高海拔峽谷地帶高墩橋梁風(fēng)致行車安全性分析

馬培新，張永水，劉 林，胡偉鋒，陳 寧

(1.青海省公路建設(shè)管理局，青海 西寧 810000；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；3.中交基礎(chǔ)設(shè)施養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司，北京 100112；4.湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

橋梁的三維擾流會對橋面上的風(fēng)環(huán)境產(chǎn)生干擾，可能導(dǎo)致橋面汽車所受氣動力加劇，引起橋上汽車發(fā)生風(fēng)致行車安全事故。例如，2004年8月11日，廣州虎門大橋上，大風(fēng)將正在橋上行駛的7輛空載貨車掀翻；2005年9月1日，臺風(fēng)“泰利”導(dǎo)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(fēng)將1輛長約10 m的長板車吹翻。

我國西部地區(qū)地勢艱險(xiǎn)、峽谷眾多，橋面標(biāo)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(yīng)影響，大風(fēng)天氣較常見，由此帶來了更為顯著的風(fēng)致汽車—橋梁動力響應(yīng)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(gòu)的風(fēng)致行車安全性分析，通過車輛動力響應(yīng)限值，計(jì)算不同路況下車輛運(yùn)營臨界風(fēng)速曲線。

1 風(fēng)—汽車—橋梁耦合分析方法

汽車在橋上運(yùn)動，受橋面不平順激勵(lì)及脈動風(fēng)荷載作用的動力響應(yīng)將傳導(dǎo)給下部橋梁結(jié)構(gòu)；同時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)亦會影響橋上汽車的動力響應(yīng)，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(cè)風(fēng)作用下汽車—橋梁動力響應(yīng)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(jìn)行風(fēng)—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(jī)風(fēng)場參考文獻(xiàn)[3]、文獻(xiàn)[6]的方法進(jìn)行模擬。

在路面不平度方面，文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]對不同等級路面的功率譜密度函數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)論述。根據(jù)路面粗糙程度，將路況分為7個(gè)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(jié)構(gòu)，一般情況下取ω=2；Gd(n0)是空間頻率為n0時(shí)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(yīng)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(xiàn)[11]、文獻(xiàn)[12]考慮了左、右車轍之間的相干特性。由于左右車輪的實(shí)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(jì)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(jì)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(yù)應(yīng)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(jié)構(gòu)連續(xù)型式，墩高較高的跨采用先簡支后連續(xù)剛構(gòu)的結(jié)構(gòu)型式(共8跨)。筆者擬對高墩連續(xù)剛構(gòu)橋進(jìn)行風(fēng)致行車安全性分析。

3 汽車—橋梁風(fēng)荷載

3.1 CFD模型簡化

對于汽車—橋梁組合體系，在進(jìn)行風(fēng)—汽車—橋梁耦合分析時(shí)，通?？紤]橋梁3分力，即側(cè)向力(FH)、升力(FV)和側(cè)傾力矩(FM)；對汽車考慮5分力，即側(cè)向力(FS)、升力(FL)、側(cè)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(fù)雜，為加快CFD模擬的計(jì)算效率，汽車—橋梁組合體系的靜力3分力計(jì)算，擬采用以下策略進(jìn)行模擬：

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

2)橋梁下部復(fù)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(dá)500萬。

為比較準(zhǔn)確地模擬氣動力，湍流計(jì)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(cè)向力、升力、側(cè)風(fēng)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(cè)風(fēng)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(shí)域樣本，以作為車橋耦合振動分析的外部激勵(lì)源。車輛在橋上運(yùn)行過程中，多輛車以恒定速度沿車道中心線運(yùn)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(shí)刻車隊(duì)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(shí)風(fēng)—車—橋耦合振動進(jìn)行分析，主要開展不同風(fēng)速、不同車速和不同等級路面情況下廂式貨車通過橋梁時(shí)的風(fēng)—車—橋耦合振動響應(yīng)分析，并根據(jù)響應(yīng)結(jié)果，確定車輛的行車臨界風(fēng)速。綜合考慮各種因素組合，合計(jì)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(fēng)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(fēng)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(yīng)，廂式貨車的行車安全臨界風(fēng)速如表4。

表4 不同路況、路面及車速情況下行車臨界風(fēng)速

綜合表4臨界風(fēng)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(fēng)速總體上越來越小，即在更小的橫風(fēng)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(fēng)天氣時(shí)，車輛應(yīng)當(dāng)減速慢行，甚至封閉交通。

4.2 行車舒適性

根據(jù)不同風(fēng)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(yīng)，車輛的行車舒適性評價(jià)指標(biāo)如圖7。

由圖6可知，在路況等級為“非常好”和“好”時(shí)，在給定的風(fēng)速(15～35 m/s)和車速(60～100 km/h)范圍內(nèi)行駛時(shí)，車輛均不會發(fā)生行車舒適性問題；當(dāng)路況等級為“一般”，車輛的行駛速度超過80 km/h時(shí)，車輛總體計(jì)權(quán)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(yīng)減速慢行，另一方面應(yīng)加強(qiáng)道路養(yǎng)護(hù)，維持道路運(yùn)行狀態(tài)良好。

5 結(jié) 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(jìn)行了汽車—橋梁組合氣動特性分析，分別獲取了在不同風(fēng)攻角情況下的車輛、橋梁的氣動參數(shù)曲線。基于自編的風(fēng)—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(fēng)車橋響應(yīng)分析和評價(jià)，得到了不同情況下的限速運(yùn)營標(biāo)準(zhǔn)。研究表明：

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

2)在100 km/h車速范圍內(nèi)車輛沿路況等級為“非常好”和“好”的“濕”路面行駛時(shí)，車輛的行車臨界風(fēng)速為30 m/s，路況條件為“一般”時(shí)，行車臨界風(fēng)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(fēng)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(shí)，在給定的風(fēng)速(15 ～35 m/s)和車速(60～100 km/h)范圍內(nèi)行駛時(shí)車輛均不會發(fā)生行車舒適性問題，當(dāng)路面狀況為“一般”，車輛的行駛速度超過80 km/h時(shí)，車輛總體計(jì)權(quán)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。