廊橋風雨亭氣動參數及風振系數分析

王良

（廣西柳州市城市投資建設發展有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引 言

廊橋作為一種由橋、亭、廊等結構組成的特殊橋梁，集功能性和藝術性于一身，融合了房屋藝術和橋梁建造的特點，不僅具有交通功能，還具有商業買賣、觀光以及舉辦民俗活動等多種功能[1]。廊橋是一種橋梁與建筑結合的組合結構。由于橋梁與建筑本身存在不同的受力特性，當兩者結合在一起后，結構的協同受力就顯得尤為復雜[2]。張興其等[3]對拱式廊橋結構的動力特性進行分析，并分析了上部風雨亭對橋梁抗震能力的影響。王解軍、楊濤等[4-5]對膠合木廊橋結構受力性能和受力穩定進行了一定研究。卓剛、李奕達等[6-7]對多跨連續混凝土廊橋的結構受力特征和應力變化等進行了研究。楊培森等[8]對預應力混凝土鋼構廊橋的靜力和動力特性進行了分析，研究了上部建筑結構對橋梁結構抗震性能的影響。

現有研究多數針對廊橋結構的內力分析和抗震性能分析，而廊橋上部的風雨亭結構外形特殊，其對結構受到的風荷載作用會產生較大影響，且目前沒有現成的規范條款或工程實例提供設計參考。桂龍輝、蘇益等[9-11]對山區懸挑廊橋的風荷載和風致響應進行了風洞試驗研究。目前對多跨連續廊橋的風荷載和氣動參數的數值模擬研究還較少，本文以鳳凰嶺大橋為研究對象，采用虛擬風洞技術對廊橋風雨亭各層結構氣動力系數的變化規律進行了分析，并對廊橋風雨亭各層的風振系數及其變化規律進行了計算和分析。

1 研究背景

本研究以柳州鳳凰嶺大橋為工程背景。鳳凰嶺大橋是一座公軌兩用大橋，是連接柳州市柳北區與柳東新區的主要通道。主橋全長700m，共6跨，跨徑布置為90m+130m×4+90m。主橋寬46.6m，兩側為雙向6車道規模的機動車道，中間預留遠期城市軌道交通空間，兩側各設置非機動車道和人行道。鳳凰嶺大橋主橋采用具有侗族民族特色的廊橋造型，橋上共有5座風雨亭，包括2座四角亭、2座六角亭和1座八角亭。風雨亭獨特的外觀將對橋梁結構的氣動參數和風振系數產生較大影響。主橋平立面布置圖如圖1所示。

圖1 鳳凰嶺大橋平立面布置圖

2 氣動參數研究

采用虛擬風洞技術對廊橋結構的氣動參數進行模擬計算。由對稱性和相似性風荷載參數分析主要關系3座風雨亭建筑，即四角亭、六角亭、八角亭各一座，分別定義為A建筑、B建筑、C建筑，如圖2所示。為便于風荷載參數的定義，分別將各風雨亭建筑按照結構層分為一定層，如圖3所示。其中，A建筑分為5層，從下到上分別定義為A1～A5編號；B建筑分為8層，分別定義為B1～B8編號；C建筑分為9層，分別定義為C1～C9編號。

圖2 廊橋計算建筑編號示意圖

圖3 各風雨亭分層編號示意圖

為方便描述風雨亭結構的風荷載和氣動系數，建立氣動參數的整體坐標系，分別定義為：X軸向為順橋向，Y軸為橫橋向，Z軸為豎向，如圖2所示。分別定義整體坐標系各分塊的氣動系數為：

式中：Ci分別為風雨亭各層在X、Y、Z軸方向的氣動系數；Fi分別為風雨亭各層在X、Y、Z軸方向的風荷載；ρ為空氣密度；U為來流風速；L為各分層的參考長度；B為各分層的參考高度。

按照全橋結構三維尺寸，建立其三維模型，總共有5座風雨亭建筑。為風洞模擬方便，風雨亭表面局部進行了適當的簡化，保證結構主體風荷載和氣動系數模擬計算結果的準確性。主要分析的3座風雨亭建筑的幾何模型網格劃分情況如圖4所示。采用虛擬風洞模擬計算廊橋風雨亭在順橋向風向和橫橋向風向下的氣動參數（見表1），并得到兩種風向下的三維流場分布，如圖5所示。

圖5 廊橋三維流場分布圖

表1 風雨亭各分塊氣動系數

圖4 各風雨亭網格劃分示意圖

由氣動力系數模擬計算結果可得，在順橋向風向工況下，四角亭（A建筑）的氣動阻力系數隨著層高的增加而降低，最底層為1.49，而最頂層為0.93。六角亭（B建筑）由于前方四角亭的遮擋作用，低層的氣動阻力系數較小，隨層數增加，遮擋作用降低，系數增大，最大為1.74；最高層B8為錐形結構，氣動阻力系數較小。八角亭（C建筑）同樣受到前方六角亭的遮擋作用，隨層數增加，遮擋作用降低，系數增大，最大為1.28；最高層C9為錐形結構，氣動阻力系數較小。

在橫橋向風向工況下，四角亭層高較高的最低層A1和最高層A5，氣動阻力系數較大。其中，最低層最大，為1.83，其余各層氣動阻力系數較小。六角亭最低層B1氣動阻力系數較大；B2～B6層氣動阻力系數接近；B7層無傾斜的屋面結構，為豎直的墻面結構，氣動阻力系數最大，為2.30；最高層B8為錐形結構，氣動阻力系數較小。八角亭低層C1～C4的氣動阻力系數較為接近；C6和C8兩層為豎直的墻面結構，氣動阻力系數較大；C8層最大為1.62，最高層C9為錐形結構，氣動阻力系數較小。

3 氣動參數研究

采用MATLAB對3種風雨亭進行隨機風場模擬分析。橋位處屬于B類地表類別，地表粗糙度系數取0.16，粗糙高度取0.05。根據風環境參數，將各亭空間進行分塊，如圖6所示，得到各分塊風速隨時間的變化曲線。其中，3種風雨亭8號點的風速時程圖如圖7所示。

圖6 風雨亭立面分塊示意圖

圖7 3種風雨亭8號點的風速時程圖

利用模擬的風場風速時程結果，根據下式計算風荷載值，并將風荷載施加到結構上，進行動力瞬態分析，得到不同風向工況下橋上風雨亭各層節點的水平位移時程圖。其中，順橋向風向和橫橋向風向工況八角亭最高層水平位移時程圖如圖8所示。

圖8 八角亭最高層平均水平位移時程圖

對結構有限元模型施加風荷載進行動力分析計算結構的風振系數。通過橋位的環境參數模擬出橋上風雨亭處隨時間變化的風速值，然后根據隨時間變化的風速值計算相應的風荷載值，并施加到橋上風雨亭上，提取結構的位移響應，根據下式計算風振系數。計算得到在不同風向工況下風雨亭各層的風振系數，見表2。

式中：βz為風振系數；Smax為最大水平位移值；S為平均水平位移值。

由表2可得，在順橋向風向工況下，四角亭建筑各層風振系數在1.49～2.26之間，六角亭建筑各層風振系數在1.40～2.22之間，八角亭建筑各層風振系數在1.27～2.54之間；在橫橋向風向工況下，四角亭建筑各層風振系數在1.48～2.12之間，六角亭建筑各層風振系數在1.80～2.67之間，八角亭建筑各層風振系數在1.69～2.85之間。四角亭在兩種工況下風振系數較為接近，六角亭和八角亭在橫橋向風向工況下的風振系數稍大于順橋向風向工況。

表2 風雨亭各層的風振系數

4 結 論

本文以柳州市鳳凰嶺大橋為研究對象，首先采用虛擬風洞技術模擬得到橋上風雨亭各層結構的氣動力系數和三維流場分布，然后通過隨機風場模擬得到風雨亭各分塊位置的風速時程曲線，最后通過有限元風荷載時程分析得到風雨亭各分層的風振系數。主要結論如下：

（1）在順橋向風向工況下，四角亭的氣動阻力系數隨著層高的增加而降低；六角亭與八角亭由于前方風雨亭的遮擋作用，低層的氣動阻力系數較小，隨層數增加，遮擋作用降低，系數增大，且兩者最高層均為錐形結構，氣動阻力較小。

（2）在橫橋向風向工況下，四角亭最低層和最高層氣動阻力系數較大；六角亭與八角亭中有豎直的墻面結構的層數氣動阻力系數較大，最高層為錐形結構，氣動阻力系數較小。

（3）四角亭在順橋向風向和橫橋向風向工況下，風振系數較為接近；六角亭和八角亭在橫橋向風向工況下，風振系數稍大于順橋向風向工況。