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 )

。

8世界桥梁2017,45(6)

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