双幅桥面行车风环境的数值模拟及其改善措施.pdf

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1、增刊(总第188期)2016年10月中圄彳丛工靠CHINAMUNICIPALENGINEERINGS1(SeriaINo．188)Oct．2016DOI：10．3969／j．issn．1004-4655．2016．S1．016双幅桥面行车风环境的数值模拟及其改善措施孟晓亮【上海城建市政工程(集团)有限公司，上海200065】摘要：以全长12．45km的某跨海大桥为例，介绍双幅桥面桥梁行车风环境的评价方法。通过风洞试验和计算流体动力学(CFD)，研究该海湾大桥主桥双幅桥面上一定高度范围内风速分布，并计算各车道等效相对风速。通过比较C

2、FD和风洞试验结果，验证二维CFD数值计算用于模拟双幅桥面行车风环境的可靠性。通过方案比选提出改善双幅桥面行车风环境的风障措施。研究结果表明，二维CFD数值计算可较准确模拟双幅桥梁桥面的行车风环境。关键词：结构风工程；行车风环境；双幅桥面；风洞试验；计算流体动力学中图分类号：U442．59文献标志码：A文章编号：004—4655(2016)S1—0057—04我国已发生多起在桥梁上行驶的车辆受强风发生重大交通事故。2004年，台风“云娜”登陆前一天，虎门大桥ld内发生7起狂风将行驶货车吹翻的严重事故。2007年，由乌鲁木齐开往阿克

3、苏的5807次列车的11节车厢被瞬间的狂风吹出轨。究其原因，首先是因为桥面一般高程较高，大气边界层风速沿高度近似呈指数曲线增大的风特性造成桥面风速要较相同地区地面道路风速高出许多。其次，相对于地面道路，桥面行车道周围空间更开阔，风遮挡更少，造成桥面平均风速一般会高于地面道路。再次，对大跨度缆索承重桥梁，侧向强风吹过桥塔时在桥塔附近形成一个尾流区，车辆经过此区时风速风向的急剧变化给行驶汽车的稳定性和操控性带来十分不利的影响。有学者通过试验测试车辆经过桥塔尾流区时气动力的变化【l之】，但其试验模型没有考虑主梁影响；而车辆在桥面上所受的

4、气动力与在一般路面上所受气动力存在较大差别(31；郭震山【4。51等通过风洞试验和数值方法得到象山港大桥桥面各车道的风环境特性；黄志渊利用数值方法计算桥面横风下车辆在不同速度行驶时的气动力【6】；艾辉林I_刀等计算杭州湾大桥桥塔区的局部风环境。然而，以上研究均针收稿日期：2016—07-18作者简介：孟晓亮(1985一)，男，博士，主要从事桥梁结构设计与研究。对单幅桥梁，对于近几年经常出现的上下行线路分离双幅桥梁的桥面风环境均未涉及。双幅桥面的空气绕流更加复杂，且经过双幅桥面桥梁的交通量一般比车道数较少的单幅桥梁更大，其桥面行车风

5、环境的研究对减少行车事故，提高桥梁的通行能力有理论意义和实际应用价值。本文以某上下线分离的海湾大桥为背景，通过风洞试验和CFD方法研究该双幅桥面海湾大桥主桥和引桥的行车风环境，在验证CFD计算可靠性的基础上，提出改善桥面行车风环境的风障措施。1工程背景工程为跨海总长12．45km的桥梁。主桥采用主跨400m的双幅叠合梁斜拉桥，双幅间净距2．25m，主桥总体布置、主塔以及桥面构造分别见图1、图2、图3，主桥设8个行车道(L1～L8)和2个紧急停车带(ELl、EL2)；引桥主要有50ITI跨径6车道、50m跨径8车道和70ITI跨径8

6、车道3种断面类型，分别记为$50L6、$50L8和$70L8，如图4所示。6车道主梁按来流上游向下游的顺序记为L1一L6，8车道记为L1。L8，紧急停车带记为ELl和EL2。：j吐—上30一——4D(LO——，13Q一砭。——————SO一————一爱彰麓雒囊鏊一，。趣嚏鹣’“I二．一生——一卫一』图1泉州海湾桥主桥总体布置图57中国彳路z农盂唬亮：双幅桥面行1i风环境的数值模拟及其改善措施2016年增刊6bⅢ删bE日一图2三塔柱桥}堑：箜^≥2§：笪；，图3分体双幅桥面构造图≮半笋隐≮等鼯L牛Jj辇L』-帑jL堕丝+!丝^bI!

7、Q：!丝^!!：!i!!，}心a)单幅$50L6断面b)单幅$50L8断面邕型攀b睦气—L—十———声爿b＼寸I／7{称L———L—J{l妇I!Q：!!丝l!!：!!!!十Dc)单幅$70L8断面图4引桥典型断面(m)2风洞试验和CFD数值模拟方法简介桥面风环境风洞试验在同济大学TJ一3大气边界层风洞内进行。模型缩尺比1：25，主梁模型采用有机玻璃制作，由钢管固定支撑(见图5)。考虑到来流紊流度很低，试验流场采用均匀流。利用五联皮托管(见图6)和固定在模型前方的标准皮托管测量桥面风速和来流风速。一一II—iI。ll图5试验配置示意

8、图图6五联皮托管数值模拟采用RNGk一￡湍流模型[8-111,此方法计算成本较低，可获得相对较高的计算精度。桥梁断面沿跨向长度比其桥宽和主梁高度均大很多，选取二维计算模型能很好模拟主梁附近的绕流流58场。计算域和边界条件的设置及网格划分见图7、图8