箱型橋梁截面參數對風致行車安全的影響研究

摘 要：雙幅箱型橋梁的寬高比和間距是影響橋面風場及橋上車輛氣動性能的關鍵設計參數，為提高強風載荷下橋梁的風致行車安全能力，本文以雙向六車道雙幅橋為研究對象，采用計算流體動力學方法建立了不同截面參數組合下的氣動分析模型，獲取了不同車道的橋面風場參數及車輛氣動性能。結果表明，較小的寬高比和橋梁間距對橋面風場的干擾更小，不同車道的等效風速更低，更利于保障車輛的行駛安全。

關鍵詞：截面參數；橋梁間距；橋梁寬高比；典型車輛；風致行車安全

中圖分類號：U 44" " 文獻標志碼：A

跨海橋梁是連接城市交通節點的重要樞紐，在帶來便捷交通的同時，強風氣候下也容易誘發風致行車安全事故。“橋梁與橋梁”、“汽車與橋梁”、“橋梁與側風”之間的相互氣動影響不容輕視[1-2]，當車輛在跨海大橋上行駛時，強側風會導致車輛的行駛穩定性發生變化[3]，致使車輛發生側滑、側翻等危險情況，因此，本文以《橋梁擋風障關鍵參數及行車安全性研究》科研項目為研究背景，開展跨海橋梁的截面參數對風致行車安全研究具有重要的工程意義。

側風、橋梁與汽車的交互氣動干擾與眾多因素有關，其中，橋梁截面參數的影響尤為重要，例如橋梁寬高比、橋梁間距和橋面附屬構造等[4-7]。本文以雙向六車道雙幅橋（參數來源于《橋梁擋風障關鍵參數及行車安全性研究》項目實體模型）為研究對象，采用計算流體動力學方法建立不同截面參數組合下的氣動分析模型，獲取不同車道的橋面風場參數及車輛氣動參數，研究結果可以為指導跨海橋梁的截面設計提供參考。

1 橋面風環境數值模擬

1.1 計算模型

為研究雙向六車道雙幅橋的截面和間距對車輛行車的影響，取3種寬高比（2.5、3.5和4.5）、3種橋梁間距（2.5m、5.0m和10.0m）進行研究。圖1為某橋梁截面與間距的橋梁模型，圖1中所標注的為橋梁基本參數代號，橫坡為i=1.5，單幅橋寬為B=12m，車道寬為3.5m。本文共建立了9種不同的雙幅箱梁橋梁工況，不同工況采用“B/H-L”進行命名，其中B/H代表變截面橋梁不同截面的寬高比，L為橋梁間距。

當計算橋面風場時，為減小邊界條件對監測點的影響，當對不同橋梁模型橋面風場進行模擬時，橋梁長度統一取50m，并參考公路橋梁抗風設計規范[8]中虛擬風洞的尺寸搭建橋面風場模擬所需的流體域。經過網格無關性驗證分析，在兼顧計算效率和精度的前提下確定以下網格設置方案：體網格采用Fluent Meshing中的六面體網格，橋梁欄桿面網格為20mm，其他位置面網格為128mm，最大六面體網格為640mm；為了更準確模擬監測區域的橋面風場，對該區域進行局部加密，其加密尺寸為320mm、160mm、80mm和40mm，為捕捉近壁面的風速變化，在橋梁不同面上添加7層邊界層網格，第一層邊界層網格的高度為0.94mm，邊界層網格的增長速率為1.2，最后橋面風場計算域中的體網格總量達到6600萬左右，橋面風環境計算示意如圖2所示。

采用SSTk-omega湍流模型、SIMPLE算法以及二階迎風離散格式求解。本文設置側風環境速度Vr為20.8m/s，不同車道的風速檢測點均在橋梁中心面上，且監測點位于車道中心線正上方。為檢測集裝箱貨車高度的風速，本文的風速監測高度為4.5m，每隔0.25m設置1個監測點，每一車道共18個監測點，雙幅橋梁上風速監測點共108個。

1.2 橋面風環境評估參數

采用等效風速和風速折減系數評估橋面風場。當風作用于橋梁時，風速會隨著離橋面高度的不同而變化，為了衡量橋面在某一高度范圍內風速效應，采用等效風速[9]的概念，等效風速基于風壓剖面等效的原則定義，如公式（1）所示。

式中：Zr為等效高度，轎車的等效高度取值Zr=2.0m，集裝箱貨車等效高度取值為Zr=4.5m；V為橋面不同高度的風速；z為離橋面高度。

為了評估橋梁的寬高比及其間距對來流風場的影響，本文將等效風速無量綱化為風速折減系數，該系數為等效風速與參考風速之間的比值，用β表示。用風速折減系數以衡量不同橋梁設計參數對風場干擾作用的程度，如公式（2）所示。

式中：Vr為參考風速（入口風速）。

1.3 風洞試驗驗證

根據上述橋面風場網格尺寸設置建立與風洞試驗對應的橋面風場計算模型，保證計算模型橋梁和風洞試驗橋梁模型一致，風洞試驗中橋梁模型比例為1∶20，入口風速為10m/s，數值模擬中湍流模型以及邊界條件與上述保持一致。在本次驗證中，監測范圍為5m，檢測點的設置與上述設置方法一樣并同風洞試驗的監測位置一致，最后利用等效風速與風速折減系數的公式算出風洞試驗與模擬仿真不同車道的風速折減系數，如圖3所示。

風洞試驗所得到的第1車道～6車道風速折減系數分別為1.1426、1.0659、1.0312、0.9771、0.9875、0.9978，數值模擬數據為1.1373、1.0500、1.0034、0.9367、0.9571、0.9858，兩者較接近，表明本文的數值計算模型較準確。

2 橋面風場分析與討論

不同橋梁高寬比、不同等效高度以及不同車道下的橋面風場如圖4、圖5所示，橋梁寬高比是影響橋面風場的主要參數。

不同工況下，迎風側橋的第一車道至第三車道風速折減系數逐漸降低，而背風側橋梁第四車道至第六車道的風速折減系數逐漸增加。與迎風側的橋梁相比，背風側的橋梁受到的影響更大，而且，隨著橋梁寬高比增加，橋梁間距對橋面風速折減系數的影響逐步降低。

當等效高度為4.5m時，對迎風側橋梁車道來說，寬高比越小，各車道的風速折減系數越小，對遠離迎風側的車道三影響最大，而對接近迎風側的車道一影響最小；對背風側橋梁車道來說，當橋梁間距較小時，寬高比越小，各車道的風速折減系數越小，當橋梁間距較大（10m）時，隨著寬高比減小，各車道的風速折減系數先變小后變大。

當等效高度為2m時，對迎風側橋梁車道來說，當橋梁間距較小（2.5m）時，寬高比越小，各車道的風速折減系數越小，而當橋梁間距較大時，隨著寬高比變小，車道一的風速折減系數越小，而遠離迎風側的車道二和車道三的風速折減系數先變小后變大。對背風側橋梁來說，當橋梁間距較小時，寬高比越小，各車道的風速折減系數越小，當橋梁間距較大（10m）時，隨著寬高比小，各車道的風速折減系數先變小后變大。

不同橋梁截面參數下的橋面風場如圖6所示。當橋梁間距較小時，寬高比的變化對橋面風場有較大的影響，特別是對背風側橋梁。當橋梁寬高比較小時，橋梁間距的變化對橋面風場有較大的影響，特別是對背風側橋梁。

3 橋上車輛氣動分析與討論

3.1 數值計算模型

橋上車輛行車的氣動分析計算示意如圖7所示，采用滑移網格方法建立計算模型，其中，集裝箱貨車長寬高尺寸分別為14.92.43.9m，車速為80km/h，轎車長寬高尺寸分別為5.050m2.11.5m，車速為100km/h。

采用Fluent Meshing中的Ploy-Hexcore進行網格劃分，靜止區域的網格設置為400mm，移動區域的最大網格尺寸為320mm，為更準確模擬車輛周圍的流場，對車輛周圍進行加密，加密尺寸為160mm和80mm，并對車輛共設置4層邊界層，第一層高度1mm，增長率為1.1，靜止區域和移動區域的體網格總和為4200萬左右。本文設置側風環境速度Vr為20.8m/s，采用realizable k-e湍流模型、SIMPLE算法以及二階迎風離散格式進行求解計算。

3.2 集裝箱貨車橋上行車氣動分析

橋梁間距為2.5m，不同寬高比工況下牽引車前軸YZ截面的速度云圖如圖8所示，汽車行駛在迎風側橋梁的第二車道上，橋面風環境的差異導致集裝箱貨車的氣動六分力存在較大的差異，具體變化如圖9所示。

由圖8可知，寬高比的變化對集裝箱貨車迎風側車道和背風側橋梁車道的流場有較大的影響，寬高比越大，欄桿對迎風側橋面的有效遮擋高度越小，對車輛迎風側的氣流影響越明顯，但迎風側橋梁的尾流對背風側橋面的風場影響越小。

在氣動六分力中，氣動側力和氣動橫擺力矩是影響汽車風致行車安全的主要因素，橋梁寬高比逐漸增大，牽引車的氣動側力和氣動橫擺力矩均發生不同程度的增幅，其中，氣動側力的變化幅度更高。與橋梁寬高比為2.5工況相比，隨著橋梁寬高比增大，牽引車的氣動側力系數分別增長0.1880、0.3689，掛車的氣動側力系數分別增長0.4183、0.8017；牽引車的氣動橫擺力矩系數分別增長0.0132、0.0164，掛車的氣動橫擺力矩系數分別增長0.0387、0.0640。

橋梁寬高比為4.5m，不同橋梁間距工況下牽引車前軸YZ截面的速度云圖如圖10所示，汽車行駛在背風側橋梁的第五車道上。當橋梁寬高比較小時，橋梁間距的變化對背風側橋面風場影響較大，當橋梁寬高比較大時，對背風側橋面風場的影響較小。因此，該工況下橋梁間距對集裝箱貨車氣動特性影響不大，如圖11所示。與橋梁間距為2.5m工況相比，隨著橋梁間距增大，牽引車的氣動側力系數分別增長0.0077、0.0221，掛車的氣動側力系數分別減小0.1029、0.0791；牽引車的氣動橫擺力矩系數分別減小0.0167、0.0237，掛車的氣動橫擺力矩系數分別減小0.0131、0.0142。

3.3 轎車橋上行車氣動分析

不同寬高比和間距工況下轎車前軸YZ截面的速度云圖如圖12所示，汽車行駛在迎風側橋梁的第二車道和背風側橋梁第五車道上。不同工況下的轎車周圍流場存在明顯差異，隨著寬高比增大，欄桿的擾流作用產生的加速區越來越低，轎車上方的流速越來越大。當橋梁間距較小時，由于迎風側橋梁的阻風效果，轎車直接處于低速尾流區，當橋梁間距較大時，車輛迎風側的風速會有一定程度增大。不同工況下的轎車氣動系數如圖13所示。

由圖13（a）可知，當橋梁間距為2.5m時，隨著橋梁寬高比變小，轎車的側向力先變小再變大，由推力逐漸變成吸力，而氣動橫擺力矩則先增加后減小，該工況下，氣動側力和氣動橫擺力矩均不大，對行駛穩定性的影響較小。由圖13（b）可知，當橋梁寬高比為4.5時，隨著橋梁間距縮短，轎車的側向力和橫擺力矩先變大后變小。與橋梁間距為2.5m工況相比，隨著橋梁間距縮短，轎車的氣動側力系數分別增長0.4571、0.3005，轎車的氣動橫擺力矩系數分別增長0.1322、0.1141。

4 結語

綜上所述，本文得出以下結論。1）隨著橋梁寬高比減小，各車道的風速折減系數逐漸變小，集裝箱貨車和轎車所受的氣動干擾變小，汽車的行駛穩定性更好。2）當橋梁寬高比較小時，橋梁間距的變化主要影響背風側橋梁橋面風場，間距越小，風速折減系數越小，集裝箱貨車和轎車的行駛穩定性更好。3）當橋梁寬高比較大時，橋梁間距的變化主要影響迎風側橋梁橋面風場，間距越大，風速折減系數越小，集裝箱貨車和轎車的行駛穩定性更好。4）為提高橋上車輛的風致行車安全能力，可以考慮在橋幅兩側增設橋梁擋風障，保障強風或者臺風氣候下的橋上車輛行駛穩定性。

參考文獻

[1]劉小兵，姜會民，劉慧杰，等.不同寬高比并列雙幅箱梁氣動升力的干擾效應[J].振動、測試與診斷，2023，43（1）：103-108.

[2]袁志群，劉宇峰，林立.強風環境下跨海橋梁行車安全評價與管控方法[J].汽車工程，2022，44（9）：1456-1467.

[3]袁志群，呂恒慶，林立，等.跨海大橋上廂式貨車側風穩定性的研究[J].汽車工程，2021，43（8）：1-6.

[4]韓艷，陳浩，胡朋，等.基于CFD的流線型橋梁斷面阻力系數測壓結果修正研究[J].鐵路科學與工程學報，2016，13（1）：97-102.

[5]劉小兵，楊少杰，楊群，等.并列雙箱梁的氣動干擾效應對阻力系數的影響[J].中國公路學報，2017，30（11）：109-114.

[6]夏錦林，李珂，葛耀君，等.不同風障形勢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.

[7]袁達平，鄭史雄，洪成晶，等.大跨公鐵兩用斜拉橋塔區風環境[J].哈爾濱工業大學學報，2018，50（9）：20-24.

[8]同濟大學.公路橋梁抗風設計規范：JTG/T3360-01-2018[S].北京：中華人民共和國交通運輸部，2019：171.

[9]吳鳳英，趙林，曹豐產，等.開槽箱梁設置風障行車風環境模擬、試驗與實測[J].哈爾濱工業大學學報，2022，54（3）：21.