量范圍為0～99 999 m3/h，測量誤差小于1% F.S。

儀器布置安裝在橋面(高約25 m)及橋塔頂處(高約179 m)。

2) 風壓測量

采用西班牙AFP實驗室的RE-1211D型多路風壓測量儀對實例工況的風壓進行分析。RE-1211D型測量儀的測量范圍為0～10 000 kPa/m，測量精度可達0.001 kPa/m。在橋塔塔身共布設60個測點測量風壓。

2.2 平均風速與風向

風速和風向在空間、時間序列上都是不斷變化的，只能通過分布函數對風速和風向進行概括描述。根據文獻[7]的研究，風速和風向在5～30 min內的平均值相對較為穩定，可以用來表征參考。因此，本文試驗取10 min的平均風速與風向作為特征值。橋面處和塔頂處的10 min風速歷程見圖1，風向歷程見圖2。

分析圖1及圖2可知：

① 橋面處實測10 min的樣本資料，主要風向為東北向，平均風攻角為52.0°；平均風速為6.69 m/s，最大風速為8.75 m/s。

② 塔頂處實測10 min的樣本資料，主要風向為東北向，平均風攻角為58.8°；平均風速為9.15 m/s，最大風速為10.60 m/s。

圖1 風速歷程測試結果

圖2 風向歷程測試結果

2.3 風流場脈動特性

由于風流場分布、強度分布隨時間存在隨機波動，目前主要通過紊流強度、陣風因子來進行研究。

1) 陣風因子

陣風因子的定義是指在陣風持續時間t內，風速的最大值與平均風速的比值，其定義表達式如下：

Gt=1+umax/U(t)

(1)

式中：t為陣風持續時間，通常取2～5 s，本工程取3 s；umax為風速的最大值；U(t)為時間t內的平均風速。根據《橋梁抗風設計指南》，I 類場地的陣風因子不應大于1.38。

本工程10 min的陣風因子歷程(取18個計算點)計算結果見圖3。分析可知：橋面處的橫向陣風因子最大值為0.19，縱向陣風因子最大值為1.21；塔頂處的橫向陣風因子最大值為0.18，縱向陣風因子最大值為1.02，均滿足規范要求。

2) 紊流強度

紊流強度的定義為風速在3個方向的標準方差之和與平均風速的比值，其定義表達式為

I=(σu+σv+σw)/U

(2)

式中：σu、σv、σw分別為風速在u、v、w方向的標準方差。

本工程10 min的紊流度歷程(取18個計算點)計算結果見圖4。分析可知：橋面處的橫向紊流度最大值為0.16，縱向紊流度最大值為0.18；塔頂處的橫向紊流度最大值為0.099，縱向紊流度最大值為0.098，小于《橋梁抗風設計指南》中I 類場地的紊流度推薦值0.20，可見實例工程的風脈動性相對較小。

圖3 陣風因子歷程曲線

圖4 紊流度歷程曲線

風壓特性測量結果見表1。

表1 計算精度驗證

3 數值模型建立

根據各計算軟件的計算原理適用性、計算精度、出圖效果等因素[7-9]，采用美國流體技術服務公司研發的Fluent流體計算軟件進行分析計算。

3.1 計算網格劃分

為保證模型計算的精確性，采用穩定性最好的三角網格對計算區域進行劃分。網格間距設為30 m，構筑物區間內的網格加密至10 m。

3.2 模型參數設置

模型入口采用速度入口，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。空氣密度根據實測值取為1.215 kg/m3，模型表面粗糙系數根據文獻[10-12]中的計算公式計算為0.033。橋面處紊流強度取0.135，塔頂處紊流強度取0.068，其他位置進行線性插值。紊動能系數取0.025。收斂標準定義為迭代殘差值小于0.000 1[13]。

3.3 模型精度驗證

選擇7#、9#、18#等9個實測點，其風壓力計算值與實測值的對比見表1。分析表1可知：9個測點的最大誤差率為7.93%，最小誤差率為0.91%，平均誤差率為3.75%，計算精度較高，能滿足實例工程的風流場特性數值模擬要求。

3.4 計算工況

本文研究最大風速時不同風攻角下橋梁的風流場分布及風壓力分布，結果見表2。

表2 數值模擬計算工況布置

4 模擬計算結果分析

4.1 橋塔整體受壓特性分析

最小(工況1)和最大(工況5)風攻角工況下橋塔壓力分布見圖5。其中，每組工況分布圖內，左側為橋塔迎風面、右側為橋塔背風面。

分析圖5可知：

① 在風攻角為-5°工況下，橋塔迎風面的風壓分布在-180～-10 Pa，均為負壓區，迎風面的負壓集中在局部地區，主要由于渦旋、紊流作用產生。背風面的風壓分布在-60 Pa左右，風壓分布變化較小。側面風塔分布在45～100 Pa，風壓分布變化幅度較大。

② 在風攻角為5°工況下，橋塔迎風面與背風面的壓力分布完全相反，迎風面的風壓分布在10～-70 Pa，基本為正壓區，在迎風面轉角處局部地區因為強烈渦旋作用出現較大負壓，負壓最大值可達 -230 Pa，對渦旋區表面剝離作用明顯；背風面的風壓分布均在-60 Pa左右，均為負壓區；側面的風壓分布為負壓與正壓的過渡區域，風壓分布范圍為-10～30 Pa。

圖5 各工況下橋塔壓力分布特性

4.2 橋梁斷面風壓力及流場分析

根據數模計算結果，各風攻角工況下橋梁斷面壓力分布及流線分布見圖6-10。

圖6 工況1(-5°風攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖7 工況2(-3°風攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖8 工況3(0°風攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖9 工況4(3°風攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

圖10 工況5(5°風攻角)下橋梁斷面壓力及流場分布

分析圖6-10可知：

① 在風攻角為0°的工況下，橋梁斷面左下角外側區域產生一部分正壓區，壓力分布范圍為25～80 Pa，正壓渦旋中心位于左側橋墩外側中心區域；在梁底大范圍區域、橋梁右側橋墩周圍以及左側梁頂局部區域產生負壓區，壓力分布范圍為-15～-100 Pa，負壓渦旋中心位于左半幅梁底區域，受橋面護欄、橋體外側不平整面的綜合影響，渦旋處產生明顯的分離、剝落現象。

② 隨著風攻角由0°逐漸減小至-5°，即負風攻角逐漸增大，正壓區域分布范圍及正壓大小基本保持不變；負壓分布范圍向梁底下方發展，負壓范圍增大，且在橋梁梁底左右兩側對角逐漸衍生出新的渦旋區，同時最大負壓值也由-100 Pa增大至-140 Pa，渦旋分離、脫離作用更加明顯。

③ 隨著風攻角由0°逐漸增大至5°，即正風攻角逐漸增大，正壓區域逐漸向橋梁梁底發展，首先在右側橋墩內側及右側梁底出現正壓區域，然后左右兩側橋墩正壓區域逐漸連在一起，正壓區域迅速擴張，但最大正壓值基本不變；負壓區域由橋梁梁底逐漸向上部發展，當風攻角達到5°時，負壓區域大幅縮小，集中在橋梁左側橋墩上側區域，最大負壓值增幅較大，由-100 Pa增大至-175 Pa；梁底流場由一個大尺度渦旋分離成一個大渦旋及若干個小渦旋，流場規律性明顯下降，風流動狀態變得復雜。

5 結論

以潤揚長江大橋北汊斜拉橋為研究實例，通過風流場數值模擬，結合工程處實測風特性資料，采取橋面、橋塔最大風速下風攻角分別為-5°、-3°、0°、3°、5°五組工況，對實例的壓力分布及流場特性進行了詳細研究。研究結論如下：

1) 風攻角的正負對橋塔風壓力分布影響較大。在正風攻角下，橋塔迎風面與背風面的壓力分布完全相反，其中迎風面基本為正壓區，背風面基本為負壓區；而在負風攻角下，橋塔迎風面及背風面均為負壓區。

2) 風攻角正負對橋梁斷面壓力及流場分布影響較大。在風攻角為0°的工況下，橋梁斷面流場相對較為規整，負壓區主要在橋梁梁底下，并形成一個大的尺度渦旋。

隨著風攻角逐漸向負向增大，負壓渦旋逐漸分解成一個大尺度渦旋及多個小渦旋，負壓范圍顯著擴大，仍分布在橋梁梁底以下區域。

隨著風攻角逐漸向正向增大，正壓渦旋范圍迅速擴張，原負壓區域逐漸轉變為正壓，負壓渦旋逐漸分解成一個大尺度渦旋及多個小渦旋，負壓范圍顯著擴大，仍分布在橋梁梁底以下區域，且在渦旋橋梁護欄及梁底處脫落現象明顯；負壓區域移動至左側橋墩上方的小區域，整體流場變得紊亂。