山区Y形河口附近桥址区地形风特性数值模拟研究

李永乐, 遆子龙, 汪 斌, 廖海黎

(西南交通大学土木学院, 四川 成都 610031)

山区Y形河口附近桥址区地形风特性数值模拟研究

李永乐, 遆子龙, 汪 斌, 廖海黎

(西南交通大学土木学院, 四川 成都 610031)

为研究在山区Y形河口影响下桥址区的桥梁风载特性，以山区峡谷大跨度悬索桥桥址区真实地形为工程背景，应用CFD(computational fluid dynamics)的方法，建立了桥址区复杂地形区域风场数值模型.通过36个工况的分组对比分析，探讨了山区Y形河口对主梁的平均风速、风攻角、风剖面以及风速放大系数在不同来流方向下的影响规律，并分析了河口处河道的导流与山体的绕流作用.研究结果表明:不同于普通深切峡谷地形风特性，在Y形河口影响下，桥址区附近的平均风速最大增幅达24 m/s，平均风攻角主要表现为负攻角，出现了最高达1.13的风速放大系数，且河道的导流及山体的绕流作用会导致主梁风速分布不均匀.

Y形河口；地形影响；峡谷；桥梁；风工程

我国水运资源丰富,有长江、黄河、珠江等大水系及许多中小水系.每个水系又由干流和若干支流组成,这些河流大多发源或流经山区,河流的某些河段或整个河流属于山区河流.当山区河流的较大支流汇入主流时,往往形成交汇河口地形[1].交汇河口大致可分为两类:支流斜接干流形交汇和Y形交汇,其中Y形交汇河口的交汇角较大,常见于较大河流交汇处[2].

大跨度桥梁柔度较大,在风荷载作用下易出现对结构不利的风致振动,抗风已成为大跨桥梁设计的控制因素之一.山区地形复杂,往往形成深切峡谷.峡谷内阵风强烈,风切变频繁,湍流强度大,非平稳特性突出,与常规地区风场特性存在明显差异,山区深切峡谷桥址区风特性成为大跨度桥梁抗风研究的重点[3-5].当桥址区处于山区典形Y形河口附近时,与普通峡谷相比,Y形河口的存在对平均风速、风攻角及风速放大系数等均有明显影响.

针对复杂山区桥址区风特性的研究主要有3种途径:现场实测、风洞试验及数值模拟.其中数值模拟通常以计算流体力学(computational fluid dynamics， CFD)为基础,模拟得到峡谷、山脉等复杂地形的三维风场,从而可确定区域内不同位置处风特性的分布规律.其优点包括:可重复性好,能较快的给出流场定量结果,节约人力物力,受干扰小.数值模拟方面,文献[6]采用标准k-ω湍流模形对区域风场进行了线性与非线性的数值模拟,得到了风速及风向的分布情况,文献[7]对复杂地形风场研究进行了回顾总结,并对不同地形下风洞试验与现场实测的结果进行了对比分析,总结了各种方法的适用性,文献[8]使用软件FLUENT对苏格兰Askervein小山真实地形进行了风环境数值模拟,文献[9]针对理想地形和真实地形使用不同的湍流模型进行了地形风特性的数值模拟.针对桥址区附近的地形风特性,文献[10]结合现场实测和数值模拟两种方法对西部山区地形某桥址区的风环境进行了研究,文献[11]对北盘江大桥桥址区风环境进行了数值分析,并与风洞试验进行了比较,文献[12]针对深切峡谷桥址区进行了8 km×8 km区域地形风场数值模拟研究,并对比分析了不同风向情况下桥址区风速沿高度的变化情况,提出将深切峡谷桥址区风场分为峡谷层、峰峦层和中高空层,根据风速沿主梁方向的变化特点,得出了平均风速和风攻角的联合分布,在一定程度上揭示了深切峡谷桥址区空间风场的分布特征.与以上研究对象不同,本研究中桥址处紧邻Y形河口的深切峡谷内,兼有分岔河道地形与深切峡谷地形的特点,其风环境与传统的深切峡谷有较大差异,目前尚未见关于Y形河口对桥址区风场影响的研究报道.

为研究Y形河口对桥址区风特性的影响,本文采用计算流体动力学数值模拟的方法,应用大形CFD仿真分析软件FLUENT,以实桥桥址区地形为对象,研究了山区Y型河口附近深切峡谷桥址区的风场特性.

1 数值分析模型

某西部山区悬索桥跨径1 350 m,桥面标高海拔1 792 m,距离谷底432 m,见图1.桥址位于深切峡谷中,向南距离桥址区约1.5 km处有一Y形交汇河口,整个桥址区群山环绕,最高海拔3 560 m.

图1 桥跨总体布置图(单位： m)Fig.1 General layout of the bridge(unit： m)

桥址区地形如图2所示,蓝色线条表示3条峡谷河道,黑色虚线框内所示为Y形河谷,红色线条表示桥位.河道将区域地形大致分为3块,分别为山体Ⅰ、山体Ⅱ和山体Ⅲ.

图2 桥址区域地形三维视图Fig.2 Three-dimensional view of the bridge site

针对复杂山区的真实地形建模,本研究采用分辨率为10 m的等高线图,使用非均匀有理B样条曲线差值方法进行曲面拟合,该方法所得曲面与实际吻合较好,如图2所示.针对桥址区地形地貌特点,结合当前的计算能力与计算效率,选定的计算区域东西和南北方向边长均为20 000 m、高度(主梁至计算区域顶部)为15 208 m的长方体区域,并对计算区域的高度进行了区域无关性检验,以保证地面上方空气流动具有合理的顶部边界.

整个计算域采用非结构四面体网格划分方式.在桥位附近设置网格加密区,远离桥位处的网格逐渐稀疏化.边界层网格在地表划分尺寸为50 m,高度方向采用棱柱体网格进行划分,首层网格高度2 m,垂向网格增长率为1.15，共15层，边界层网格总高度为96 m.边界层高度以上网格尺寸逐渐增加,高空最大网格尺寸为350 m.计算域网格总数为580万,使用计算流体力学专用前处理软件ICEM(integrated computer engineering and manufacturing)评价网格质量,网格质量评价指数均在0.35以上.

2 分析参数及边界条件

数值计算中采用有限体积法对流场控制方程进行离散,求解器选适用于不可压缩及低速流动的全隐式分离求解器,压力与速度耦合用SIMPLE算法计算,湍流模型选用SSTk-ω.

在风场计算中，入口处来流风速分布偏安全地采用气象观测站标准场地(B类地表)对应的风剖面,同时,本研究中尽可能采用大区域地形,使来流发展相对充分,以弱化入口来流条件的影响.通过用户自定义函数(UDF)对计算入口风速进行如下设置：高程4 000 m以下部分按B类地表(标准气象站场地)风速随高度变化的指数规律进行设置,高程1 360 m处为入口处谷底,高程4 000 m以上部分风速取为50 m/s.其中,桥位处桥面高度处入口风速为38 m/s.

3 计算结果及分析

3.1 分析工况

为考察主梁周围风环境特征,沿主梁(由西岸到东岸)布置了7个观测点,并沿高度方向布置竖向观测点,沿主梁分布和垂直主梁分布的各观测点的空间分布如图3所示.

为考察不同方向来流对桥位风场的影响,设定36个方向计算中入口来流，如图4所示.图4中数字代表计算工况号,设西偏北5°方向的来流工况为工况1,顺时针方向每10°设置1个工况,共36个工况(工况1～36).因本文研究桥址区的地形特殊,向北延伸出一条长直深切峡谷,南方紧邻Y形河口,兼有河口地形与深切峡谷地形的特点,其风环境与来流方向密切相关.为研究Y形河口对桥位处风环境的影响,将36个工况按来流方向是否受到Y形河口的影响分为两类:工况1～18为常规河道来流工况,符合常规山区峡谷的来流环境,来流基本不受Y形河口的影响;工况19～ 36为分岔河道来流工况,来流受到Y形河口的影响.

图3 主跨观测点布置示意图Fig.3 Locations of wind velocity observation points in the main span

图4 来流方向示意图Fig.4 Sketch of wind flow directions

两类来流工况的分界线为东西方向线,见图4.这样每个常规河道来流工况都有一个关于东西方向线对称的分岔河道来流工况,如工况4与工况33对称,工况14与工况23对称.此分类的好处是,每组对称工况与东西方向线夹角相同,仅以是否受到Y形河口影响作为单一变量,便于对Y形河口对桥址区风环境的影响进行研究.以下基于这些对称工况的对比,从平均风速的空间分布、风攻角、风速放大系数等方面，研究Y形河口对桥址区风环境的影响,并解释其成因.

3.2 Y形河口对主梁平均风速的影响

根据桥梁结构风致振动的特点,有代表性地选取主梁跨中附近5个观测点计算结果的平均值作为相应工况的取定值,观测点分别为从西岸至东岸方向1/4跨处、3/8跨处、1/2跨处、5/8跨处和3/4跨处5个点,这段主梁是结构振动最明显、气动力作用最显著的部位,测点位置如图3所示.

为研究不同来流方向下桥址区的风特性,对于两类来流方向,将各对称工况下的主梁横桥向平均风速在同一坐标轴下绘制成两条曲线,见图5.其中,横桥向风速指总风速沿垂直于桥轴线方向的速度分量.

图5 不同来流下的横桥向风速对比Fig.5 Comparison of wind velocity cross the bridge in different flow directions

由图5可知, 18组对称工况中,分岔河道来流工况风速大于常规河道来流工况风速的工况有14组,占77.8 %,风速最大增加了24.26 m/s(工况8与工况29).可见,受Y形河口影响,分岔河道来流在桥址区产生的横桥向风速普遍大于常规河道来流.其原因是，当来流与桥址区河道有一定夹角时,常规河道来流工况由于深切峡谷两岸山体的阻挡和屏障作用,桥位高度处风速有所削弱,这符合已有研究对深切峡谷风特性的认识.

分岔河道来流产生的横桥向风速较大的主要原因如下.

(1) 当来流方向与桥位所在河道夹角较小(例如工况26～29)时,气流由河口流入峡谷的过流断面迅速减小,气流受两岸山体挤压,导致风速变大.

(2) 当来流方向与桥位所在河道夹角较大(例如工况34)时,在Y形河口处,河道对分岔河道方向来流具有导流作用,来流在河道引导下转向桥址区,从而使桥址区分岔河道方向来流的横桥向风速增加.图6是工况34桥面高度平面的速度云图(如线框内所示),可以观察到来流在河道导流作用下发生了转向.

3.3 Y形河口对风剖面的影响

为研究两类来流方向下桥址区风剖面的差异,取以下典型对称工况组的跨中处横桥向风剖面进行分组对比:工况9与工况27；工况14与工况23；工况6与工况31.其中第1组工况来流方向与主梁垂直,大致平行于桥址所在的河道,第2与第3组工况分别位于桥东西两侧,大致与主梁成45°夹角.图7～9给出桥址区风剖面对比.

图6 桥位高度水平面速度矢量图(工况34)Fig.6 Wind velocity contours at the height of bridge deck (case 34)

图7 桥址区风剖面对比(工况9和27)Fig.7 Comparison of wind profiles over bridge site between cases 9 and 27

由图7～9可见,各组对比工况的风剖面形状、风速大小均差异很大.工况9、工况14和工况6属于常规河道来流工况,由于峡谷两侧复杂地形的遮挡作用,其风剖面分布呈S形,风剖面在海拔1 500 ～1 800 m区间内的“峡谷层”变化较规律,在海拔1 800 ～2 200 m区间内的“峰峦层”产生拐点,之后风速大致符合随高度增加的规律,这些特征均基本符合常规峡谷风剖面的特征,与文献[12-13]的研究结果类似.工况27、工况23和工况31为分岔河道来流工况,其风剖面分布规律较简单,没有常规峡谷风剖面的拐点,风速基本随高度的增加而增加,且风剖面斜率较大.这是由于:

(1) Y形河口处较开放式的地形特点,使分岔河道来流受两侧地形的遮挡作用较小,风剖面分布较简单,基本保持风速入口指数剖面的形状特点,风速随高度的增加而增加.

(2) 气流从Y形河口处流入峡谷,受河口两岸山体挤压的影响,风速增加.由于深切峡谷断面下窄上宽的形状特点,高度越低,加速效应越明显,从而使整个风剖面斜率增加.

图8 桥址区风剖面对比(工况14和23)Fig.8 Comparison of wind profiles over bridge site between cases 14 and 23

图9 桥址区风剖面对比(工况64和31)Fig.9 Comparison of wind profiles over bridge site between cases 6 and 31

3.4 Y形河口对风攻角的影响

选取主梁跨中附近5个观测点风攻角计算结果的平均值作为相应工况的取定值，观测点位置与3.2中所述相同(图3).为对比各对称工况平均风攻角的差异,按照图5的绘制方法,将各工况风攻角按来流方向的不同进行分类,并在同一坐标轴下绘制成曲线,见图10.

由图10可知,常规河道来流各工况下的风攻角随来流方向的变化没有表现出明显的规律,除了工况17和工况18外，分别出现高达-67.80°和-26.81°的大攻角,攻角基本在-14.70°～ 12.80°之间变化,且工况17和工况18横桥向风速很小,对抗风不起控制作用.主要原因是在峡谷两侧复杂地形的遮挡作用下,气流产生的扰动和三维特性,该结果符合以往对深切峡谷风攻角特性的认识.而分岔河道来流各工况下的风攻角除了工况20和工况21分别出现12.54°和2.28°的正攻角外,其余均为负攻角,攻角在-17.20°～0°之间变化.主要原因是因为分岔河道来流在流经Y形河口前方山体Ⅲ时形成“越山流动”,越山风流至桥址区时,攻角为负,这与文献[6]的研究结论吻合. Y形河口并没有对攻角产生直接影响,桥址区负攻角的形成原因是经过山体Ⅲ后形成的越山风.但事实上,在山区地形中,Y形河口的存在必然将周围山体分成如图2所示的3个部分,河口与其周围山体往往是一个不可分割的系统.故可将负攻角的形成原因归纳为Y形河口对桥址区风攻角的影响.

图10 不同来流方向下的风攻角对比Fig.10 Comparison of wind attack angles in different flow directions

同时,对风攻角沿主梁的分布进行了考察,结果见图11和图12，图11为常规河道来流下典型工况的风攻角沿主梁分布图，图12为分岔河道来流下典型工况的风攻角沿主梁分布图.

图11 风攻角沿主梁分布(工况5、6、13和14)Fig.11 Distribution of wind attack angles along the deck in cases 5，6,13 and 14

由图11～12可以看出,常规河道来流下,靠近来流方向山体附近与背离来流方向山体附近的风攻角方向相反,最大相差23°,这是由于峡谷两侧山体较强的遮挡作用,越山风产生的尾流影响了峡谷的风场分布,见图11.分岔河道来流,风攻角沿桥轴线分布均为负攻角.这是由于山体Ⅲ后形成的越山风流至桥址区时,攻角为负.

图12 风攻角沿主梁分布(工况23、24、33和34)Fig.12 Distribution of wind attack angles along the deck in cases 23, 24, 33 and 34

3.5 Y形河口对风速沿主梁分布的影响

图13和图14分别给出工况20～25与工况29～34下横桥向风速沿主梁的分布.工况20～25来流方向大致是东南方向,与河道Ⅲ走向一致,工况29～34来流方向大致是西南方向,与河道Ⅱ走向一致.

图13 横桥向风速沿主梁分布(工况20～25)Fig.13 Distribution of wind velocity across the bridge along the deck in cases 20-25

图14 横桥向风速沿主梁分布工况(29～34)Fig.14 Distribution of wind velocity across the bridge along the deck in cases 29-34

在分岔河道方向来流各工况(工况19～36)中,当来流经过河口时,河道均不同程度地改变了来流的方向及大小,从而影响了桥位处的风场，这是由山体的绕流和河道的导流作用综合而成的.图15为河口处气流的局部流动示意图,红色箭头表示山体的绕流作用,其形成原因是当空气流经钝体时,会在钝体表面发生气流分离,尾流绕向钝体的后方,且分离后的尾流流速较快,这可能会造成主梁左右风速差较大.典型工况速度云图见图16和图17，蓝色箭头表示河道的导流作用,其形成原因是气流受到山体走向的影响,被迫沿河道流动,这会增加主梁横桥向的平均风速.

图15 河口处气流局部流动示意图Fig.15 Schematic of local flow at the river junction

图16 工况25桥位高度水平面速度云图Fig.16 Wind velocity contours at the height of bridge deck in case 25

从图13中可见，工况25出现了左跨比右跨最高达17 m/s的风速差,对应工况的桥位高度水平面速度云图见图16，可见气流在河口右岸山体处发生了绕流作用,产生的尾流增大了左跨风速,使左右跨风速差增大.图14中,工况30出现了右跨比左跨最高达20 m/s的风速差,对应工况的桥位高度水平面速度云图见图17，可见气流在河口左岸山体处发生了绕流作用,产生的尾流增大了右跨风速,使左右跨风速差增大.

综合上述分析,受Y形河口影响,河口处山体的绕流作用与河道的导流作用可能会造成主梁左右跨较大的风速差,而风速差会使主梁左右跨受力不均,对大柔度的大跨悬索桥安全不利.

图17 工况30桥位高度水平面速度云图Fig.17 Wind velocity contours at the height of bridge deck in case 30

3.6 Y形河口对风速放大系数的影响

对各工况的风速放大系数进行了研究,风速放大系数玫瑰图见图18.

图18 风速放大系数玫瑰图Fig.18 Rose diagram of wind velocity magnification factors

由图18可见,本文桥址区出现了明显的风速放大系数.在常规河道来流的各工况中,工况10风速放大系数最大(为1.0).在分岔河道来流的各工况中,工况26与工况27均出现了高达1.13的风速放大系数.

桥址区北方河道较顺畅,桥位高度处峡谷谷宽较大,平均宽度达1 530 m,因而未出现明显的加速效应.而分岔河道来流出现了较大的风速放大系数,其主要原因是在Y形河口处,气流从开阔地带流入峡谷时两侧山体对气流的挤压导致风速加大.

4 结 论

通过对山区Y形河口附近深切峡谷桥址区风场的数值模拟研究,可以得到以下结论.

(1) 受Y形河口影响,分岔河道来流在桥址区产生的横桥向平均风速普遍大于常规河道来流,且风速增幅较大.

(2) 在Y形河口影响下，分岔河道来流与常规河道来流在桥址区的风剖面差别很大.常规河道来流的风剖面因峡谷复杂地形的遮挡作用,呈S行分布,符合常规深切峡谷的风剖面特征.而分岔河道来流因河口处较开放的地形特点,遮挡作用较小,导致其风剖面形式较简单,大致呈现风速随高度上升而增加的规律,河口两侧山体的挤压作用增加了近地高度层的风速,造成风剖面斜率较大.

(3) 由于Y形河口的存在,分岔河道来流与常规河道来流在桥址区的平均风攻角差异很大.常规河道方向来流的平均风攻角随来流方向的变化，基本符合传统深切峡谷风攻角的特点,总体分布在0°±10°之间,无明显规律;而分岔河道来流的平均风攻角普遍表现为负攻角,主要原因是气流经过Y形河口前方山体Ⅲ后产生的“越山风”在桥址区表现为负攻角.

(4) 由于Y形河口的影响,分岔河道来流与常规河道来流风攻角沿主梁分布的差异很大.常规河道来流由于峡谷两侧山体的遮挡,在桥跨两侧攻角一侧为正,一侧为负,相差最大可达23°,而分岔河道来流受河口前方山体Ⅲ导致的“越山风”影响,风攻角沿主梁的分布均为负值.

(5) 在Y形河口的影响下,河口处山体的绕流作用与河道的导流作用会造成主梁风速分布的不均匀,从而会使主梁左右侧受力不均.

(6) 受Y形河口影响,分岔河道来流部分工况的主梁高度风速出现了风速放大系数达1.13的情况,其主要原因是Y形河口两侧山体对气流的挤压导致风速加大.

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李永乐(1972—),教授,博士,博士生导师,1998年起至今任职于在西南交通大学土木工程学院,现任桥梁工程系副主任，研究方向为大跨桥梁风致振动及车-桥耦合振动等动力行为，以及防灾减灾工程和防护工程.先后主持主研50余项科研项目,其中主持国家自然科学基金6项.曾获四川省科技进步一等奖、上海市科技进步一等奖、中国铁道学会科技进步一等奖、四川省教学成果三等奖.目前是中国振动工程学会理事、《Wind and Structures》编委、中国振动工程学会随机振动专业委员会委员；中国岩石力学与工程学会地下工程分会理事.

E-mail:lele@swjtu.edu.cn

遆子龙(1989—),2014级博士研究生.研究方向为大跨桥梁的空气动力学,海洋桥梁的波浪动力学.

Email: swjtutzl@126.com

(中文编辑:秦萍玲 英文编辑:兰俊思)

Numerical Simulation of Wind Characteristics over Bridge Site Near Y-shaped River Junction in Mountainous Area

LIYongle,TIZilong,WANGBin,LIAOHaili

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

To study the wind field characteristics in bridge site under the influence of Y-shaped river junction in mountainous areas, a long-span suspension bridge built over a deep-cutting gorge near a Y-shaped river junction is regarded as a typical example and a numerical model for the wind field distribution of the bridge site with complex terrain is established by computation fluid dynamics (CFD) method. According to comparative analysis of 36 cases in different groups, the influence laws of Y-shaped river junction on the average wind velocity, wind attack angle, wind profile, and wind velocity amplification factor along the bridge deck in different flow directions are discussed, and the effect of river diversion and flow around mountains at the junction are analyzed. The results show that unlike the wind characteristics in ordinary deep gorges, influenced by Y-shaped river junction, the maximum increase in the average wind velocities is up to 24m/s, the wind attack angles are mainly negative, and a large velocity amplification factor up to 1.13 occurs. The effect of river diversion and flow around mountains at the junction can lead to a large wind velocity difference on beam.

Y-shaped river junction; terrain influences; gorge; bridge; wind engineering

2015-11-30

国家自然科学基金资助项目(U1334201,90915006); 交通运输部建设科技计划资助项目(2014318800240)； 四川省青年科技创新研究团队项目资助(2015TD0004)

李永乐,遆子龙,汪斌,等. 山区Y形河口附近桥址区地形风特性数值模拟研究[J]. 西南交通大学学报,2016,51(2): 341-348.

0258-2724(2016)02-0341-08

10.3969/j.issn.0258-2724.2016.02.013

U441.2

A