山区峡谷中桥址处风场特性数值模拟研究

柯 勇＊，段青松

（1.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，四川 成都610041；2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳621010）

近年来，随着交通建设水平的不断提高和人民对交通日益增长的需求，我国西部山区有建设大跨度桥梁来跨越山区峡谷的需求。西部山区峡谷风速高、紊流强度高且沿桥跨向分布不均匀，非平稳性、脉动风特性突出，大跨度桥梁跨度大、刚度小、结构柔、频率低，对风作用敏感，因此，有必要深入研究山区峡谷风特性，为后续桥梁设计奠定基础。

针对典型的理想状态山区峡谷风特性，张忠义[1]、丁海平[2]等进行数值分析，并与试验结果进行对比。针对典型的过山气流特性，李正良等[3]采用k-ε 湍流模型分析了三维山体的风特性。胡峰强[4]采用k-ε 湍流模型进行了详细分析，并与试验结果进行了对比，结果表明数值模拟方法可较好的模拟。对于实际中复杂地形处的风特性研究，许多学者[5-8]也展开了针对性研究。针对北盘江大桥桥址区风特性，与平原地区不同，山区峡谷地形复杂，传统的桥梁设计基准风速的选取方法不再适用，目前尚无针对山区峡谷中桥梁设计风速的选取方法。

本文基于山区峡谷复杂地形，通过数值模拟对桥址处地形进行计算分析，得到桥面高度处设计基准风速，为山区峡谷同类桥梁设计提供参考。

1 工程概况

某拟建大跨度桥梁位于四川省西部山区，桥梁周围主要以山区峡谷地形为主，具有两侧海拔高、中间河道较宽的特点。地形模型的三维视图如图1(a)所示，计算区域局部地表网格划分如图1(b)所示，其中图形中心部位的直线为桥梁轴线。计算区域划分为2 492 259 个单元, 660 944 个节点。求解时采用k-w SST湍流模型，方程组求解时采用SIMPLE 算法。

图1 有限元模拟

2 计算工况

为了考察不同方向来流对桥位风场的影响，计算中来流取6 个方向(图2)，分别定义为工况1～工况6，分别为：北偏西36°、北偏西51°、北偏西66°、东偏南24°、东偏南39°、东偏南54°。风场计算中入口处来流风速30 m/s。为了直观的描述考察点风速分量与边界入口风速的关系，引入了风速放大系数这一无量纲参数：Cu表示该测点风速与入口风速的比值，该值反映了地形影响导致各计算点处风速的放大或衰减。为了反映桥位处风速的变化规律，沿桥轴线位置重点考察了48 个监测点，具体如图3 所示。

图2 工况定义

图3 CFD 计算风速监测点设置

3 结果分析

3.1 风速放大系数

图4 给出了工况1～工况6 中不同监测点处的顺风向风速放大系数结果。可知：桥跨两侧风速放大系数比桥跨中大，测点30～40 区域(靠近右侧桥塔区域)，风速放大系数相对较小，这主要是与桥塔所处的地形有关。在0～20 测点区域内，工况3 (北偏西66°) 时风速放大系数最大，工况6 (东偏南54°) 风速放大系数最小。20～48 测点区域内，工况2(北偏西51°)时风速放大系数最大，工况6(东偏南54°)中风速放大系数相对最小。在靠近山体两侧，风速放大系数相对较大，跨中侧风速放大系数相对较小。

图4 不同工况时风速放大系数沿桥轴线变化曲线

3.2 风攻角及风偏角

图5(a)给出了工况1～工况6 中不同监测点处的风攻角结果, 图5(b)给出了工况1～工况6 中不同监测点处的风偏角结果。

图5 不同工况时风攻角、风偏角沿桥轴线变化曲线

可知：不同测点处的攻角范围基本在+6°～-8°，工况4、工况5、工况6 在靠近右侧桥塔区域，风攻角局部较大(工况6)，最大达25°，不同测点处的风攻角变化相对较小，这可能与山体两侧地形的影响有关。在测点0～24 范围内，工况1～工况2 中的风攻角为正，工况3～工况6 时攻角为负；在测点25～测点48范围内，工况1～工况3 中的风攻角为负。而工况1中，不同监测点处风偏角变化相对较小，在0°左右；工况2～工况3 中，在右侧桥塔区域附近，风偏角为负，绝对值最大可达10°；工况4、工况6 中，在右侧桥塔区域附近，风偏角为负且绝对值最大达50°；在右侧桥塔区域附近，风偏角为正，且最大达30°，这可能主要与地形有关。

综上可知：横桥向+15°来风作用时，桥跨范围内风攻角约+6°～-8°，中跨桥面测点攻角约在+5°～-12°范围内；从工况1 到工况6，平均放大系数均较小，最大为0.80；但工况3，即沿河道下游来流与桥主梁成15°风偏角时，主梁端部的风速放大系数较大，为1.16。

表1 给出了工况1～工况6 中的平均风攻角、平均风向角及风速放大系数结果。可知：平均风攻角范围在-3°～+3°内；风偏角最大为10°～-24°；风速放大系数范围为0.5～0.8，不同工况中风速放大系数相对差距不大。

表1 各个工况主跨测点平均风攻角、风向角、风速放大系数

综合气象资料，卡哈洛乡至黄华镇金沙江大桥桥址处近百年一遇的风速为25.7 m/s。按照最大风速放大系数1.16 考虑，桥面高度处的设计风速可取为29.8 m/s。

4 结论

本文以山区峡谷大跨度钢桥梁地形为背景，通过数值模拟研究了不同工况下的桥面高度处风速放大系数、风攻角、风偏角结果，得出如下结论。

(1) 桥跨两侧风速放大系数比桥跨中大，靠近右侧桥塔区域，风速放大系数相对较小。

(2) 不同测点处的攻角范围基本在+6°～-8°，风攻角在局部测点处较大，最大达25°；不同测点处的风攻角变化相对较小。

(3) 工况1～工况3 中，在桥塔区域附近，风偏角为负，最大可达10°；工况4、工况6 中，在右侧桥塔区域附近，风偏角为负且最大达-50°；在桥塔区域附近，风偏角为正，且最大达30°。

(4) 根据气象资料和地形CFD 计算结果，桥面高度处的设计风速可取为29.8 m/s，综合风速和风向，建议设计时考虑的攻角范围为±5°。