山區(qū)復(fù)雜地形下高墩多跨連續(xù)鐵路鋼桁梁橋的風(fēng)場特性研究

吳廣

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山區(qū)復(fù)雜地形下高墩多跨連續(xù)鐵路鋼桁梁橋的風(fēng)場特性研究

吳廣

(中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300308)

以在建的蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋為工程背景，研究復(fù)雜山區(qū)橋址的風(fēng)參數(shù)問題。采用中國科學(xué)院地理信息的高精度地形，通過逆向工程軟件擬合出橋址地形曲面。通過形成以該曲面為底面的長寬高分別為100，100和20 km的計算域并實施網(wǎng)格劃分，采用大渦模擬(LES)數(shù)值模擬不同來流條件下計算域內(nèi)的流動特征，重點分析各風(fēng)向角下橋軸線上平均風(fēng)特性、湍流度和風(fēng)攻角等參數(shù)。數(shù)值仿真表明：與遠方來流風(fēng)速相比，橋軸線上部分位置處的風(fēng)速增加可達到20%，但是沿橋軸線平均的風(fēng)速并不存在加速效應(yīng)，因此，平均風(fēng)速取值無需考慮加速效應(yīng)。地形效應(yīng)附加的風(fēng)攻角在1°~2°左右。

風(fēng)場特性；LES；山區(qū)橋梁；數(shù)值模擬

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展和需求，我國的交通建設(shè)向中西部地區(qū)邁進，在我國西部山區(qū)修建的大跨度橋梁日益增多，例如，貴州北盤江大橋、湘西矮寨大橋等。受局部地形影響，復(fù)雜山區(qū)橋址處的風(fēng)參數(shù)與平坦地貌有很大差異，風(fēng)參數(shù)的合理取值是建設(shè)山區(qū)大跨度橋梁的先決條件之一[1?2]。受高山峽谷及鄰近山脈等復(fù)雜地形的影響，橋位處的風(fēng)場通常具有風(fēng)速加速以及湍流度增強的特性，從而使這些地區(qū)的風(fēng)場呈現(xiàn)與平坦地區(qū)較明顯的差異，無法采用我國橋梁抗風(fēng)規(guī)范的地貌來統(tǒng)一描述[3]。這給抗風(fēng)設(shè)計增加了困難，因此，精確預(yù)測橋址的風(fēng)場特性非常重要。風(fēng)場參數(shù)是大跨度橋梁抗風(fēng)研究的基本數(shù)據(jù)，包括平均風(fēng)速沿橋梁軸線的分布、風(fēng)攻角和風(fēng)向角等。復(fù)雜地形條件下的橋位風(fēng)特性研究工作主要有3種方法：橋位現(xiàn)場實測、模型風(fēng)洞試驗和計算流體力學(xué)數(shù)值模擬。現(xiàn)場實測[4?5]能夠較為準(zhǔn)確獲得橋位及附近的平均風(fēng)荷載及湍流特性，但限于測風(fēng)塔的數(shù)量及觀測周期，對復(fù)雜地形條件下進行現(xiàn)場全尺度的實測十分耗費財力物力，而且也存在觀測期內(nèi)無法監(jiān)測到強風(fēng)的問題；風(fēng)洞試驗[6?7]綜合考慮費用、周期以及試驗精度，能得到遠方來流風(fēng)速及局部地形下風(fēng)速的相關(guān)性。由于自身體積及模型比例的限制，對更大區(qū)域風(fēng)場的風(fēng)洞模擬還有待于進行進一步研究。采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法進行數(shù)值模擬，可以用于評估風(fēng)環(huán)境及結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，具有費用低、周期短、便于模擬真實環(huán)境、描述流場細(xì)節(jié)和給出流場定量結(jié)果的優(yōu)點。Uchida等[8?9]將自己編制的基于大渦模型方法的CFD程序?qū)ΧS山脊和三維孤立山體的模擬和風(fēng)洞試驗的結(jié)果進行對比，二者的結(jié)果一致，然后模擬涵蓋九州大學(xué)新校區(qū)的山地地形的非定常風(fēng)場，成功模擬了該地形上的風(fēng)加速度和流場分離。LIU等[10?11]通過大渦模擬的方法計算光滑地表典型地形以及粗糙地表復(fù)雜地形上空流場，計算結(jié)果同試驗及觀測值都吻合良好。李永樂等[12]對深切峽谷的地形進行數(shù)值模擬，揭示復(fù)雜地形地貌橋址區(qū)空間風(fēng)場的分布特征。此外還有學(xué)者針對山區(qū)峽谷風(fēng)環(huán)境進行數(shù)值模擬研究[13?15]，提供了參考。由于數(shù)值模擬技術(shù)的一些顯著優(yōu)勢，越來越受到廣泛的應(yīng)用。新建蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋位于山西省運城市平陸縣與河南省三門峽市之間，連接黃河南北兩岸，跨徑為84+9×108+84 m的11跨連續(xù)鋼桁結(jié)合連續(xù)梁橋，主橋全長1 140 m，橋墩高70 m左右。大橋地處太行山脈與秦嶺山脈交匯處，在橋址南北兩側(cè)有東西走向山脊，山脊海拔高、間距小，在此處形成明顯的風(fēng)口，風(fēng)口內(nèi)風(fēng)速明顯高于周邊平坦地區(qū)風(fēng)速。考慮到橋址處復(fù)雜的地形地貌，僅采用周邊氣象站的有限氣象資料難以獲得橋址處準(zhǔn)確的風(fēng)場信息，本文針對蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋，采用計算流體力學(xué)方法研究橋位處的平均風(fēng)，湍流度及風(fēng)向角等風(fēng)參數(shù)，以期為本橋的抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

1 控制方程

在流場中流體微團的動量和質(zhì)量主要是由大尺度渦旋運輸，因此，在本文中采用大渦模擬[9?10]方法(Large eddy simulation, LES)再現(xiàn)復(fù)雜的湍流邊界層。在本文的數(shù)值模擬中，大尺度渦旋可直接計算，而低于網(wǎng)格解析度的小尺度渦旋對與大尺度渦旋的影響通過亞格子模型進行考慮。使用Boussinesq假定以及采用標(biāo)準(zhǔn)Smagorinsky Lilly模型計算由亞格子渦旋所造成的亞格子應(yīng)力(SGS)。控制方程通過過濾亞格子渦旋后的Navier-Stokes方程，表達式如下：

其中：L是亞格子的混合長度；＝0.40為馮卡門常數(shù)；是壁面網(wǎng)格到壁面的距離；是控制體體積。在此亞格子模型中常數(shù)C取大氣邊界層模擬中常用取值0.1。在靠近地表位置，壁面函數(shù)被用來獲得地表處控制體貼地位置切應(yīng)力。當(dāng)控制體位于層流區(qū)(+<5)，壁面切應(yīng)力可直接通過層流區(qū)應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系來獲得：

當(dāng)壁面控制體位于層流區(qū)以外(+≥5)，可以應(yīng)用邊界層的對數(shù)函數(shù)關(guān)系，以計算此位置處的切應(yīng)力。邊界層對數(shù)函數(shù)表達式為

其中：是控制體距離壁面位置的垂直距離；是剪切流速；常數(shù)取9.793。

具體分析時，采用流體力學(xué)軟件Fluent來求解三維非穩(wěn)態(tài)Navier-Stokes方程。采用有限體積法進行空間離散，二階中心差分格式用于對流項與黏性項，二階隱式格式用于非穩(wěn)態(tài)項的時間推進，SIMPLE算法用于壓強速度解耦。

2 CFD數(shù)值模擬

采用計算流體動力學(xué)CFD方法進行數(shù)值模擬，其基本方法及具體實施過程如下：1) 采用中國科學(xué)院地理數(shù)據(jù)云網(wǎng)站獲得高精度地形網(wǎng)格數(shù)據(jù)STRM數(shù)據(jù)，將其導(dǎo)入到軟件ARCGIS中，生成包含坐標(biāo)和高程的點云，將獲得的點云在逆向工程軟件Imageware軟件中通過曲面擬合的方式擬合出橋位地形曲面；2) 基于商用網(wǎng)格生成程序GAMBIT，選擇合適的計算域尺寸大小和網(wǎng)格生成參數(shù)，生成計算模型網(wǎng)格；3) 再使用計算流體力學(xué)求解器Fluent確定入口邊界條件，選取使用合適的湍流模型，實現(xiàn)對均一流入口的模擬；4) 最后應(yīng)用后處理程序Tecplot對計算結(jié)果做流場可視化處理，應(yīng)用Matlab進行數(shù)據(jù)后處理得到平均風(fēng)速、風(fēng)攻角及風(fēng)向角的變化規(guī)律。

2.1 計算模型

本研究所選取的區(qū)域為蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋橋址區(qū)域，計算域?qū)瑯蛑纺媳眱蓚?cè)主要山脊。計算區(qū)域過小，則上游高聳山丘的尾流影響將無法得以考慮，而計算區(qū)域過大將大幅增加計算量，因此根據(jù)實際的地形地貌找到對關(guān)心區(qū)域有影響的復(fù)雜地形，計算區(qū)域需要包含最外圍的復(fù)雜地形。同時為了忽略計算域高度對流場的影響，計算域高度應(yīng)至少是10 倍以上山的高度。所以計算域設(shè)置為長方體區(qū)域，長寬高分別為100，100和20 km。具體為北緯34°18′34.58″，東經(jīng)109°59′38.83″，到北緯35°1′36.85″，東經(jīng)111°31′ 12.25″，蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋橋址位于計算域底部中心。圖1為蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋周邊地形圖，圖中白色實線對應(yīng)橋址位置。

圖1 三門峽黃河公鐵兩用大橋周邊地形

2.2 基本參數(shù)設(shè)置

通過計算流體網(wǎng)格劃分程序形成橋址周邊網(wǎng)格拓?fù)潢P(guān)系，綜合考慮研究對象的幾何復(fù)雜性、網(wǎng)格生成的難易程度以及計算的準(zhǔn)確性，在計算域中采用非結(jié)構(gòu)化三棱柱網(wǎng)格。網(wǎng)格尺寸參數(shù)如下：在關(guān)心區(qū)域上游采用細(xì)密網(wǎng)格，遠離關(guān)心區(qū)域網(wǎng)格較為粗糙，關(guān)心區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格最為細(xì)密，其水平解析度為20 m×20 m，豎向網(wǎng)格底面最小網(wǎng)格尺寸為1 m；計算域內(nèi)網(wǎng)格最大生長率不超過1.2，以減少由于網(wǎng)格尺寸急劇變化而帶來的數(shù)值誤差，網(wǎng)格總數(shù)約為500萬。圖2為計算域總體立面圖及地形表面網(wǎng)格劃分；圖3為計算域水平和豎直網(wǎng)格分布圖。

圖2 計算域地形表面網(wǎng)格劃分

圖3 計算域水平和豎直網(wǎng)格分布

2.3 計算工況

為精細(xì)化模擬不同風(fēng)向情況下的風(fēng)場分布，計算中來流方向取24個方向，建立24個風(fēng)向角工況。圖4為計算風(fēng)向示意圖，0°對應(yīng)的來流風(fēng)向為西向，?90°對應(yīng)來流風(fēng)向為南向，180°對應(yīng)來流風(fēng)向為東向，90°對應(yīng)來流風(fēng)向為北向。以來流風(fēng)向為西向為第1工況，順時針每15°1個工況。鑒于本橋的橋位軸線走向為自西北向東南，與正北的偏角約為57°，因此來流風(fēng)向為120°或?60°代表風(fēng)向與橋軸線接近正交。

圖4 各計算工況風(fēng)向定義

3 計算結(jié)果

計算可得到不同工況下的風(fēng)速分布，分別用，和表示順橋向風(fēng)速、橫橋向風(fēng)速和豎向風(fēng)速分量，如圖5所示。風(fēng)攻角=arctan(/)，風(fēng)向角=arctan (/||)。

圖5 順橋向風(fēng)速、橫橋向風(fēng)速和豎向風(fēng)速示意

風(fēng)攻角對主梁抗風(fēng)性能有重要影響，正攻角代表上升氣流，負(fù)攻角代表下降氣流。為了反映橋位處風(fēng)速的變化規(guī)律，提取順橋向1 500 m范圍內(nèi)點的數(shù)據(jù)，其中橫坐標(biāo)0為運城方向，1 500為三門峽(頂推起點)方向，高程為70 m。

3.1 各來流風(fēng)向下的風(fēng)速分布

圖6~8分別為在橋面高度處沿主橋軸向的風(fēng)速分布圖、順橋向風(fēng)速分布和橫橋向風(fēng)速分布圖。在24個工況中，由于橋位附近地形的干擾效應(yīng)，橋位處平均風(fēng)速數(shù)值差異很大，風(fēng)向角對橋面風(fēng)速影響明顯。工況9，13，19，20，21和24，可以明顯地看到速度值在跨中區(qū)域時速度達到最大值，而在兩端迅速下降。

圖6 沿主橋風(fēng)速分布圖

工況9(120°風(fēng)向)的跨中風(fēng)速最大，且較其余工況有較大的風(fēng)加速。其原因是當(dāng)風(fēng)按照工況9所設(shè)定的風(fēng)向角吹向橋梁時，風(fēng)速基本上與河道的走向保持一致，由于峽谷效應(yīng)，風(fēng)經(jīng)過此地時風(fēng)速加大。圖9為工況9(120°風(fēng)向)距地表70 m高度處風(fēng)速分布圖，左側(cè)圖為風(fēng)速分布圖，右側(cè)圖為地形分布圖，圖中實線對應(yīng)于橋址位置。圖10為工況9(120°風(fēng)向)沿主橋風(fēng)速分布圖。其余工況在750 m位置附近時出現(xiàn)極大風(fēng)速，原因是橋址處右方河道改變，水面相對于河岸較低，由于岸邊的阻擋，風(fēng)速在橋端出現(xiàn)下降。工況2，3，4，5，14，15和16的風(fēng)速分布比較均勻，此時的風(fēng)向近似于橋梁縱向。

圖7 沿主橋順橋向風(fēng)速分布圖

圖8 沿主橋橫橋向風(fēng)速分布圖

圖9 工況9(120°風(fēng)向)風(fēng)速分布及對應(yīng)地形高程圖

圖10 工況9(120°風(fēng)向)沿主橋軸向風(fēng)速分布圖

此外，盡管風(fēng)速在橋軸線部分位置有加速效應(yīng)，跨中部分位置平均風(fēng)速接近12 m/s，但全橋平均風(fēng)速小于10 m/s。因此，全橋的平均風(fēng)速不存在加速效應(yīng)。

3.2 風(fēng)攻角和風(fēng)向角的影響

風(fēng)攻角和風(fēng)向角是描述橋位風(fēng)場的重要參 數(shù)[11?13]，在評價各方向來流對橋梁抗風(fēng)性能影響時，應(yīng)綜合考慮風(fēng)攻角和風(fēng)向角的數(shù)值。沿主橋軸向風(fēng)攻角和風(fēng)向角分布如圖11和圖12所示。

圖11 沿主橋方向攻角分布圖

可以看出大部分工況的風(fēng)攻角均在±5°內(nèi)變化，少部分風(fēng)攻角很大，主要是因為橫橋向平均風(fēng)速很小，因此不會控制設(shè)計。

對主橋高度處橫向平均風(fēng)速、平均風(fēng)攻角和平均風(fēng)向角進行統(tǒng)計，如表1所示。主橋高度處橫橋向平均風(fēng)速、順橋向平均風(fēng)速及平均風(fēng)攻角隨各工況來流方向的變化情況如圖13所示。

圖12 沿主橋方向風(fēng)向角分布圖

表1 各工況平均風(fēng)攻角和風(fēng)向角

圖13 平均風(fēng)速及平均風(fēng)攻角隨各工況來流方向的變化情況圖

從圖13可見，來流風(fēng)向?qū)︼L(fēng)速及風(fēng)攻角的影響較大，當(dāng)風(fēng)向為北風(fēng)偏東20°~30°時橫橋向平均風(fēng)速最大，此時入口來流風(fēng)向基本與主橋軸向垂直，與橋位附近河道走向基本一致。當(dāng)來流風(fēng)向與橋軸線夾角較大時，橫橋向風(fēng)速明顯變大，而順橋向風(fēng)速變小，這與地形的阻擋效應(yīng)及風(fēng)速沿橋軸線的正交分解有關(guān)。在不同的來流風(fēng)向條件下，對于絕大部分情況，風(fēng)攻角在+5°~?5°之間變化，而對于工況5，工況15和工況16，由于來流風(fēng)向與橋梁走向一致，造成橫橋向風(fēng)速很小，趨近于0，進而導(dǎo)致了較大的風(fēng)攻角。但是來流方向與橋梁走向一致時，并不是橋梁抗風(fēng)的不利狀態(tài)，難以對橋梁造成危害。

圖14 平均風(fēng)速及平均風(fēng)向角隨各工況來流方向的變化情況圖

橫橋向平均風(fēng)速及平均風(fēng)向角隨各工況來流方向的變化情況如圖14所示。由圖14可以看出，計算獲得的平均風(fēng)向角與各工況來流與主橋軸向夾角擬合一致。

圖15為平均風(fēng)攻角隨橫橋向全橋平均風(fēng)速變化，可以看出，當(dāng)橫橋向風(fēng)速小于2 m/s時，風(fēng)攻角可以超過5°；當(dāng)平均風(fēng)速超過5 m/s時(入口風(fēng)速的50%)，平均風(fēng)攻角主要在1°~2°左右；當(dāng)平均風(fēng)速超過7 m/s時(入口風(fēng)速的70%)，平均風(fēng)攻角主要在1°以內(nèi)。因此，在大風(fēng)作用下，地形附加風(fēng)角度在1°以內(nèi)。

圖15 地形影響下平均風(fēng)攻角隨橫橋向平均風(fēng)速變化

4 結(jié)論

1) 主橋處順橋向風(fēng)速、橫橋向風(fēng)速、豎向風(fēng)速和風(fēng)攻角沿主橋軸向分布有變化，不同工況間風(fēng)速變化規(guī)律有較大差異。與山區(qū)環(huán)境下風(fēng)場不均勻性一致。

2) 對于最不利狀態(tài)，即來流風(fēng)向與橋梁走向垂直時，盡管橋軸線上部分位置出的風(fēng)速存在加速效應(yīng)，加速效應(yīng)約20%，但是沿橋軸線平均的風(fēng)速并不存在加速效應(yīng)，且地形效應(yīng)附加的風(fēng)攻角在1°~2°左右。

3) 相比于傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗，木文采用CFD數(shù)值模擬，定性和定量對山區(qū)風(fēng)場進行分析，大大節(jié)省周期和試驗成本，為該橋梁的抗風(fēng)設(shè)計提供 依據(jù)。

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Numerical simulation of wind field for high-pier truss girder continuous bridges at complex terrain

WU Guang

(China Railway and Construction Major Engineering Group Co., Ltd, Tianjian 300308, China)

In this study, the wind field at the Sanmenxia Bridge carrying both railways and highways was investigated by large eddy simulation. The high-precision terrain data at discrete locations was first obtained in Geospatial Data Cloud, and the discrete data was processed with the Imageware to form a smooth terrain surface from which the grids were generated. A computation domain with 100 km long, 100 km wide and 20 km high was employed for numerical simulation, and the wind field within the computational domain was numerically simulated with LES turbulence model. The mean wind velocity, turbulence intensity, and wind attack angle at different incoming wind condition were obtained. Compared to the incoming flow velocity, a 20% speed-up of mean wind velocity is observed at several locations along the bridge axis. However, the mean wind velocity averaged over the bridge axis don’t have speedup effect, which imply no additional correction is necessary for choosing the design wind velocity. The supplemental wind attack angle is about 1°~2°.

wind characteristics; LES; bridges in mountainous area; numerical simulation

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.018

U441

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0129 ? 08

2017?11?30

鐵道部科研計劃資助項目(2016030)

吳廣(1977?)，男，吉林雙陽人，高級工程師，從事大型橋梁施工關(guān)鍵技術(shù)研究；E?mail：244450988@qq.com

(編輯 陽麗霞)