某斜拉桥桥塔区行车风环境研究

王同顺，郑 亮

（1.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2.上海黄浦江大桥建设有限公司，上海市 200090）

某斜拉桥桥塔区行车风环境研究

王同顺1，郑 亮2

（1.江苏省水利科学研究院，江苏 南京 210017；2.上海黄浦江大桥建设有限公司，上海市 200090）

采用数值风洞的方法，对某斜拉桥桥塔区三维流场数值模拟，通过在无监控室、无风障、有风障三种情况下桥塔区行车高度风环境的研究，结果表明：无风障时，由于受到塔柱的影响，桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈，且桥塔附近增大效应明显；无监控室时，风速影响系数最大值变化不大，监控室对桥塔区行车风环境影响较小；在设置风障后，风速影响系数曲线变化趋缓，桥塔附近风速影响系数突变得到有效消除。设置风障能够有效保障大风环境下行车安全。

斜拉桥；数值风洞；风障；风速影响系数

0 引言

桥梁行车风环境问题在国内外桥梁设计、建设及运营管理中越来越受到重视[1]。根据已建成桥梁的经验，当桥面实际瞬时风速达到19 m/s时，微型客车、轻型客车和空载集装箱车就将面临通行安全问题[2]，如何采取有效措施提高大桥风天的通行安全，提高桥梁运营效率无疑是该桥建设和运营管理必须要解决的问题。目前降低桥面行车风环境的有效工程措施主要是加设风障[3]。国内外已加设风障的桥梁有英国Severn悬索桥、Severn二桥，法国Millau高架桥，中国杭州湾跨海大桥、青马大桥等[4-5]。本文以某斜拉桥桥塔区行车道桥面行车高度范围风速影响系数的最大值不超过同等高度非桥塔区主梁桥面行车高度范围的风速影响系数为控制目标，采用数值风洞技术进行桥塔区桥面绕流仿真分析，结合控制目标，评价风障的减风效果，为后期桥梁风天的通行安全和提高桥梁运营效率提供数据和理论支撑。

1 工程概况

某斜拉桥的大桥全长6.017 km，主桥长1.074 km，主跨 590 m，总宽 35.95 m（见图 1），设双向 8车道，设计时速80 km，最大荷载为汽-超20级。主塔呈A形，主塔高217 m；拉索采用扇形平面布置，共30对240根。该桥桥位属于北亚热带季风气候，温和湿润，四季分明；历史瞬时最大风速为22 m/s，大于8级的大风日年均22 d。

图1 主梁跨中标准横断面布置图（单位:mm）

风障布置于检修道栏杆上，在桥塔中心线向外20 m范围内，采用7道风障，每道风障高280 mm，透风率43%；往外12 m范围内布置5道风障；9 m范围内布置3道风障；9 m范围内布置2道风障。单塔柱风障布置范围总长度99 m。风障布置方案如图2和图3所示。

图2 风障纵桥向布置（单位：m）

图3 风障立面布置图（单位：mm）

2 几何建模及网格划分

为了考虑桥塔区对主桥桥面风环境的三维影响，针对主桥的桥塔及其一定范围内的主桥面进行三维模型的建立。首先按照设计方所提供的结构图建立了主梁的几何模型，然后进行空间区域的网格划分。几何模型主要包括桥塔、主梁（防撞护栏、风障等）组成，忽略主梁底部小纵梁、检修车道等对桥面行车风环境没有影响的构件。

针对桥塔计算区域采用多块混合网格进行划分，网格数量为2 500万左右，同时在靠近桥塔区域进行一定的局部加密。这样可以在重要区域网格做到细密，非重要区域网格相对略粗，保证在总体网格数不变的情况下，提高了计算的精度，节约了有限的计算机资源[6]。结构几何模型及网格划分如图4 a所示。

图4 结构几何模型及计算区域边界条件设置

3 计算方法及边界条件设置

流场的数值模拟是以Navier-Stokes方程（绕流风的连续性方程及动量守恒方程）为基本控制方程，采用离散化的数值模拟方法求解流场。在Navier-Stokes方程求解中，采用直接数值求解（DNS）可精确描述绕流流动，但对三维高雷诺数绕流流动，这种数值模拟的计算量是难以承受的，在工程上常采用湍流模型来计算。湍流模型是模拟均值化的流场，对难以分辨的小尺度涡在均值化过程中加以忽略，而被忽略的小尺度涡在湍流模型中体现[7]。

本研究采用基于时间平均的雷诺均值Navier-Sto kes方程（RANS）模型中使用最广泛的Realizablek-ε双方程湍流模型，计算方法及参数见表1。

表1 计算方法及参数列表

边界条件设置：流体入口边界条件采用了均匀来流10 m/s的速度进口，出口边界条件为压力出口边界条件，无滑移固壁条件有桥面、风障、防撞栏杆、防撞墙等，如图4 b所示。

4 桥面行车高度风环境研究

在计算区域设置一定的入口速度，通过数值求解可获得主梁区域的流场分布，从而可评估主梁区域的风环境。主要研究空间风速的变化，引入速度系数变量α来分析流场，该变量定义为

式中：α为速度系数；υmean为研究空间某点的平均速度；υin为入口风速。通过该系数的大小就可判断桥塔空间区域某点的风速相对大小，系数越大表示该点风速大，系数越小表示该点风速小，系数大于1表示该点风速大于来流风速，系数小于1表示该点风速小于来流风速[8]。

考虑车道中心线，桥面以上10 m范围为风速监测位置，按照风速来流方向分别定义为车道1、车道 2、车道 3、车道 4、车道 5、车道 6、车道 7、车道8，如图5所示。

图5 监视位置示意图

为了便于研究桥塔区桥面的风环境，在无监控室时，在顺桥向位置分别选取的研究位置有桥塔中心到外侧 0 m、4 m、6 m、8 m、8.5 m、9 m、9.5 m、10 m及离桥塔70m远的位置，该处位置可认为桥面的风环境受桥塔的影响已经很小，可忽略[9]；在无风障时，在顺桥向位置分别选取的研究位置有桥塔中心到外侧0 m、2 m、4 m、6m、8 m、10 m、12 m、20 m及离桥塔70 m远的位置；在有风障时，在顺桥向位置分别选取的研究位置有桥塔中心到外侧 0 m、4 m、6 m、8 m、10 m、25 m、36 m、45 m及离桥塔70 m远的位置。桥塔区绕流场显示图及桥面风速剖面图如图6～图8所示。

图6 无监控室时桥塔区绕流场显示及桥面风速剖面显示图

图7 无风障时桥塔区绕流场和桥面风速剖面显示图

图8 有风障时桥塔区绕流场及桥面风速剖面显示图

5 等效桥面风速及影响系数

为了比较来流风速和桥面不同高度位置风速的对应关系，定义了等效桥面风速和影响系数。由于主梁和栏杆等附属结构的影响，均匀的侧向来流风速在桥面形成一定厚度的边界层，为了比较，根据侧向气动力等效原则定义等效桥面风速如下：

式中：zr表示汽车所处的高度范围。一般的基本乘用车和交叉型乘用车选取高度范围为3.0 m；中型客车、大型客车和大型厢式货车高度范围选为5.0 m。桥梁结构对桥面风环境的影响用桥面等效风速与实际风速的比值表示，定义其为影响系数：

计算获得距桥塔中心不同距离，在行车道位置5.0 m和3.0 m高度各车道范围风速影响系数如图9～图11所示。从图中可以看出，无监控室时，风速影响系数最大值数值变化不大，位置向外偏移；由于受到塔柱的影响，无风障时，桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈，且桥塔附近出现增大效应；在设置风障后，风速影响系数曲线变化更加平缓，桥塔附近风速影响系数突变得到有效消除。

图9 无监控室时桥塔区各车道风速影响系数

图10 无风障时桥塔区各车道风速影响系数

图11 有风障时桥塔区各车道风速影响系数

6 结语

通过建立某斜拉桥桥塔区三维流场模型，对桥塔区行车风环境进行研究，得到了各位置处的车道位置影响系数，可以得到以下主要结论：

（1）无风障时，由于受到塔柱的影响，桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈，且桥塔附近增大效应明显。

（2）无监控室时，风速影响系数最大值变化不大，监控室对桥塔区行车风环境影响较小。

（3）在设置风障后，风速影响系数曲线变化趋缓，桥塔附近风速影响系数突变得到有效消除。设置风障能够有效保障大风环境下行车安全。

[1]陈艾荣,王达磊,庞加斌.跨海长桥风致行车安全研究[J].桥梁建设，2006(3):1-4．

[2]JTG/T D60-01—2004，公路桥梁抗风设计规范[S].

[3]夏锦林，李珂，葛耀君，等.不同风障形式下桥梁断面行车风环境及颤振性能[J].哈尔滨工业大学学报,2017,49(3):98-105.

[4]OSTENFELD K H．Great belt link:the east bridge[J].Concrete International,1992,14(12):643．

[5]陈晓冬.大跨桥梁侧风行车安全分析[D].上海:同济大学,2007．

[6]艾辉林.大涡模拟在桥梁风工程中的应用[D].上海：同济大学，2007．

[7]陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[8]艾辉林,陈艾荣.跨海大桥桥塔区风环境数值风洞模拟[J].工程力学,2010(S1):196-199.

[9]ARGENTINI T，OZKAN E，ROCCHI D，et al.Cross-wind effects on a vehicle crossing the wake of a bridge pylon[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2011,99(6):734-740.

北京首条中低速磁浮线路S1线年底开通 将新建7条道路

北京首条中低速磁浮线路S1线将于今年年底开通试运营。为方便市民乘坐新线，交通部门新建7条道路。

S1线西起石门营站，东至苹果园站，全长10.2 km，共设8座车站，分别是：石厂站、小园站、栗园庄站、上岸站、桥户营站、四道桥站、金安桥站、苹果园站。年底将开通石门营站至金安桥站区段。

S1线是北京市首条中低速磁浮线路，最高运行时速为100 km/h，列车采用6辆编组，总长度为89.6 m，额定载客数为1 032人，通车后会有10组列车用于日常运营。

为方便市民乘坐新线，交通部门新建7条道路，在石厂站建设5 500 m2P+R停车场，新建3个公交场站和7个公交停靠站接驳新线。

7条道路分别是石厂站车辆段一路、石厂站车辆段二路、石厂站石园北路、栗园庄站新城大街、上岸站雅安路、桥户营站临时接驳道路和四道桥站人行步道。7条接驳道路均已进场施工，同时加快施工进度，确保年底前顺利通车。

石厂站5 500 m2P+R停车场正在紧张建设之中，争取年底与新线同步投入使用。

同时，还将新建石厂站、小园站和金安桥站3个临时公交场站。开通的每个站点都新配建公交停靠站，共计15个，方便市民乘坐公交接驳线路搭乘地铁。

U442.5+9

A

1009-7716（2017）12-0177-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.049

2017-08-20

王同顺（1978-），男，江苏南京人，工程师，从事水土保持、工程管理工作。