成贵铁路贵州鸭池河特大桥设计风速及其特性研究

世界桥梁2017年第45卷第6期（总第190期）7
成贵铁路贵州鸭池河特大桥设计风速及其特性研究
李小兵\戴鹏飞2
(1.成贵铁路有限责任公司，四川成都610031 ;2.中铁大桥局集团第五工程有限公司，江西九江332001)
摘要：成贵铁路贵州鸭池河特大桥主桥为主跨436 m 的中承式钢桁一混凝土结合拱桥，桥址区山高谷深，气象条件复杂。

为确定该桥的设计风速及其相关特性，采用计算流体动力学方法，建立桥址区地形风场计算模型，计算桥址区的风剖面特性、 跨向分布特性和风攻角特性等，并根据风速相关性分析推算其设计风速。

结果表明：受峡谷效应的影响，横桥向来风时风速 放大因子最大，其为抗风设计的主要风向；在桥梁建筑高度范围内，桥址区风速沿横桥向风速剖面具有较好的指数规律，风剖 面指数为〇. 15,与相关规范中山区C 类地表的指数有明显的差别；桥面高度处地势平坦，可不考虑峡谷效应；确定该桥设计基 准风速为25. 3 m /s 。

关键词：拱桥；铁路桥；山区峡谷；计算流体动力学；设计风速；风场特性；地形修正中图分类号：U 448. 22;U 442. 59
文献标志码：A
文章编号：1671 — 7767(2017)06 — 0007 — 05
1引言
随着我国西部地区交通建设的发展，鉴于西部 山区多深切峡谷的特点，跨越深切峡谷的大跨度桥 梁越来越多。

我国西部峡谷地区基本为陡峻的斜坡
及陡壁地形，峡谷切深可达170〜300 m 。

当气流过 山体时，山体会导致气流的抬升、分离并产生复杂的 绕流；当气流过峡谷时，由于峡谷断面的突变，会导 致风速的增大或减小，因而，峡谷地区的风场因地形 地貌的影响会呈现很复杂的三维特性。

对于跨峡谷的大跨度桥梁而言，在强复杂风作 用下的风致响应问题可能会成为结构设计的控制因 素，如何确定桥梁的设计风速及其特性，是需要专门 研究的问题。

目前我国相关规范简单地将影响风特 性的地表分为4类，其对于西部山区深切峡谷地形 有明显的局限性，因而对于该类桥梁的设计风参数 确定，需要采用现场实测、风洞试验和数值模拟等手 段[1]。

目前，针对深切峡谷风场特性的分析是风工程 界的热点问题。

朱乐东等[2]、Carrera 等[3]结合实际 工程，采用现场实测的方法研究山区峡谷风特性，该 方法精度高，但研究周期长，费用高。

陈政清等[4]、 庞加斌等[5]和Sierputowski 等[6]基于桥位处地形的 缩尺模型，采用风洞模型试验的方法研究风特性，该 方法研究周期相对较短、费用也较低，但由于缩尺比 例太大，地形可能失真，会影响研究精度。

李永乐 等[7]、Maurizi 等[8]基于计算流体动力学CFD 方法
研究山区峡谷风特性，该方法研究周期短、费用低，
计算精度主要依赖于CFD 软件的模型选取。

本文采用CFD 计算分析与风速相关性分析的 方法，对成贵铁路贵州鸭池河特大桥的设计风速特 性进行推算，基于CFD 计算研究桥梁的风剖面特性 和风攻角特性，根据风速相关性及海拔高程修正的 方法确定桥梁的设计风速。

2
工程概况
成都至贵阳铁路贵州鸭池河特大桥主桥为中承 式钢桁一混凝土结合拱桥，计算跨径为436 m ，矢高 115 m ，其立面布置示意如图1所示。

主梁采用预 应力混凝土单箱三室截面，半飘浮体系，即主梁在拱 肋横梁、拱上立柱上设置2个竖向支座，拱肋横梁与 梁底间设置纵向粘滞性阻尼器，主梁横向与拱肋之 间设置横向抗风支座。

大桥的设计年限为1〇〇年， 铁路等级为客运专线，双线布置，设计行车速度为 250 km /h ，桥上设有碎轨道。

收稿日期=2017 — 05 — 03
作者简介：李小兵（1973 —），男，高级工程师，1998年毕业于兰州铁道学院铁道工程专业，工学学士（E -mail : 784647071@qq . com )。

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鸭池河特大桥位于贵州省，桥址工程区域处于
我国梯级地势的第二级台阶—
—云贵高原东部，区
内为典型的喀斯特高原、峡谷地貌类型，从地形分水
岭到乌江及其一级支流河谷，主要发育有三级台状
地形，河谷地带以峡谷地形为主。

峡谷地区基本为
陡峻的斜坡及峭壁地形，谷顶高程在1 〇〇〇〜1 1〇〇
m，其中1 000〜1 100 m为斜坡地形，为宽谷期地
貌；1 000 m以下以陡壁地形为主，为峡谷期地貌，
切深达170〜300 m，河谷狭窄、岸坡陡峻，岩溶形态
以岩溶洞穴为主，两岸溶洞及岩溶地下水成层性分
布特点。

鸭池河特大桥桥面轨顶设计标高为
1 068. 6m，因而桥面位于斜坡地形标高以内。

桥址区山高谷深，气象条件复杂，峡谷河流走向 与顺桥向基本垂直，谷底最低处海拔高度为785 m，桥址区整体上西侧的地形较高，在桥位东北和西北 方向有高耸山体，平均海拔约1 200 m，桥梁顺桥向 走向为北偏西51°。

3桥址风场分析
3. 1 地形CFD建模
采用了 SST々一zt，模型在计算流体力学软件Fluent 6.3上实现数值求解。

该软件主要由前处理 器Gambit和求解器Fluent及其它辅助模块组成。

前处理器的功能主要是建立几何模型和划分网格，并指定边界条件，网格的划分密细程度直接影响到 计算结果。

求解器的功能主要是对Gambit生成的 模型进行数值计算，将计算出的数据和图形输出。

通过以前类似地形风洞模型试验与CFD计算 对比的相关研究，从减少工作量的角度考虑，基于地 形数据确定以桥址为中心的9kmX9k m范围内的 地形高程数据进行CFD建模，该方法精度是满足本 工程研究要求的。

桥址9km X9k m区域内等高线 平面如图2所示，该等高线数据可导入GAMBIT 生成曲面构建计算域网格。

为了使气流在高度方向 尽可能发展，避免因计算区域高度小而导致的大堵 塞率和流动人为加速效应。

同时，在边界上能引入 剖面风，用M A TL A B软件将原始地形坐标矩阵向 外等间距拓展为更大范围的坐标矩阵，原始地形坐 标矩阵同拓展区采用过渡曲面进行过渡[91°]。

为使 过渡段对来流风影响尽量小，则过渡段就要有适当 的高度和长度。

计算中取原始地形坐标矩阵四条边界上点的高 程平均值作为拓展区高度，高度取值为1 206. 219 m，长度取值为3km，从面计算域整体布置为12 kmX
图2桥址9 k m X9 k m区域内等高线平面
12 kmX2 km0
计算域底面网格采用结构网格划分方式，网格 尺寸为40 m，此网格尺寸能较好地反映变化的地形 形态。

考虑到气流在靠近地面位置变化最剧烈，为了较好地模拟各物理量变化，在高度方向采用不等 间距的方式划分网格，靠近地面的网格划分更密[11]。

第一层网格厚度为l〇m，网格总层数为40, 网格总高度为2 000 m。

整个计算区域采用六面体 结构化网格技术离散，共划分为3 600 000个单元。

计算域顶面为对称边界条件，底面为无滑移壁 面条件，风场计算入口处来流风速分布采用气象观 测站标准场地(B类地表）对应的风速轮廓面，计算 入口风速通过用户自定义函数（UDF)进行设置，风 速沿高度变化按照指数规律进行设置，地面1〇 m 高度处百年一遇风速取25. 2 m/s。

3.2计算分析
鸭池河特大桥桥址地形数值计算模拟了从〇° (北）按逆时针方向以45°等间隔增加的8个不同方 向来流风作用下考察点的风速分布情况，桥址地形 数值分析计算工况及其来流方向与桥轴线的关系示 意如图3所示。

其中，工况1、3、5、7分别为正北、正 东、正南、正西向来风;工况2、6分别为东北、西南向 来风，来流风向基本与桥轴线垂直，趋于横桥向来 风;工况4、8分别为东南、西北向来风，来流风向基 本与桥轴线平行。

综合考虑桥梁线路走向及其周边 的地形地貌因素，来流方向沿河道的方向也即东北 方向（工况2)和西南方向（工况6)是抗风设计的重 点来流方向，因为这2个方向来流，可能会由于峡谷 效应而产生风速加大；而东南方向（工况4)或西北 方向（工况8)来流时，受到山体的影响可能会产生 大攻角的情况。

在所计算的8个来流风方向下，桥位处风速放 大因子Cu介于0. 15〜1. 0之间，其中工况6
(西南
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图3鸭池河特大桥桥址计算工况对应来流风向示意
方向）来风时，风速放大因子最大；工况4(东南方向）来风时，风速放大因子最小。

这是由于鸭池河特 大桥跨越河流，西南方向来风时近似沿河流走向，受 到的山地遮挡效应最小，因此风速放大因子最大；而 其它方向上具有不同程度的遮蔽效应。

工况4(东 南方向）来风近似平行于河流横断面，在桥位处流过 深谷，造成了谷底部风速反而降低。

对于风速放大因子较大的工况6 (西南方向），桥轴处攻角基本在一 3°〜+3°范围内，且整个主梁 上各处攻角均比较小，其风偏角也比较小。

各工况 下桥梁跨中截面风攻角、风偏角、风速放大因子如表 1所示。

表1各工况下桥梁跨中截面风攻角、风偏角、风速放大因子工况风偏角/〇风攻角八°)c u
1-15. 45-2. 490. 798
28. 100. 140. 852
332. 75-7. 790. 838
4-51. 05-18. 710. 236
5-14. 97-4. 890. 658
66. 09-0. 940. 998
732. 85一3. 150. 748
8-88. 1419. 290. 274
由表1可知，由于陡峭的山体导致的气流分离 以及深切峡谷的回流作用，来流垂直于河道方向时，会导致主梁处风偏角和风攻角发生较大幅度的转 向，导致风向与来流风向差异较大。

顺桥向来风时 风攻角达20°左右，但横桥向来风时风攻角小于1°。

在峡谷效应的影响下，各风向的风速放大因子均小 于1.0，顺桥向来风时风速放大因子最小，不到0. 3，而西南方向来风的横桥向（工况6)风速放大因子为0.998,因而该风向为抗风设计的主要风向。

取风速放大因子最大的工况6的跨中、1/4跨、3/4跨处风剖面进行曲线拟合(见图4)，拟合采用指数规律公式，基准高度取跨中桥面轨顶设计标高。

鸭池河特大桥桥面高程已处于峡谷顶，地势相对开 阔，在桥梁建筑高度范围内，其风剖面更接近于B 类，但紊流度则近C类。

故选其粗糙度系数《=〇. 15,风速沿高度变化曲线满足以下公式计算的风 剖面，拟合优度为圮=0.985 1。

=Va 〇^8 6 ) (980 m ^ Z ^1200 m)
式中，Z定义为风速计算点高程（m) ;为Z高程处 的风速;W为桥面高程处的风速，此处为25. 1m/s。

公式只是参考指数规律公式对风速沿高度变化 进行拟合，针对于峡谷地区，拟合公式未依据规范的 定义进行，采用规范定义的高度Z无法拟合出满足 精度的指数规律。

而采用高程进行拟合，精度相对 较高，所以需注意公式只是在桥梁建筑高度范围内 才成立，其中Z的范围为标高980〜1200 m。

4风速相关性分析
大气流动过程是相互关联的，不同观测站的气 象要素也是相互关联的，因此，可利用周围气象站数 据和相关性来推算桥址处的设计风速。

采用风速内插、高程修正及地形修正的原则来 确定桥址的基本风速。

首先收集桥位临近控制点的 风速资料、控制点与桥位的距离、桥位高程与控制点 的高程，建立气象站基本风速与海拔高度之间的关 系，通过内插及高程修正确定桥址的基本风速。

然 后，根据桥址处的局部地形地貌对该基本风速进行 修正，获得桥梁的设计基本风速。

桥址周边气象站的海拔高程及基本风速如表2所示，基于这些数据进行数据拟合，可得风速与海拔 高程的关系曲线(见图5)。

离桥址相对较近的3个 气象站为贵阳、毕节和遵义，贵阳站离桥址最近，直 线距离约50 km，毕节站离桥址直线距离约100 km，遵义站离桥址直线距离约110 km。

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表2桥址周边气象站的海拔高程及基本风速
地点海拔高程/m基本风速/m •s-1
威宁 2 237.528. 6
盘县1 515.227. 6
兴仁1 378.525. 6
安顺1 392.925. 6
毕节1 510.625. 8
贵阳1 074.325. 2
遵义843. 924. 9曲靖沾益1 898.726. 3
宣威1 984.032. 3
34厂
■各气象站数据
32 "----Fd=0. 003 82H+21.22
800 1000 1200 1 400 1600 1800 2 000 2 200 2 400
高程H/m
图5风速与海拔高程的关系
鸭池河特大桥桥面轨顶设计标高为1 068. 6 m，大桥桥面位于斜坡地形谷顶标高以内，根据风速 与海拔高程的关系拟合曲线计算可得，桥址桥面高 度处的设计基准风速为25. 3m/s。

鸭池河特大桥左岸（成都侧）地形较为平坦，右 岸（贵阳侧）为缓坡，依据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60 —01 —2004)第 3. 2. 2 条及条文说明，对于两岸山高大于1.5倍谷宽才考虑峡谷效应。

而 鸭池河特大桥桥面高度位于峡谷谷顶，相应高度的 地势较为平坦，对风速有影响的范围内地势较为平 坦，风速的峡谷加速效应不明显，根据前面的CFD 计算结果，峡谷效应系数可偏于保守地取为1.〇〇。

综合以上分析可得，鸭池河特大桥设计基准风 速确定为25.3 m/s。

5结论
基于鸭池河特大桥桥址区地形风场CFD计算 分析与风速相关性分析可得到如下结论：
(1)由于陡峭的山体导致的气流分离以及深切 峡谷的回流作用，来流垂直于河道方向时，会导致主梁处风偏角和风攻角发生较大幅度的转向，从而导
致风偏角、风攻角的变化，横桥向的西南方向来风风
速放大因子最大，其为抗风设计的主要风向。

(2) 在沿高度方向上，在桥梁建筑高度范围内，桥址区风速沿横桥向风速剖面具有较好的指数规
律，风剖面指数为〇. 15,与规范山区C类地表的指
数有明显的差别。

(3)鸭池河特大桥桥面高度地势较为平坦，对 风速的峡谷加速效应不明显，可不考虑峡谷效应，峡
谷效应系数可取1.〇〇。

(4)鸭池河特大桥设计基准风速可取25. 3m/s。

参 考 文 献：
[1] JTG/T D60 —01 —2004,公路桥梁抗风设计规范[S].
[2]朱乐东，任鹏杰，陈伟，等.顼陵河大桥桥位深切峡谷
风剖面实测研究[J].实验流体力学，2011，25 (4): 15 —
21.
[3] Carrera M L，Gyakum J R，Lin C A.Observational
Study of Wind Channeling within the wrence Riv­
er Valley[J].Journal of Applied Meteorology &•Clima­
tology, 2009, 48(11)： 2 341-2 361.
[4]陈政清，李春光，张志田，等.山区峡谷地带大跨度桥梁
风场特性试验[J].实验流体力学，2008,22(3) :54 —59.
[5] 庞加斌，宋锦忠，林志兴.山区峡谷桥梁抗风设计风速的
确定方法[J].中国公路学报，2008,21(5):39 —44.
[6] Sierputowski P，Ostrowski J，Cenedese A.Experimen­
tal Study of Wind Flow over the Model of a Valley[J].
Journal of Wind Engineering&•Industrial Aerodynam­
ics, 1995 , 57(2)： 127-136.
[7]李永乐，蔡宪棠，唐康，等.深切峡谷桥址区风场空间
分布特性的数值模拟研究[J].土木工程学报，2011(2):
116-122.
[8] Maurizi A，Palma J，Castro F A.Numerical Simulation
of the Atmospheric Flow in a Mountainous Region of the
North of Portugal[J].Journal of Wind Engineering &•
Industrial Aerodynamics，1998，74 : 219 —228.
[9]唐煜，郑史雄，赵博文，等.平衡大气边界层自保持问
题的研究[J].工程力学，2014,31(10): 129 —135.
[10] 王亚维.成贵铁路贵州鸭池河特大桥主桥拱肋架设施
工技术[J].桥梁建设，2017,47(1) :104 —108.
[11] 吴游宇，邓淑飞.贵黔高速鸭池河大桥主梁结构受力行
为分析[J].世界桥梁，2016,44(4) :71 —
75.
成贵铁路贵州鸭池河特大桥设计风速及其特性研究 李小兵，戴鹏飞11 Study of Design Wind Speed and Wind Properties Deter­
mination for Yachi River Bridge on the Chengdu-
Guiyang Railway in Guizhou Province
LI Xiao-bing1 ,DAI Peng-fei2
(1. Chengdu-Guiyang Railway Co.,Ltd.,Chengdu 610031, China； 2.The Fifth Engineering Co.,Ltd.,
China Railway Major Bridge Engineering Group,Jiujiang 332001, China)
Abstract：The main bridge of Yachi River Bridge on the Chengdu-Guiyang Railway in Guizhou Province is a half-through steel truss-concrete composite arch bridge with a main span of 436 m.
The bridge is located in the region with high mountains and deep valleys, and the meteorological condition there is very complex. To determine the design wind speed and the relevant wind proper­ties ,the method of computational fluid dynamics was used to establish the calculating model of the topographic wind field. The wind profile characteristics, wind distribution along the bridge axle and wind attack angle at the bridge site were calculated, and the design wind speed was analyzed and deduced according to the wind speed correlation. The results show that the wind speed amplifi­cation factor is the maximum when the wind comes transversely due to the valley effect, which is taken as the main wind direction in the wind-resistant design. Within the range of the bridge height, the wind profile of the wind along bridge width follows the exponential law. The wind pro­file exponent is 0. 15, which is quite different from the exponent of the grade C ground surface in mountainous area. The ground is flat at the height of the bridge deck and the valley effect can be ignored. The design reference wind speed of the bridge is 25. 3m/s, which can provide reference for the determination of the design wind speed for the bridge of the same type.
Keywords：arch bridge；railway bridge；mountainous valley；computational fluid dynamics；
design wind speed；wind field property；terrain correction
(编辑:刘海燕)。