钢管混凝土桁式桥墩风速参数敏感性分析

总第３１９期交　通　科　技
ＳｅｒｉａｌＮｏ．３１９
　２
０２３第４期ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｎｏ．４Ａｕｇ
．２０２３ＤＯＩ１０．３９６３／ｊ
．ｉｓｓｎ．１６７１ ７５７０．２０２３．０４．００９收稿日期：２０２３ ０４ ０７
第一作者：潘靖勃（１９９８－）
，男，硕士生。

四川交建集团科技项目资助
钢管混凝土桁式桥墩风速参数敏感性分析
潘靖勃１　于建华２　陈甫君２　张谢东１
（１．武汉理工大学交通与物流工程学院　武汉　４３００００；　２．
四川省交通建设集团股份有限公司　成都　６１００４１）摘　要　为研究钢管混凝土桁式桥墩表面风压和风速分布随入流风速参数变化的敏感性，文中采用ＦＬＵＥＮＴ１９．２建立结构风场模型，并通过改变入流风速和风向角的大小进行数值模拟计算和分析。

结果表明，
钢管混凝土桁式桥墩表面风压随入流风速大小的均匀增加呈非线性关系递增，且各根钢管构件均符合此变化规律，表面风速则随入流风速大小的均匀增加呈线性关系增加；而结构表面风压和风速随入流风向角的改变只在较小范围内发生波动，各根钢管构件符合迎风面积越大、压力越大的一般规律。

关键词　钢管混凝土桁式桥墩　数值模拟计算　风速参数敏感性分析中图分类号　Ｕ４４１
钢管混凝土结构具有良好的承载能力、
抗震能力和耐腐蚀性能，
因此常应用于工程结构中的承重柱［１ ３］。

建设于跨江、河及山区峡谷地区的桥
梁结构会受到较大的风荷载作用，尤其是施工阶段，结构刚度小于成桥阶段，风荷载效应更为明显。

因此，有必要探究其表面风压和风速分布随入流风速参数变化的敏感性，以及时采取相关措施确保桥梁结构的安全。

本文以四川泸石高速公路某跨大渡河桥梁的
钢管混凝土桁式桥墩为研究对象，以规范［４］规定
计算方法得到的施工设计风速为依据，设置多组风速和风向角工况进行风场数值模拟计算，开展参数敏感性分析，以指导依托工程桥梁施工安全控制。

１　工程概况
四川泸石高速公路某钢结构桥梁跨越大渡河，跨径布置为４×７２ｍ＋５×７０ｍ。

主墩（９～１６号墩）及交界墩（８号、１７号墩）采用钢管混凝土桁式结构，由４肢分节段拼装的１．３ｍ钢管组成。

根据受力需要不同区段采用不同的钢管壁厚，墩底１５ｍ区段采用直径１３００ｍｍ×壁厚２０ｍｍ，其余区段采用直径１３００ｍｍ×壁厚１６ｍｍ，
钢管中心对应钢箱梁支座中心；
钢管肢柱横桥向中心距为７．４ｍ，顺桥向中心距为５．０ｍ，竖向每４～５ｍ设置水平横撑（
直径７６２ｍｍ×壁厚１２ｍｍ），与竖向主管构成桁式结构；墩底位置增设斜撑（直径５０８ｍｍ×壁厚１０ｍｍ）形成加强段并在左、右幅桁式墩之间设置水平支管（直径７６２ｍｍ×壁厚１４ｍｍ）将左、右两幅桥的主墩横向连接成为整体，
其中４肢钢主管及墩底加强段支管灌注Ｃ４０自密实补偿收缩微膨胀混凝土。

钢管混凝土桁式桥墩的现场及有限元模型图见图１。

图１　钢管混凝土桁式桥墩实拍及有限元模型
２　计算工况
２．１　风速工况
不同风速大小作用于结构，其表面的风压和风速也不相同。

根据文献［４］第４章规定计算可知，钢管混凝土桁式桥墩在３１．５ｍ高度处的５０
年施工设计风速为２５．３ｍ／ｓ。

本文基于顺桥向状态，以２ｍ／ｓ为速度间隔，划分了１６个计算工况，当最大施工设计风速为３５．３ｍ／ｓ时，其基本设计风速已达到４８ｍ／ｓ，超过了规范规定的１５０年基本设计风速３５．４ｍ／ｓ，为较极端的情况。

工况１～１６的设计风速取值见表１。

表１　风速工况表
计算工况１２３４５…１２１３１４１５１６施工设计风速／（ｍ·ｓ－１）５．３７．３９．３１１．３１３．３…２７．３２９．３３１．３３３．３３５．３
２．２　风向角工况
结构在不同风向角工况作用下，其表面风压和风速可能产生较大差异。

在设计阶段，需要对结构在所有风向角工况下都较为脆弱的部位进行优化和加固，以避免因安全事故引起的不必要经济损失。

本文首先对钢管混凝土桁式桥墩各钢管进行编号，然后基于其在３１．５ｍ高度处的５０年施工设计风速值，考虑结构对称性，对０°，１５°，３０°，４５°，６０°，７５°，９０°７种工况进行模拟计算。

钢管混凝土桁式桥墩风向角及钢管编号示意图见图２。

图２　钢管混凝土桁式桥墩风向角及钢管编号示意图３　结果分析
依据结构设计资料建立钢管混凝土桁式桥墩
几何模型，结合相关计算理论设置计算域尺寸、湍
流模型、边界条件和求解条件等基本计算条
件［５ ７］。

具体见表２。

表２　基本计算条件设置表
基本计算条件设置详情
计算域尺寸 顺桥向犡＝２００ｍ，横桥向犢＝２００ｍ，高
度犣＝１５０ｍ
湍流模型 犽 ｅｐｓｉｌｏｎ（２ｅｑｎ）模型
入口边界条件　
　采取指数率公式描述平均风速沿高度方向的变化
　湍流动能犽按式犽＝
狌 ２
Ｍ＿ＫｅＣｍｕ
确定，其中
狌 为摩擦速度，Ｍ＿ＫｅＣｍｕ是湍流模型中计算湍流黏度的常数，通常取０．０９
　湍流耗散率犲按
犲＝
狌 ３
０．４１狕
（狕＜狕犌）
犲＝
狌 ３
０．４１狕犌
（狕≥狕犌
烅
烄
烆）
确
定，其中狌 为摩擦速度，狕为任一高度，为梯度风高度
出口边界条件　自由出流
其他边界条件 壁面和地面采用无滑移边界，对称边界自由滑移，边界面法向速度为０，任意物理量沿法向的梯度均为０
对流向求解格式二阶迎风格式
结果收敛标准　风压系数等趋于稳定 运用ＦＬＵＥＮＴ１９．２中的Ｓｏｌｕｔｉｏｎ模块进行计算分析，结果发现各参数的残差值均随着计算步数的增加而逐渐减小，且残差曲线逐渐趋于平缓，当各参数残差值均满足收敛要求时，计算结束。

工况１下钢管混凝土桁式桥墩在１０ｍ高度处的剖面风速流线图，见图３。

图３　剖面风速流线图
由图３可知，结构在１０ｍ高度处剖面上的最大风速为５．１９ｍ／ｓ，集中在结构周围，即当风流过钢管混凝土桁式桥墩时，由于通过面积减小，风会迅速转变方向并增大速度穿过结构，之后风速逐渐减缓，其余工况类似。

工况１下钢管混凝土桁式桥墩在１０ｍ高度处的剖面风压分布云图，见图４。

３
４
２０２３年第４期潘靖勃等：钢管混凝土桁式桥墩的风速参数敏感性分析
图４　剖面风压分布云图
由图４可知，结构在１０ｍ高度处剖面上的最大风压值为１３．１５Ｐａ，最大负风压值为１４．８６Ｐａ，其风压分布变化符合伯努利原理的“流体等高流动时，流速越大，形成的压力却越小”推论［８］。

伯努利原理假设不可压缩的定常流在无摩擦流情况下沿着流线流动时，流体的机械能守恒。

方程表达如式（１）。

狆＋１
２ρ
狏２＋ρ犵犺＝犆（１）
式中：狆为流体中某点的压强；狏为该点的流速；犺为该点高度；ρ为流体密度；犵为重力加速度；犆为常量。

３．１　结构风速敏感性分析
钢管混凝土桁式桥墩表面风压最值随来流风速变化趋势图，见图５。

图５　不同来流风速下钢管混凝土桁式
桥墩表面风压最值
由图５可见，施工设计风速值为５～１５ｍ／ｓ时，结构表面最大负压值随来流风速均匀增加而增长的趋势和表面最大压强值随来流风速均匀增加而增长的趋势较为接近，近似于线性关系，但当施工设计风速大于１５ｍ／ｓ后，二者上升趋势均有所增长，其中结构表面最大负压值的增幅在施工设计风速为１５～３５ｍ／ｓ之间一直保持较明显地增长，而表面最大压强在施工设计风速为１５～２５ｍ／ｓ时增幅较为明显，２５～３５ｍ／ｓ之间则又近似于线性增长，增幅微小。

钢管混凝土桁式桥墩表面风速最大值随来流风速变化趋势图，见图６。

由图６可见，结构表面的最大风速值随来流风速均匀增加而线性增长，增长系数接近２。

图６　不同来流风速下钢管混凝土桁式
桥墩表面风速最大值
通过ＦＬＵＥＮＴ中的Ｒｅｐｏｒｔｓ模块可以直接导出结构各钢管构件表面受到的压力，其计算方法如式（２）。

犉＝狆犃（２）式中：犉为钢管构件表面的压力；狆为钢管构件表面的压强；犃为钢管构件迎风面的投影面积。

结构不同钢管构件表面的压力在各个方向上也基本符合上述非线性变化趋势。

由于篇幅所限，本文仅列举钢管构件ｌ１、ｌ２、ｌ３，ｌ ｄ １、ｌ ｄ ２０，ｌ ｃ １、ｌ ｃ ２０在迎风犡方向的压力变化趋势对比图见图７、８、９。

图７　不同来流风速下ｌ１、ｌ２、ｌ３钢管犡方向压力
图８　不同来流风速下ｌ ｄ １、ｌ ｄ ２０钢管犡方向压力
图９　不同来流风速下ｌ ｃ １、ｌ ｃ ２０钢管犡方向压力
４
４潘靖勃等：钢管混凝土桁式桥墩的风速参数敏感性分析２０２３年第４期
３．２　结构风向角敏感性分析
钢管混凝土桁式桥墩表面风压最值随来流风向角变化趋势图，见图１０。

由图１０可知，风向角在０°～９０°范围内，风作用于结构使其表面产生的最大压强值和最大负压值在一定幅度内震荡，但相较于其数量级而言，震荡幅度轻微，变化较小。

图１０　不同来流风向角下钢管混凝土
桁式墩表面风压最值
钢管混凝土桁式桥墩表面风速最大值随来流风向角变化趋势图，见图１１。

图１１　不同来流风向角下钢管混凝土
桁式桥墩表面风速最大值
由图１１可知，结构表面的最大风速值随来流风向角的改变在４７ｍ／ｓ左右变化。

结构不同钢管构件表面的压力在各个方向上变化则较为复杂，呈现不同的态势，但基本满足迎风向的面积越大，压力越大的规律。

受篇幅所限，本文仅列举钢管构件ｌ３、ｒ１、ｒ４，ｒ ｄ １、ｒ ｄ ２０，ｒ ｃ １、ｒ ｃ ２０在犡方向的压力变化趋势对比见图１２、１３、１４。

图１２　不同来流风向角下ｌ３、ｒ１、ｒ４钢管犡方向压力
图１３　不同来流风向角下ｒ ｄ １、ｒ ｄ ２０钢管犡方向压力
图１４　不同来流风向角下ｒ ｃ １、ｒ ｃ ２０钢管犡方向压力４　结论
基于不同风速和不同风向角工况下的计算结果分析，可以得出以下结论。

１）钢管混凝土桁式桥墩在风的作用下，结构表面风压随入流风速增加而增加，且增长趋势越来越快，呈非线性关系，各根钢管构件均符合此变化规律；结构表面风速则随入流风速大小均匀增加呈线性关系增加。

２）钢管混凝土桁式桥墩表面风压随入流风向角的改变只在较小范围内波动，各根钢管构件符合迎风向面积越大则压力越大的一般规律；结构表面风速随入流风向角的改变在较小范围内波动。

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（下转第８１页）
５
４
２０２３年第４期潘靖勃等：钢管混凝土桁式桥墩的风速参数敏感性分析
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（上接第４５页）
犛犲狀狊犻狋犻狏犻狋狔犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犠犻狀犱犛狆
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８２０２３年第４期
张昱辉：偏压荷载下隧道衬砌损伤状态分析与健康分级。