典型峽谷Ⅴ型地貌下橋址區(qū)風(fēng)特性

張玥 劉子琦 石慧慧

摘?要：為得到山區(qū)峽谷典型Ⅴ型地形下的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵風(fēng)特性參數(shù)，通過“數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)”建立模型，以實(shí)橋?yàn)楣こ瘫尘皹?gòu)建三維地形網(wǎng)格，基于3種典型湍流模型和流體壁面粗糙度對(duì)橋位的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行分析，選取最優(yōu)湍流模型和流體壁面粗糙度對(duì)該地形橋位處的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行分析；圍繞兩個(gè)影響橋址區(qū)風(fēng)特性的地形參數(shù)（山體高度和夾角），闡明Ⅴ型峽谷地形下風(fēng)特性參數(shù)的變化規(guī)律，并與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對(duì)比，推算橋面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速。結(jié)果表明：該Ⅴ型峽谷地形的最佳湍流模型和流體壁面粗糙度分別為RNG ?k-ε和20 m；隨著山體高度及山體夾角兩參數(shù)的變化，風(fēng)速增加幅度分別為2.37%～12.56%和1.24%～6.98%；山體高度及山體夾角兩變參數(shù)下，梯度風(fēng)高度分別為700 m和800 m左右；實(shí)際湍流強(qiáng)度大于規(guī)范中四類地表規(guī)范值，在離地高度40 m范圍內(nèi)，湍流強(qiáng)度更接近于D類地表。實(shí)際Ⅴ型峽谷橋址區(qū)不能簡單按規(guī)范歸為C類或D類地形，在設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)計(jì)算時(shí)應(yīng)綜合考慮規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)公式，還可借助模擬手段來提高其準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：風(fēng)特性；Ⅴ型峽谷；數(shù)值風(fēng)洞試驗(yàn)；湍流模型；地形參數(shù)；設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速

中圖分類號(hào)：U 442

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-9315（2024）03-0575-12

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0317開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Wind characteristics of bridge site under typical canyon

V-shaped landform

ZHANG Yue，LIU Ziqi，SHI Huihui

（College of Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to obtain the key wind characteristic parameters for wind resistance design of Bridges in typical V-shaped terrain in mountain canyons，an ?model was established by the method of “numerical wind tunnel test”，a three-dimensional terrain grid was constructed with real bridges as the engineering object，and the wind field characteristics of bridge sites were analyzed based on three typical turbulence models and fluid wall roughness.The optimal turbulence model and fluid wall roughness were selected to explore the wind field characteristics at the bridge site.From these two topographic parameters，mountain height and angle，which affect the wind characteristics of the bridge site，the variation law of the downwind characteristic parameters of the V-shaped canyon terrain is summarized，and the design reference wind speed of the bridge deck is calculated by comparing with the current norms.The results show that the optimal turbulence model and fluid wall roughness of the V-shaped canyon terrain are RNG and 20m respectively.With the change of mountain height and mountain angle，the increase of wind speed is 2.37%～12.56% and 1.24%～6.98%，respectively.Under the two variable parameters of mountain height and mountain angle，the gradient wind height is about 700 m ?and 800 m respectively.The actual turbulence intensity is greater than the standard values of the four types of surface in the specification，and the turbulence intensity is closer to the D type surface in the range of 40 m above the ground.The actual V-shaped canyon bridge site can not be classified as C or D terrain

simply according to the code.The code and empirical formula must be considered comprehensively when designing the wind parameter calculation，and the accuracy could be improved by means of simulation.

Key words：wind characteristics；V-shaped canyon；numerical wind tunnel test；turbulence model；terrain parameters；basic design wind speed

0?引?言

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，在西部山區(qū)建造的橋梁日益增多，當(dāng)風(fēng)遇到障礙物山體和峽谷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)峽谷風(fēng)的放大效應(yīng)和山體繞流、附著效應(yīng)，尤其在復(fù)雜山區(qū)地形，山體對(duì)橋址區(qū)的風(fēng)場(chǎng)分布規(guī)律和流場(chǎng)作用機(jī)理的影響極大。為了保證橋梁的正常運(yùn)營和后期維護(hù)，需探究山區(qū)典型地形橋址區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的分布規(guī)律和典型風(fēng)向角影響下的分布機(jī)理[1-3]。

目前，由于現(xiàn)行抗風(fēng)規(guī)范中對(duì)地表的分類較粗略，并未詳細(xì)劃分典型的山區(qū)峽谷類型而是統(tǒng)一歸為D類，導(dǎo)致在具體的典型峽谷地貌中，規(guī)范確定值與數(shù)值風(fēng)洞模擬所得結(jié)果產(chǎn)生差異。周繼等以湘江特大橋?yàn)槔芯繌?fù)雜地形橋位下的風(fēng)特性，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過CFD數(shù)值模擬分析的主梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速與抗風(fēng)規(guī)范確定的基準(zhǔn)風(fēng)速相比偏大[4]。所以對(duì)于山區(qū)復(fù)雜地形尤其是橫跨兩山峽谷地貌下的橋梁結(jié)構(gòu)，其抗風(fēng)設(shè)計(jì)所需風(fēng)荷載，仍需借助物理風(fēng)洞試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等方法進(jìn)行相關(guān)風(fēng)參數(shù)的修正。針對(duì)上述問題，當(dāng)風(fēng)洞試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)支撐難以得到時(shí)，數(shù)值模擬快速準(zhǔn)確地確定設(shè)計(jì)所需風(fēng)特性參數(shù)的優(yōu)勢(shì)就體現(xiàn)出來了。借助“數(shù)值風(fēng)洞”保證抗風(fēng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和可靠性就成了這一方法的關(guān)鍵，一般來說計(jì)算域中湍流模型的選取很大程度會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前針對(duì)湍流模型的研究很多，

張向旭、李永樂、于艦涵等選取SST k-ε模型對(duì)復(fù)雜山體地形進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)模擬計(jì)算分析[5-7]；薛亞飛、孫亭亭、王鐵強(qiáng)等采用了RNG k-ε模型對(duì)山區(qū)橋位處風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬研究[8-10]。其中，王鐵強(qiáng)基于6種湍流模型進(jìn)行了分析，得出Standard k-ω模型和SST ?k-ω模型用于高雷諾數(shù)流場(chǎng)的近地面風(fēng)場(chǎng)計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)較大的誤差；而RNG ?k-ε模型和Realizable ??k-ε、RSM模型的模擬結(jié)果在總體誤差比較相近且均較小；Realizable ??k-ε模型在主要計(jì)算旋轉(zhuǎn)和靜態(tài)流動(dòng)區(qū)域時(shí)不能提供自然的湍流黏度；RSM用于復(fù)雜流動(dòng)時(shí)有潛力達(dá)到更高的精度，但計(jì)算量大。最終可知RNG ???k-ε模型較適合在風(fēng)場(chǎng)模擬中使用[10]；于濤，唐昂等[11-18]采用了Realizable ??k-ε模型對(duì)山區(qū)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了模擬運(yùn)算，其中，馮林以黃賢村山體風(fēng)場(chǎng)為研究對(duì)象，選取了3種典型湍流模型與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較，得出RNG ??k-ε模型結(jié)果誤差最大，平均誤差約達(dá)5%，而Realizable ??k-ε模型的結(jié)果誤差最小，誤差值約為3%，Realizable ??k-ε模型模擬精度較高；在地形參數(shù)方面，樓文娟、陳平、李正昊等通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)較全面的研究了山體之間的間距、山體形狀以及峽谷長度等地形參數(shù)對(duì)峽谷內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)的影響[19-21]；BOWEN、CAO、LUBITZ等分別研究了山體坡度、形狀和來流風(fēng)向角等流場(chǎng)影響因素對(duì)山地風(fēng)場(chǎng)的影響[22-24]。

針對(duì)峽谷地形參數(shù)對(duì)風(fēng)場(chǎng)影響的研究多以理想二維模型或由單峰山丘輪廓模型組成的三維模型為研究對(duì)象，二維模型無法全面地考慮實(shí)際山體情況，而單峰山丘組成的三維模型無法在其基礎(chǔ)上改變山體高度和山體夾角來進(jìn)行研究?；诖?，以典型Ⅴ型峽谷實(shí)際地形為研究對(duì)象，以矮寨大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)山體地形參數(shù)改變時(shí)的風(fēng)場(chǎng)變化規(guī)律進(jìn)行分析，并提出梯度風(fēng)高度范圍和計(jì)算出該峽谷地形下橋址區(qū)的基準(zhǔn)風(fēng)速，以及這種地形下適應(yīng)的地表規(guī)范歸屬類型，為后續(xù)相似地形模型的建立及抗風(fēng)參數(shù)的研究提供參考。

1?Ⅴ型谷三維地形模型

1.1?實(shí)際地形模型

矮寨大橋位于湖南湘西州吉首市矮寨鎮(zhèn)，海拔高度680～900 m，跨中橋面標(biāo)高與谷底高差達(dá)340 m。根據(jù)三維數(shù)字地形圖LSV與下載軟件定位矮寨大橋并選取計(jì)算域，橋位坐標(biāo)（N28°19′58.48″，E109°35′53.75″）?？紤]到地形邊界對(duì)風(fēng)場(chǎng)回流的影響和保證流場(chǎng)的充分發(fā)展，以及為了更接近真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)，確定將計(jì)算域選為2 200 m×2 200 m×2 000 m，通過提取該地形高程數(shù)據(jù)點(diǎn)，將高程點(diǎn)換算為經(jīng)緯度坐標(biāo)后，利用萬能坐標(biāo)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)系即XYZ形式，導(dǎo)入Rhinoceros生成三維地形曲面，再通過Fluent前處理軟件Gambit對(duì)犀牛軟件Rhinoceros導(dǎo)出的sat文件進(jìn)行建模，利用Gambit生成計(jì)算模型。矮寨大橋的橋位地形如圖1所示，由犀牛軟件Rhinoceros生成的地形曲面如圖2所示。

1.2?網(wǎng)格劃分以及邊界條件劃分

運(yùn)用Gambit進(jìn)行非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格劃分、設(shè)定邊界條件，采用三角形非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，近地面最小網(wǎng)格尺度30 mm。速度入口邊界參數(shù)時(shí)一般采用均勻流或?qū)L(fēng)速設(shè)置成風(fēng)速剖面計(jì)算，以此模擬實(shí)際峽谷地形中風(fēng)速沿高度變化而變化的特性，試驗(yàn)?zāi)M采用均勻流。數(shù)值模擬計(jì)算僅針對(duì)最不利均勻流場(chǎng)進(jìn)行分析，由唐金旺針對(duì)地形做的風(fēng)洞試驗(yàn)[14]可知均勻流場(chǎng)的最不利風(fēng)速為10 m/s，故入口風(fēng)速值設(shè)置為10 m/s。其中，針對(duì)計(jì)算域邊界條件和網(wǎng)格劃分如圖3～圖5所示。

1.3?湍流模型及計(jì)算工況

為了確保此類地形風(fēng)場(chǎng)特性計(jì)算的準(zhǔn)確性，選取兩方程帶旋修正Realizable ?k-ε、重整化群RNG ?k-ε和剪應(yīng)力傳輸SST ?k-ε 3種湍流模型進(jìn)行對(duì)比分析，湍流模型求解過程中的各項(xiàng)具體參數(shù)設(shè)置見表1。童祎巍對(duì)矮寨大橋安裝設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)[25]，由實(shí)測(cè)所統(tǒng)計(jì)得出的強(qiáng)風(fēng)樣本可知矮寨大橋所處峽谷的大風(fēng)大都來自偏北風(fēng)，其次是偏西方向和偏東方向。考慮矮寨大橋?qū)崪y(cè)強(qiáng)風(fēng)風(fēng)向及橋址處峽谷兩側(cè)山體對(duì)風(fēng)的遮擋效應(yīng)，按照標(biāo)準(zhǔn)逆時(shí)針設(shè)置以下3種典型風(fēng)向角作為計(jì)算工況進(jìn)行數(shù)值模擬研究：風(fēng)向角為0°時(shí)，

記為工況1，風(fēng)向角為90°時(shí)記為工況2，風(fēng)向角

為270°時(shí)記為工況3，3種工況均采用圖4中設(shè)定的計(jì)算域邊界條件。為了分析橋位處風(fēng)速和湍流強(qiáng)度沿高程的變化，擬選取矮寨大橋上的5個(gè)特定位置作為測(cè)點(diǎn)研究其豎方向上的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度大小。測(cè)點(diǎn)0～4分別對(duì)應(yīng)跨中點(diǎn)、吉首岸橋跨四分點(diǎn)、吉首岸橋塔位置、茶洞岸跨四分點(diǎn)、茶洞岸橋塔位置。3種工況的風(fēng)向角與測(cè)點(diǎn)布置如圖6、圖7所示。

2?實(shí)際橋址區(qū)的風(fēng)特性分析

2.1?風(fēng)速和湍流強(qiáng)度通過提取Ⅴ型峽谷3種湍流模型下3種工況和5個(gè)橋位測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，分析風(fēng)參數(shù)隨著離地高度變化的分布規(guī)律。橋梁跨中0號(hào)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速和湍流強(qiáng)度高程剖面分布如圖8、圖9所示。根據(jù)峽谷地形下橋址區(qū)各工況典型位置處的豎向風(fēng)速剖面和湍流強(qiáng)度分析得出，各湍流模型的變化趨勢(shì)基本一致?？缰?號(hào)測(cè)點(diǎn)，在工況1和工況2的情況下，變化曲線走向一致但波動(dòng)性較大，由于橋面兩側(cè)復(fù)雜山體的干擾作用，高程風(fēng)速剖面分布呈Z型變化，在300～500 m范圍出現(xiàn)兩次拐點(diǎn)：340～500 m高程段內(nèi)風(fēng)速隨高程增加而減小，高程達(dá)到500 m之后又隨高度增加而增加，其中風(fēng)速減小段可能是由橋面與兩側(cè)山體的相互作用影響，高程達(dá)到500 m之后風(fēng)速大致符合規(guī)范中冪指數(shù)的增長規(guī)律；工況3在高程500 m以下，風(fēng)剖面斜率較大，風(fēng)速增長速度明顯大于工況1和工況2?？赡茉蚴牵汗r3的情況下山體的遮擋效應(yīng)被削弱和峽谷兩側(cè)山體的擠壓導(dǎo)致風(fēng)速迅速增大，最大風(fēng)速與最小風(fēng)速的差值達(dá)到近0.93，梯度風(fēng)高度為700 m；橋梁跨中位置的最大風(fēng)速出現(xiàn)在RNG湍流模型上，達(dá)到10.2 m/s。

1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度高程剖面如圖10、圖11所示。1號(hào)測(cè)點(diǎn)和2號(hào)測(cè)點(diǎn)分別為茶洞岸和吉首岸四分之一跨處，3種工況下的風(fēng)速剖面基本符合常規(guī)峽谷地形橋位風(fēng)剖面的特征，湍流模型風(fēng)速基本隨高度增加而增加，在高度達(dá)到700～800 m時(shí)風(fēng)速趨于不變。3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于茶洞岸塔底山體的山頂處，此處有明顯的山頂風(fēng)速增大效應(yīng)，在600～640 m迅速增大，最大風(fēng)速為工況2下達(dá)到了11.8 m/s，比入口平均風(fēng)速增大了18%，之后趨于平緩。

3種典型湍流模型下各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度隨高程遞減的變化趨勢(shì)基本一致，其中尤以跨中0號(hào)測(cè)點(diǎn)下工況1和工況2兩種工況更為接近，變化趨勢(shì)較為復(fù)雜，在300～700 m發(fā)生了3次突轉(zhuǎn)，其他測(cè)點(diǎn)基本在高程范圍內(nèi)湍流強(qiáng)度隨高度增加而減少，且在700 m后趨于平緩，這是由不同風(fēng)向角下山體遮擋效應(yīng)引起的；各測(cè)點(diǎn)在高程方向下湍流強(qiáng)度最大與最小差值分別為：0.808、0.882、0.833、0.756；橋面處湍流強(qiáng)度削弱基本一致，以0號(hào)測(cè)點(diǎn)為例：Realizable ?k-ε模型下3種工況橋面高度處湍流強(qiáng)度與高程方向下最大湍流強(qiáng)度相比，分別降低了12.8%、14.5%和8.7%，RNG k-ε模型下分別降低了12.0%、10.7%和5.6%，SST ??k-ε模型下分別降低了19.4%、16.9%和9.3%；橋塔處有增強(qiáng)，最大達(dá)到了12.6%。由以上分析矮寨大橋Ⅴ型峽谷梯度風(fēng)高度大致為700 m左右，而抗風(fēng)規(guī)范中矮寨大橋規(guī)定為D類地形，由規(guī)范查得梯度風(fēng)高度為450 m，這與模擬所得結(jié)果有很大差異。這一差異說明規(guī)范中對(duì)地形粗略分類得出的風(fēng)特性與實(shí)際山區(qū)橋址區(qū)風(fēng)特性有所不同，在實(shí)際工程中應(yīng)借助現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)及風(fēng)洞試驗(yàn)、模擬等手段分析具體風(fēng)場(chǎng)特性。

2.2?最優(yōu)數(shù)值模型選取

通過對(duì)Ⅴ型峽谷不同方向角和典型橋址位置處各湍流模型風(fēng)特性隨高程變化情況的分析，并借助已有學(xué)者的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[26]，并設(shè)置不同粗糙高度（0，10，20 m）選出適合分析本地形風(fēng)場(chǎng)特性的最優(yōu)湍流模型。

2.2.1?流體壁面粗糙度

流體壁面粗糙度是Fluent對(duì)地形曲面計(jì)算域WALL的一種邊界模擬條件，刻畫了山體表面的黏滯阻力。通過改變他可以得出該底面邊界參數(shù)對(duì)流場(chǎng)風(fēng)特性的影響，以此達(dá)到模擬不同復(fù)雜地形下相適應(yīng)的計(jì)算情況。研究所選的橋址區(qū)為起伏較大的丘陵地區(qū)，粗糙高度選擇1 m，在利用Fluent設(shè)置壁面問題時(shí)應(yīng)基于山體地表植被的覆蓋情況，設(shè)置相應(yīng)的粗糙度高度h，為了選出最適宜的粗糙度高度，此處選取0，10和20 m進(jìn)行研究。

2.2.2?模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較

為得到最佳湍流模型，首先選取典型橋位跨中0號(hào)測(cè)點(diǎn)的平均風(fēng)速與丁冬的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果[26]進(jìn)行比較，該風(fēng)洞試驗(yàn)使用2塊主體模型和4塊緩和導(dǎo)風(fēng)板設(shè)計(jì)出橋位地形對(duì)稱的Ⅴ型峽谷地形模型，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目s尺比是1∶1 000，結(jié)果見表2。其次選擇順峽谷方向工況1下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最后將該工況下不同壁面粗糙度下的湍流模型風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，分析數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的差異，以此選取最適合本地形的湍流模型，工況1下各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速對(duì)比見表3。

從表2、表3可以看出，對(duì)于Ⅴ型峽谷來說，3種湍流模型計(jì)算出的風(fēng)速差別不大，并且和風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大。在用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證時(shí)，風(fēng)速相對(duì)誤差以不超過10%為宜，以上3種湍流模型都可適用，但RNG ?k-ε湍流模型計(jì)算出來的風(fēng)速與風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)最為接近，故最終選擇RNG ?k-ε湍流模型作為最佳方案。

將順峽谷方向下典型測(cè)點(diǎn)處3種不同的壁面粗糙度的RNG ?k-ε湍流模型風(fēng)速與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖12所示。3種粗糙度下風(fēng)速與風(fēng)洞試驗(yàn)更為相近的是20 m，故選擇該粗糙高度下的RNG ?k-ε湍流模型作為最佳湍流模型計(jì)算。

3?峽谷地形參數(shù)的影響

為研究地形參數(shù)對(duì)Ⅴ型峽谷地形橋位風(fēng)特性的影響，在原Ⅴ型峽谷地形的基礎(chǔ)上，通過改變離散點(diǎn)高程的縱坐標(biāo)和經(jīng)度來改變?nèi)S實(shí)際山體地形模型的高度和夾角，基于矮寨大橋數(shù)值模擬優(yōu)選出來的湍流模型和粗糙度高度對(duì)峽谷周圍風(fēng)場(chǎng)特性開展研究。該三維山體地形模型的測(cè)點(diǎn)布置如圖13所示，模擬結(jié)果選取典型的谷底0號(hào)測(cè)點(diǎn)和谷頂1號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。

3.1?山體高度

由于在原地形山體高度的基礎(chǔ)上，200 m以內(nèi)風(fēng)速的變化值比較明顯，故建立山體高度增高120，80，40 m與減小40，80，120 m 6種不同山體的三維模型進(jìn)行分析，將山體隨高度變化的工況分別列為H1、H2、H3、H4、H5和H6。對(duì)Ⅴ型谷6種不同山體高度在風(fēng)向角為0°和90°兩種工況下各測(cè)點(diǎn)至計(jì)算域頂部風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，提取0號(hào)測(cè)點(diǎn)與1號(hào)測(cè)點(diǎn)的山體風(fēng)特性分布規(guī)律，以便于分析風(fēng)速和湍流強(qiáng)度在不同山體高度的情況下隨高度變化的分布規(guī)律。由此初步得出風(fēng)速和湍流強(qiáng)度在不同山體高度各工況（風(fēng)向角）下隨高度的變化規(guī)律，如圖14～圖17所示。

從圖14、圖15可以看出，山谷谷底的近地面風(fēng)速隨著高度的增加會(huì)有一個(gè)過渡減緩期，減緩期高度在350～400 m，其影響程度可能受到峽谷兩側(cè)山體高度的增加而有所削弱，正是峽谷風(fēng)緊縮升高的一個(gè)放大效應(yīng)；山頂風(fēng)速則會(huì)隨著山體高度的增加有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)；梯度風(fēng)高度大約在700 m左右，在該高度處，山體高度越高，風(fēng)速增強(qiáng)效果越大，最大達(dá)到12.56%。由規(guī)范可知在C類、D類地形中，梯度風(fēng)高度為400 m和450 m，這與本節(jié)計(jì)算結(jié)果差距較大，說明實(shí)際工程中山體不能按規(guī)范簡單歸為4類。

從圖16、圖17可以看出，山谷的湍流強(qiáng)度在近地面400～500 m有一個(gè)停滯期，整體上看其強(qiáng)度會(huì)隨著山體高度的增加有所下降；相反山頂?shù)耐牧鲝?qiáng)度則隨山體高度的增加有所增強(qiáng)。

3.2?山體夾角為分析山體不同角度下橋址處的風(fēng)特性變化規(guī)律，建立山體夾角分別為30°、60°、90°和120°的4種山體模型，分別由θ1～4表示，如圖18所示。

提取Ⅴ型谷4種不同角度在風(fēng)向角為0°和90°兩種工況下谷底和谷頂至計(jì)算域頂部風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，分析風(fēng)速和湍流強(qiáng)度在不同山體角度下隨山體高度變化的規(guī)律，如圖19～圖22所示。

從圖19、圖20可以看出，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)在風(fēng)向角為0°和90°2種工況下的不同山體夾角風(fēng)速隨高程變化規(guī)律基本一致，都隨著離地高度的增加而增加；山谷和山頂測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速都隨著山體夾角的減小而增大，即山體越陡峭，風(fēng)速值越大；梯度風(fēng)高度大約在800 m左右，在該高度處，山體夾角越小，山體越陡峭，風(fēng)速增強(qiáng)效果越大，最大達(dá)到了6.98%。由規(guī)范可知在C類、D類地形中，梯度風(fēng)高度為400 m和450 m，這與分析結(jié)果差距較大，說明實(shí)際工程中山體不能按規(guī)范簡單歸為4類。

從圖21、圖22可以看出，山谷與山頂湍流強(qiáng)度均隨著夾角變大，山體越平緩，其湍流強(qiáng)度越小，且山谷的湍流強(qiáng)度有一個(gè)200 m的過渡期，這種過渡期隨著山體的陡峭程度越大越明顯，可能原因是受到兩側(cè)山體的遮擋擠壓影響。

3.3?Ⅴ型峽谷湍流強(qiáng)度與現(xiàn)行抗風(fēng)規(guī)范的對(duì)比

通過矮寨大橋在0號(hào)測(cè)點(diǎn)工況一的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與抗風(fēng)規(guī)范離地高度160 m以下設(shè)計(jì)湍流強(qiáng)度的對(duì)比，如圖23所示，峽谷地形下的數(shù)值湍流強(qiáng)度較抗風(fēng)規(guī)范中4類地表有明顯的差異，在40 m以下，更接近于D類地表規(guī)范，在20 m高度處兩值最為接近，僅相差2.59%；而在40 m以上高度，峽谷地形的湍流強(qiáng)度較規(guī)范中4類地形的差異均較大，最大在離地150 m處相差32.06%。這些結(jié)果進(jìn)一步說明不同峽谷地形下地形參數(shù)變化值幅度大，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)一步借鑒實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值風(fēng)洞的結(jié)果，同時(shí)結(jié)合規(guī)范綜合考量，確保選取的湍流強(qiáng)度是正確的。

綜合分析可知，隨山體高度的增高，山谷處湍流強(qiáng)度呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，山頂處湍流強(qiáng)度隨高度增加增強(qiáng)；隨山體夾角變大，山谷和山頂處湍流強(qiáng)度下降。受山體兩側(cè)高度和夾角的影響，山體高度變化對(duì)湍流強(qiáng)度的影響效應(yīng)明顯大于山體夾角變化的影響。

3.4?山區(qū)峽谷橋面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的推算與比較

依據(jù)橋梁地理位置，選取距離橋址較近的吉首市氣象站作為基本風(fēng)速參考站點(diǎn)，查《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T 3360-01—2018）附錄A，Ⅴ型峽谷地形所處的吉首地區(qū)不考慮風(fēng)向地面以上10 m高度處100 a重現(xiàn)期、10 min平均的年最大風(fēng)速為24.3 m/s。

以橋址附近的“虛擬標(biāo)準(zhǔn)氣象站”基本風(fēng)速作為峽谷邊界入口的基本風(fēng)速，借用現(xiàn)有研究的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式計(jì)算建于Ⅴ型峽谷橋面的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，經(jīng)驗(yàn)關(guān)系為[27]

Ud=U10

1.0+

πH5（B1+B2）

=kU10

（1）

式中?Ud為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，m/s；U10為虛擬氣象站的基本風(fēng)速，m/s；H為橋面高度，m；B1為峽谷上口處寬度，一般取橋長，m；B2為峽谷下底面寬度，m；

k為峽谷效應(yīng)修正系數(shù)。

根據(jù)以上修正公式，參考矮寨大橋設(shè)計(jì)（圖24）：

U10=24.3 m/s

，B1=1 000 m，B2=250 m，H=340 m，得k=1.171。

從而橋面高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速：

Ud=1.171×24.3 m/s=28.46 m/s

。

由該經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速與文獻(xiàn)[17]中的擬合計(jì)算公式基本一致，與文獻(xiàn)[28]設(shè)計(jì)階段的橋面基準(zhǔn)風(fēng)速34.9 m/s相差18.5%，說明在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)難以獲得的山區(qū)地帶，可參考經(jīng)驗(yàn)公式初步獲得跨越Ⅴ型峽谷橋梁的基準(zhǔn)風(fēng)速。

根據(jù)以上初步判斷的地表類型并利用現(xiàn)有最新的抗風(fēng)規(guī)范計(jì)算該橋面高度的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為

Ud=kf

Z10

α0Us10

（2）

式中?kf為抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；α0為橋址處的地表粗糙度系數(shù)；

Z為橋面高度，m;

Us10為橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，m/s。

橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速Us10計(jì)算式為

Us10=kcU10

（3）

式中?kc為基本風(fēng)速地表類別轉(zhuǎn)換系數(shù)。

根據(jù)《抗風(fēng)規(guī)范》可知，kf=1.0，α0=0.3，kc=0.564，從而橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速：

Ud=1.0×

34010

0.3×0.564×24.3 m/s=39.48 m/s。

經(jīng)驗(yàn)公式與現(xiàn)有規(guī)范相差27.9%，因此在進(jìn)行峽谷地形橋址處的設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮橋梁抗風(fēng)規(guī)范、相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式，并可借助橋梁工程研究中常用數(shù)值模擬方法[29]作為參考來進(jìn)一步提高其準(zhǔn)確性。

4?結(jié)?論

1）受峽谷地形的影響，在3種湍流模型綜合對(duì)比并考慮地表粗糙度對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)干擾的條件下，該橋址地區(qū)范圍內(nèi)地形最優(yōu)模型為流體壁面粗糙度20 m的RNG k-ε模型，此模型可為后續(xù)類似地貌下橋梁結(jié)構(gòu)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬研究提供參考。

2）受山體高度和山體夾角兩種地形參數(shù)的影響，該類峽谷地形在兩參數(shù)變化時(shí)的梯度風(fēng)高度分別為700 m和800 m左右，大于規(guī)范中4類地表的取值，且在離地高度40 m范圍內(nèi)，湍流強(qiáng)度更接近于D類地表；在梯度風(fēng)高度處，山體高度和夾角對(duì)風(fēng)速增強(qiáng)影響范圍分別為2.37%～12.56%和1.24%～6.98%，明顯山體高度對(duì)此峽谷地形的影響效果要大于山體夾角的變化，同時(shí)由于兩側(cè)山體的干擾，湍流強(qiáng)度在一定高度處（400～500 m）會(huì)有一段停滯期。

3）由于峽谷兩側(cè)山體的遮擋作用，風(fēng)剖面分布呈Z型，在300～500 m出現(xiàn)兩次拐點(diǎn)，之后風(fēng)速大致符合規(guī)范中冪指數(shù)的增長規(guī)律；根據(jù)峽谷地形參數(shù)分析，兩側(cè)山體夾角越小，風(fēng)速值越大，山體高度越高，風(fēng)速值增長越快。

4）依據(jù)Ⅴ型峽谷橋梁的經(jīng)驗(yàn)公式得出的橋面高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速與按抗風(fēng)規(guī)范計(jì)算得出的風(fēng)速相比，更加接近實(shí)際橋址區(qū)。因此，針對(duì)此類地形風(fēng)洞試驗(yàn)或?qū)嶋H工程項(xiàng)目的研究，在沒有現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支撐時(shí)，可以通過“數(shù)值風(fēng)洞”計(jì)算得出風(fēng)速數(shù)據(jù)及各類風(fēng)場(chǎng)特性作為參考。

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（責(zé)任編輯：劉潔）