山區(qū)峽谷中橋址處風(fēng)場(chǎng)特性數(shù)值模擬研究

柯 勇＊，段青松

（1.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610041；2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽(yáng)621010）

近年來，隨著交通建設(shè)水平的不斷提高和人民對(duì)交通日益增長(zhǎng)的需求，我國(guó)西部山區(qū)有建設(shè)大跨度橋梁來跨越山區(qū)峽谷的需求。西部山區(qū)峽谷風(fēng)速高、紊流強(qiáng)度高且沿橋跨向分布不均勻，非平穩(wěn)性、脈動(dòng)風(fēng)特性突出，大跨度橋梁跨度大、剛度小、結(jié)構(gòu)柔、頻率低，對(duì)風(fēng)作用敏感，因此，有必要深入研究山區(qū)峽谷風(fēng)特性，為后續(xù)橋梁設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

針對(duì)典型的理想狀態(tài)山區(qū)峽谷風(fēng)特性，張忠義[1]、丁海平[2]等進(jìn)行數(shù)值分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。針對(duì)典型的過山氣流特性，李正良等[3]采用k-ε 湍流模型分析了三維山體的風(fēng)特性。胡峰強(qiáng)[4]采用k-ε 湍流模型進(jìn)行了詳細(xì)分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明數(shù)值模擬方法可較好的模擬。對(duì)于實(shí)際中復(fù)雜地形處的風(fēng)特性研究，許多學(xué)者[5-8]也展開了針對(duì)性研究。針對(duì)北盤江大橋橋址區(qū)風(fēng)特性，與平原地區(qū)不同，山區(qū)峽谷地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的選取方法不再適用，目前尚無針對(duì)山區(qū)峽谷中橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速的選取方法。

本文基于山區(qū)峽谷復(fù)雜地形，通過數(shù)值模擬對(duì)橋址處地形進(jìn)行計(jì)算分析，得到橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，為山區(qū)峽谷同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

某擬建大跨度橋梁位于四川省西部山區(qū)，橋梁周圍主要以山區(qū)峽谷地形為主，具有兩側(cè)海拔高、中間河道較寬的特點(diǎn)。地形模型的三維視圖如圖1(a)所示，計(jì)算區(qū)域局部地表網(wǎng)格劃分如圖1(b)所示，其中圖形中心部位的直線為橋梁軸線。計(jì)算區(qū)域劃分為2 492 259 個(gè)單元, 660 944 個(gè)節(jié)點(diǎn)。求解時(shí)采用k-w SST湍流模型，方程組求解時(shí)采用SIMPLE 算法。

圖1 有限元模擬

2 計(jì)算工況

為了考察不同方向來流對(duì)橋位風(fēng)場(chǎng)的影響，計(jì)算中來流取6 個(gè)方向(圖2)，分別定義為工況1～工況6，分別為：北偏西36°、北偏西51°、北偏西66°、東偏南24°、東偏南39°、東偏南54°。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算中入口處來流風(fēng)速30 m/s。為了直觀的描述考察點(diǎn)風(fēng)速分量與邊界入口風(fēng)速的關(guān)系，引入了風(fēng)速放大系數(shù)這一無量綱參數(shù)：Cu表示該測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與入口風(fēng)速的比值，該值反映了地形影響導(dǎo)致各計(jì)算點(diǎn)處風(fēng)速的放大或衰減。為了反映橋位處風(fēng)速的變化規(guī)律，沿橋軸線位置重點(diǎn)考察了48 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體如圖3 所示。

圖2 工況定義

圖3 CFD 計(jì)算風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)速放大系數(shù)

圖4 給出了工況1～工況6 中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的順風(fēng)向風(fēng)速放大系數(shù)結(jié)果。可知：橋跨兩側(cè)風(fēng)速放大系數(shù)比橋跨中大，測(cè)點(diǎn)30～40 區(qū)域(靠近右側(cè)橋塔區(qū)域)，風(fēng)速放大系數(shù)相對(duì)較小，這主要是與橋塔所處的地形有關(guān)。在0～20 測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，工況3 (北偏西66°) 時(shí)風(fēng)速放大系數(shù)最大，工況6 (東偏南54°) 風(fēng)速放大系數(shù)最小。20～48 測(cè)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，工況2(北偏西51°)時(shí)風(fēng)速放大系數(shù)最大，工況6(東偏南54°)中風(fēng)速放大系數(shù)相對(duì)最小。在靠近山體兩側(cè)，風(fēng)速放大系數(shù)相對(duì)較大，跨中側(cè)風(fēng)速放大系數(shù)相對(duì)較小。

圖4 不同工況時(shí)風(fēng)速放大系數(shù)沿橋軸線變化曲線

3.2 風(fēng)攻角及風(fēng)偏角

圖5(a)給出了工況1～工況6 中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)攻角結(jié)果, 圖5(b)給出了工況1～工況6 中不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)偏角結(jié)果。

圖5 不同工況時(shí)風(fēng)攻角、風(fēng)偏角沿橋軸線變化曲線

可知：不同測(cè)點(diǎn)處的攻角范圍基本在+6°～-8°，工況4、工況5、工況6 在靠近右側(cè)橋塔區(qū)域，風(fēng)攻角局部較大(工況6)，最大達(dá)25°，不同測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)攻角變化相對(duì)較小，這可能與山體兩側(cè)地形的影響有關(guān)。在測(cè)點(diǎn)0～24 范圍內(nèi)，工況1～工況2 中的風(fēng)攻角為正，工況3～工況6 時(shí)攻角為負(fù)；在測(cè)點(diǎn)25～測(cè)點(diǎn)48范圍內(nèi)，工況1～工況3 中的風(fēng)攻角為負(fù)。而工況1中，不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)處風(fēng)偏角變化相對(duì)較小，在0°左右；工況2～工況3 中，在右側(cè)橋塔區(qū)域附近，風(fēng)偏角為負(fù)，絕對(duì)值最大可達(dá)10°；工況4、工況6 中，在右側(cè)橋塔區(qū)域附近，風(fēng)偏角為負(fù)且絕對(duì)值最大達(dá)50°；在右側(cè)橋塔區(qū)域附近，風(fēng)偏角為正，且最大達(dá)30°，這可能主要與地形有關(guān)。

綜上可知：橫橋向+15°來風(fēng)作用時(shí)，橋跨范圍內(nèi)風(fēng)攻角約+6°～-8°，中跨橋面測(cè)點(diǎn)攻角約在+5°～-12°范圍內(nèi)；從工況1 到工況6，平均放大系數(shù)均較小，最大為0.80；但工況3，即沿河道下游來流與橋主梁成15°風(fēng)偏角時(shí)，主梁端部的風(fēng)速放大系數(shù)較大，為1.16。

表1 給出了工況1～工況6 中的平均風(fēng)攻角、平均風(fēng)向角及風(fēng)速放大系數(shù)結(jié)果。可知：平均風(fēng)攻角范圍在-3°～+3°內(nèi)；風(fēng)偏角最大為10°～-24°；風(fēng)速放大系數(shù)范圍為0.5～0.8，不同工況中風(fēng)速放大系數(shù)相對(duì)差距不大。

表1 各個(gè)工況主跨測(cè)點(diǎn)平均風(fēng)攻角、風(fēng)向角、風(fēng)速放大系數(shù)

綜合氣象資料，卡哈洛鄉(xiāng)至黃華鎮(zhèn)金沙江大橋橋址處近百年一遇的風(fēng)速為25.7 m/s。按照最大風(fēng)速放大系數(shù)1.16 考慮，橋面高度處的設(shè)計(jì)風(fēng)速可取為29.8 m/s。

4 結(jié)論

本文以山區(qū)峽谷大跨度鋼橋梁地形為背景，通過數(shù)值模擬研究了不同工況下的橋面高度處風(fēng)速放大系數(shù)、風(fēng)攻角、風(fēng)偏角結(jié)果，得出如下結(jié)論。

(1) 橋跨兩側(cè)風(fēng)速放大系數(shù)比橋跨中大，靠近右側(cè)橋塔區(qū)域，風(fēng)速放大系數(shù)相對(duì)較小。

(2) 不同測(cè)點(diǎn)處的攻角范圍基本在+6°～-8°，風(fēng)攻角在局部測(cè)點(diǎn)處較大，最大達(dá)25°；不同測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)攻角變化相對(duì)較小。

(3) 工況1～工況3 中，在橋塔區(qū)域附近，風(fēng)偏角為負(fù)，最大可達(dá)10°；工況4、工況6 中，在右側(cè)橋塔區(qū)域附近，風(fēng)偏角為負(fù)且最大達(dá)-50°；在橋塔區(qū)域附近，風(fēng)偏角為正，且最大達(dá)30°。

(4) 根據(jù)氣象資料和地形CFD 計(jì)算結(jié)果，橋面高度處的設(shè)計(jì)風(fēng)速可取為29.8 m/s，綜合風(fēng)速和風(fēng)向，建議設(shè)計(jì)時(shí)考慮的攻角范圍為±5°。