风环境下连续刚构桥行车安全性研究

徐纯治

（中铁十八局集团第二工程有限公司 河北唐山 064000）

1 桥梁与车辆模型及参数选取

（1）桥梁有限元模型

木绒大桥位于四川省甘孜州雅江县境内鲜水河上，桥址区为典型的高山峡谷区。主桥采用120 m＋220 m＋120 m混凝土连续刚构桥，箱梁根部梁高14 m，中跨合龙段梁高4.5 m，桥梁与底部水面落差达240 m，主墩高为155 m。采用有限元计算软件建立集主梁与桥墩为一体的有限元模型，如图1所示。进行模态分析得到该桥的动力特性，其前5阶动力特性如表1所示。

表1 木绒大桥动力特性

图1 木绒大桥有限元模型

（2）车辆模型

本文选取两轴四轮汽车和三轴六轮汽车模型。车辆的振动方程基于达朗贝尔原理建立［1－2］，其原理是将车辆分解为具有一定质量的刚体、悬挂系统以及轮胎等部件；车辆的每个车轮都具有横向和竖向两个独立的自由度，车体具有伸缩、侧移、侧倾、升降、摇头和俯仰6个自由度［3］；车辆纵向伸缩对车辆和桥梁整体竖向和横向振动影响较小，通常忽略。

两轴四轮汽车可以看作是由一个车体和4个车轮组成，车体具有6个自由度，每个车轮有2个自由度，忽略车体伸缩自由度，因此两轴四轮汽车共有13个自由度。

三轴六轮汽车可以看作是由一个车体和6个车轮组成，与两轴四轮汽车相似，忽略其车体的伸缩自由度后，三轴六轮汽车共有17个自由度。

（3）路面不平整度模拟

车辆振动引起桥梁的振动，而桥面的不平整度是影响这一振动过程的重要因素。目前常采用功率谱密度（PSD）描述不平整度大小随频率的变化关系，本文采用《机械振动道路路面谱测量数据报告》（GB／T 7031—2005）中提供的拟合公式模拟得到A级路面不平整度序列和离散功率谱［4－5］。

2 车－桥断面气动特性CFD分析

静风荷载是桥梁抗风设计中起决定性因素的荷载，静风荷载通常用静风三分力系数来描述［6］。随着计算机技术不断发展，采用CFD数值计算具有成本低、可视化程度高等优点。本文采用二维CFD流体软件——小牛 CFD，计算车 －桥断面的气动特性。

流体分析中，连续刚构桥不同位置处，桥梁断面气动外形均不相同，而不同车辆行驶于桥梁之上时，也不断影响桥梁的气动外形，使得其三分力系数不断发生变化，因此需要对车－桥体系进行CFD分析，获取桥梁断面与车辆断面的静力三分力系数。

2.1 代表车型选取

由于路上行驶的车辆众多，且车辆类型也多种多样，所以每种车辆都有不同的气动外形。某一时段内行驶于桥梁上的车辆类型随机性太大，如果全部考虑则Monte Carlo模拟计算量巨大［7］，为了降低计算量并且又能够代表不同的车辆类型，本文选取5种代表车型进行分析计算，具体车型如表2所示［8－10］。

表2 代表车型

2.2 CFD流体计算工况

木绒大桥为变截面连续刚构桥，考虑桥梁上无车辆行驶和有车辆行驶两种情况。桥上无车辆行驶时，取中跨根部断面、1／8 断面、1／4 断面、3／8 断面和跨中断面共5种桥梁断面作为基础工况。由于峡谷山头的“狭管效应”［11］，位于峡谷的桥梁受到的峡谷风往往具有大攻角效应，每个桥梁断面考虑－12°～12°攻角（攻角间隔为 2°）共 13个子工况，因此桥上无车辆行驶时共有65种工况，基础工况如表3所示。

表3 无车辆行驶时基础工况

当桥上有车辆行驶时，考虑五种代表车型行驶于桥上，木绒大桥设计为双向两车道，因此需考虑每种车辆位于桥梁的不同车道和不同断面位置。考虑到车型C和车型D的气动外形相同，因此本文只分析车型C。则桥上有车辆行驶时，共有40个基础工况，每个基础工况同样考虑－12°～12°攻角（攻角间隔为2°）共13个子工况，因此桥上有车辆行驶时共有520种工况。由于工况较多，此处仅展示根部截面的基础工况，如表4所示。

表4 根部截面基础工况

2.3 车－桥体系CFD分析结果

由于结果数据较多，本文仅展示无车辆行驶和车辆位于根部截面左车道时桥梁断面静力三分力系数，如图2～图5所示。

图2 桥梁三分力系数随梁高变化曲线

图3 桥梁阻力系数随风攻角变化曲线

图4 桥梁升力系数随风攻角变化曲线

图5 桥梁扭转力矩系数随风攻角变化曲线

由图3～图5可知：

（1）随梁高减小，桥梁断面的阻力系数逐渐减小，升力系数则逐渐增大，而扭转力矩系数并无明显变化，两者相关性较小。

（2）当梁高较小时，随着风攻角从 －12°～12°逐渐增大，阻力系数呈先逐渐减小后逐渐增大的“V”型走势；当梁高大于7 m后，正风攻角下，随着风攻角的增大，阻力系数随之增大，4°风攻角下，阻力系数达到最大值，之后随着风攻角的增加，阻力系数逐渐减小；负风攻角时，阻力系数具有相似的趋势。

（3）随着风攻角的增大，桥梁断面升力系数波动较大，并无明显的走势；扭转力矩系数虽然有一定波动，但整体上呈现逐渐减小的趋势。

3 行车安全性研究

本文采用自研的风－车－桥耦合振动分析程序开展不同风速下车辆的行车安全性研究，采用“舒适性频谱评价表”评价舒适性，采用“侧滑系数”和“侧倾系数”对车辆的行车安全性进行评价。

3.1 随机车流

本文在模拟随机车流时仅考虑5种代表车型进行随机组合，形成的随机车流如图6所示。随机车流共52辆车，其中正向车道有27辆车，车流长度约5 000 m；逆向车道有25辆车，车流长度约5 500 m。

图6 随机车流

3.2 不同风速对行车安全性的影响

取随机车流车速为60 km／h，路面不平整度为A级，风速分别取 5 m／s、10 m／s、15 m／s、20 m／s、25 m／s，路面干燥情况下，开展车辆的行车安全性研究。在随机车流中，对 A、B、C、D和 E型车5种代表车型，分别提取序号为16、39、2、31和17五辆车作为典型车辆，分别以 CAR16A、CAR39B、CAR2C、CAR31D和CAR17E作为标识，本文仅展示风速为5 m／s和25 m／s时代表车辆的舒适性。

由计算结果可知：

（1）风荷载对车辆的竖向舒适性影响较小，主要影响车辆的横向舒适性，随着风速增加，车辆横向舒适性逐渐降低。

（2）A型车乘车舒适性最佳，D型车的乘车舒适性最差，这符合人们的直观印象。

（3）A型车、B型车和E型车竖向与横向舒适性满足规范要求，这是由于A、B两种车型的车重较大，而E型车的气动系数较小；对于C型车和D型车，由于车重相对较小，且气动系数偏大，乘坐舒适性较差，超过了规范限值。

由于随机车流数量较多，对于车辆的安全性，本文仅展示5种代表车辆的最大侧滑系数和侧倾系数，如表5和表6所示。

表5 不同风速下车辆侧滑系数

表6 不同风速下车辆侧倾系数

对于干燥路面，当侧滑系数大于0.7时，认为车辆可能发生侧滑事故；当侧倾系数大于0.8时可能发生侧翻事故。由表5和表6可知，当平均风速为15 m／s（瞬时风速为 15.17 m／s）时，E 型车侧滑系数超过了0.7的限值；当平均风速为20 m／s（瞬时风速为21.06 m／s）时，E型车的侧倾系数超过了0.8的限值。对于A、B、C、D四种车型由于车重相对E型车较大，不会出现侧翻事故。

4 结论

（1）桥梁断面的改变对桥梁的阻力系数和升力系数影响较为明显，对断面的扭转力矩系数影响不大，随着梁高增大，阻力系数呈非线性增大趋势，升力系数呈非线性减小趋势。

（2）随着风攻角的增大，桥梁断面阻力系数呈现出先逐渐减小后逐渐增大的“V”型走势，桥梁断面的升力系数波动较大，无明显规律，桥梁断面扭转力矩系数总体上呈现逐渐减小的趋势。

（3）风荷载对车辆的竖向舒适性影响较小，主要影响车辆的横向舒适性，随着风速的增加，车辆横向舒适性逐渐降低。

（4）由于A、B两种车型自重较大，而E型车的气动系数较小，因此竖向与横向舒适性满足规范要求；对于C型车和D型车，由于车重相对较小，且气动系数偏大，所以乘坐舒适性较差，超过了规范限值。

（5）对于E型车，当桥面风速超过15 m／s时，需对行车速度加以限制；当风速超过20 m／s时，应对E型车进行暂时的交通管制，以降低车辆事故的发生。