吳廣

?

山區(qū)復雜地形下高墩多跨連續(xù)鐵路鋼桁梁橋的風場特性研究

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，研究復雜山區(qū)橋址的風參數(shù)問題。采用中國科學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，重點分析各風向角下橋軸線上平均風特性、湍流度和風攻角等參數(shù)。數(shù)值仿真表明：與遠方來流風速相比，橋軸線上部分位置處的風速增加可達到20%，但是沿橋軸線平均的風速并不存在加速效應(yīng)，因此，平均風速取值無需考慮加速效應(yīng)。地形效應(yīng)附加的風攻角在1°~2°左右。

風場特性；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，復雜山區(qū)橋址處的風參數(shù)與平坦地貌有很大差異，風參數(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雜地形的影響，橋位處的風場通常具有風速加速以及湍流度增強的特性，從而使這些地區(qū)的風場呈現(xiàn)與平坦地區(qū)較明顯的差異，無法采用我國橋梁抗風規(guī)范的地貌來統(tǒng)一描述[3]。這給抗風設(shè)計增加了困難，因此，精確預測橋址的風場特性非常重要。風場參數(shù)是大跨度橋梁抗風研究的基本數(shù)據(jù)，包括平均風速沿橋梁軸線的分布、風攻角和風向角等。復雜地形條件下的橋位風特性研究工作主要有3種方法：橋位現(xiàn)場實測、模型風洞試驗和計算流體力學數(shù)值模擬?，F(xiàn)場實測[4?5]能夠較為準確獲得橋位及附近的平均風荷載及湍流特性，但限于測風塔的數(shù)量及觀測周期，對復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)測到強風的問題；風洞試驗[6?7]綜合考慮費用、周期以及試驗精度，能得到遠方來流風速及局部地形下風速的相關(guān)性。由于自身體積及模型比例的限制，對更大區(qū)域風場的風洞模擬還有待于進行進一步研究。采用計算流體動力學(CFD)方法進行數(shù)值模擬，可以用于評估風環(huán)境及結(jié)構(gòu)風荷載，具有費用低、周期短、便于模擬真實環(huán)境、描述流場細節(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新校區(qū)的山地地形的非定常風場，成功模擬了該地形上的風加速度和流場分離。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，揭示復雜地形地貌橋址區(qū)空間風場的分布特征。此外還有學者針對山區(qū)峽谷風環(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口，風口內(nèi)風速明顯高于周邊平坦地區(qū)風速?？紤]到橋址處復雜的地形地貌，僅采用周邊氣象站的有限氣象資料難以獲得橋址處準確的風場信息，本文針對蒙華鐵路三門峽黃河公鐵兩用大橋，采用計算流體力學方法研究橋位處的平均風，湍流度及風向角等風參數(shù)，以期為本橋的抗風設(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假定以及采用標準Smagorinsky Lilly模型計算由亞格子渦旋所造成的亞格子應(yīng)力(SGS)?？刂品匠掏ㄟ^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)，將其導入到軟件ARCGIS中，生成包含坐標和高程的點云，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)后處理得到平均風速、風攻角及風向角的變化規(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)域有影響的復雜地形，計算區(qū)域需要包含最外圍的復雜地形。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)格拓撲關(guān)系，綜合考慮研究對象的幾何復雜性、網(wǎng)格生成的難易程度以及計算的準確性，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

為精細化模擬不同風向情況下的風場分布，計算中來流方向取24個方向，建立24個風向角工況。圖4為計算風向示意圖，0°對應(yīng)的來流風向為西向，?90°對應(yīng)來流風向為南向，180°對應(yīng)來流風向為東向，90°對應(yīng)來流風向為北向。以來流風向為西向為第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°，因此來流風向為120°或?60°代表風向與橋軸線接近正交。

圖4 各計算工況風向定義

3 計算結(jié)果

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

圖5 順橋向風速、橫橋向風速和豎向風速示意

風攻角對主梁抗風性能有重要影響，正攻角代表上升氣流，負攻角代表下降氣流。為了反映橋位處風速的變化規(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 各來流風向下的風速分布

圖6~8分別為在橋面高度處沿主橋軸向的風速分布圖、順橋向風速分布和橫橋向風速分布圖。在24個工況中，由于橋位附近地形的干擾效應(yīng)，橋位處平均風速數(shù)值差異很大，風向角對橋面風速影響明顯。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 沿主橋風速分布圖

工況9(120°風向)的跨中風速最大，且較其余工況有較大的風加速。其原因是當風按照工況9所設(shè)定的風向角吹向橋梁時，風速基本上與河道的走向保持一致，由于峽谷效應(yīng)，風經(jīng)過此地時風速加大。圖9為工況9(120°風向)距地表70 m高度處風速分布圖，左側(cè)圖為風速分布圖，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°風向)沿主橋風速分布圖。其余工況在750 m位置附近時出現(xiàn)極大風速，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，風速在橋端出現(xiàn)下降。工況2，3，4，5，14，15和16的風速分布比較均勻，此時的風向近似于橋梁縱向。

圖7 沿主橋順橋向風速分布圖

圖8 沿主橋橫橋向風速分布圖

圖9 工況9(120°風向)風速分布及對應(yīng)地形高程圖

圖10 工況9(120°風向)沿主橋軸向風速分布圖

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

3.2 風攻角和風向角的影響

風攻角和風向角是描述橋位風場的重要參 數(shù)[11?13]，在評價各方向來流對橋梁抗風性能影響時，應(yīng)綜合考慮風攻角和風向角的數(shù)值。沿主橋軸向風攻角和風向角分布如圖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攻角均在±5°內(nèi)變化，少部分風攻角很大，主要是因為橫橋向平均風速很小，因此不會控制設(shè)計。

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

圖12 沿主橋方向風向角分布圖

表1 各工況平均風攻角和風向角

圖13 平均風速及平均風攻角隨各工況來流方向的變化情況圖

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

圖14 平均風速及平均風向角隨各工況來流方向的變化情況圖

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

圖15 地形影響下平均風攻角隨橫橋向平均風速變化

4 結(jié)論

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

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

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

[1] 項海帆. 現(xiàn)代橋梁抗風理論與實踐[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005. XIANG Haifan. Modern theory and practice on bridge wind resistant[M]. Beijing: China Communications Press, 2005.

[2] 陳政清. 橋梁風工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005. CHEN Zhengqing. Bridge wind engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2005.

[3] JTG/T D60?01?2004, 公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范[S]. JTG/T D60?01?2004, Wind and highway design code for highway bridges[S].

[4] 黃國慶, 彭留留, 廖海黎, 等. 普立特大橋橋位山區(qū)風特性實測研究[J]. 西南交通大學學報，2016, 51(2): 349?356.HUANG Guoqing, PENG Liuliu, LIAO Haili, et al. Field measurement study on wind characteristics at Puli Great bridge site in mountainous area[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2016 , 51(2): 349?356.

[5] 薛亞飛, 劉志文. 復雜地形橋位風場空間分布特性數(shù)值模擬[J]. 公路交通科技, 2016, 33(5): 66?72. XUE Yafei, LIU Zhiwen. Numercial simulation of spacial distribution feature of wind field over bridge site at complex terrain[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2016, 33(5): 66?72.

[6] 胡朋, 李永樂, 廖海黎. 山區(qū)峽谷橋址區(qū)地形模型邊界過渡段形式研究[J]. 空氣動力學學報, 2013, 31(2): 231?238.HU Peng, LI Yongle, LIAO Haili. Shape of boundary transition section for mountains-gorge bridge site terrain model[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2013, 31(2): 231?238.

[7] LIU Y S, MIAO S G, ZHANG C L, et al. Study on micro-atmospheric environment by coupling large eddy simulation with mesoscale model[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2012, S107? 108(8): 106?117.

[8] Uchida T, Ohya Y. Development of the local wind field simulator RIAM-COMPACT: Wind field assessmentand real time simulation (numerical prediction technique of airflow over complex terrain)[J]. Journal of Japan Society of Fluid Mechanics, 2003, 22: 417?428.

[9] Uchida T, Ohya Y. Application of LES technique to diagnosis of wind farm by using high resolution elevation data[J]. Jsme International Journal, 2006, 49(3): 567? 575.

[10] LIU Zhenqing, Ishihara T, Tanaka T, et al. LES study of turbulent flow fields over a smooth 3-D hill and a smooth 2-D ridge[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2016, 153: 1?12.

[11] LIU Zhenqing, Ishihara T, He X, et al. LES study on the turbulent flow fields over complex terrain covered by vegetation canopy[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics, 2016, 155: 60?73.

[12] 李永樂, 蔡憲棠, 唐康, 等. 深切峽谷橋址區(qū)風場空間分布特性數(shù)值模擬研究[J]. 土木工程學報, 2011, 44(2): 116?122. LI Yongle, CAI Xiantang, TANG Kang, et al. Study of spatial dietribution feature of wind fields over bridge site with a deep-cutting gorge using numerical simulation[J]. China Civil Engineering Journal, 2011, 44(2): 116?122.

[13] 于濤. 山區(qū)峽谷風特性的數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測的對比研究[D]. 湘潭: 湖南科技大學, 2014. YU Tao. Study on Wind-environment numerieal simulation and field measurement about canyon[D]. Xiangtan: Hunan University of Science & Technology, 2014.

[14] 劉熠. 山區(qū)峽谷橋址處風場特性實測研究與數(shù)值模擬 [D]. 長沙: 長沙理工大學, 2014. LIU Yu. Mountain valley bridge wind characteristics field measurement study and numerical simulation[D]. Changsha: Changsha University of Science and Technology, 2014.

[15] 沈煉, 韓艷, 蔡春聲, 等. 山區(qū)峽谷橋址處風場實測與數(shù)值模擬研究[J]. 湖南大學學報(自科版), 2016, 43(7): 16?24. SHEN Lian, HAN Yan, CAI Chunsheng, et al. Experiment and numerical simulation for wind field of a long-span suspension bridge located in mountainous canyon[J]. Journal of Hunan University (Natural Sciences), 2016, 43(7): 16?24.

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)