马培新，张永水，刘 林，胡伟锋，陈 宁

(1.青海省公路建设管理局，青海 西宁 810000；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；3.中交基础设施养护集团有限公司，北京 100112；4.湖南科技大学 土木工程学院，湖南 湘潭 411201)

桥梁的三维扰流会对桥面上的风环境产生干扰，可能导致桥面汽车所受气动力加剧，引起桥上汽车发生风致行车安全事故。例如，2004年8月11日，广州虎门大桥上，大风将正在桥上行驶的7辆空载货车掀翻；2005年9月1日，台风“泰利”导致3辆大货车在福建青州闽江大桥上被吹翻；2012年4月2日，苏通大桥上7～8级大风将1辆长约10 m的长板车吹翻。

我国西部地区地势艰险、峡谷众多，桥面标高距谷底超过百米的高墩桥梁已不鲜见。峡谷地带受地形效应影响，大风天气较常见，由此带来了更为显著的风致汽车—桥梁动力响应问题。笔者针对青海省大循高速公路卧龙沟4号桥，开展高海拔峡谷地带高墩T梁连续刚构的风致行车安全性分析，通过车辆动力响应限值，计算不同路况下车辆运营临界风速曲线。

1 风—汽车—桥梁耦合分析方法

汽车在桥上运动，受桥面不平顺激励及脉动风荷载作用的动力响应将传导给下部桥梁结构；同时，桥梁结构的动力响应亦会影响桥上汽车的动力响应，形成典型的车—桥耦合振动体系。

韩万水[1]、王小松[2]、陈宁[3]、王帆[4]等先后开展了侧风作用下汽车—桥梁动力响应问题的理论分析；乔朋等[5]综述了我国车—桥耦合振动的研究现状及发展趋势；笔者采用WVBANSYS软件进行风—汽车—桥梁耦合分析[3]。其中，汽车—桥梁气动参数采用CFD仿真模拟得到，随机风场参考文献[3]、文献[6]的方法进行模拟。

在路面不平度方面，文献[7]、文献[8]对不同等级路面的功率谱密度函数进行了详细论述。根据路面粗糙程度，将路况分为7个等级，如表1。拟合功率谱密度函数如式(1)：

(1)

式中：n0=0.1 m-1，为空间参考频率；ω为频率指数，反映了路面谱的频率结构，一般情况下取ω=2；Gd(n0)是空间频率为n0时的路面功率谱密度，称为路面不平度系数，mm3/cycle。

现有车桥耦合振动响应研究中，通常假定车辆左右轮路面输入的函数为常值函数[9-10]，未考虑相干函数随频率衰减的特性。笔者参考文献[11]、文献[12]考虑了左、右车辙之间的相干特性。由于左右车轮的实际输入并不完全相同，基于各向同性假定，左右车轮输入具有相同的统计特性，互谱密度函数或相干函数可唯一确定两者间的统计特性。相干函数表示如式(2)：

(2)

式中：SLL(n)、SRR(n)分别为左、右车轮输入的自功率谱密度；SLR(n)为左右车轮输入的互功率谱密度。

2 依托工程简介

卧龙沟4号桥是青海省大循高速上的1座墩高超百米的高墩桥梁，大桥位于大力加山垭口东南约6.2 km 处，桥位区地貌属河流冲积地貌，呈“U”字形。

桥址区地处高海拔地区，气温较低，年可施工期短，采用装配式T预应力混凝土T梁桥(14 m×40 m)，梁截面参数如图1。在两端墩身较矮的4跨，采用先简支后结构连续型式，墩高较高的跨采用先简支后连续刚构的结构型式(共8跨)。笔者拟对高墩连续刚构桥进行风致行车安全性分析。

3 汽车—桥梁风荷载

3.1 CFD模型简化

对于汽车—桥梁组合体系，在进行风—汽车—桥梁耦合分析时，通常考虑桥梁3分力，即侧向力(FH)、升力(FV)和侧倾力矩(FM)；对汽车考虑5分力，即侧向力(FS)、升力(FL)、侧倾力矩(MR)、俯仰力矩(MP)和横摆力矩(MY)，如图2。

桥断面尺寸较为复杂，为加快CFD模拟的计算效率，汽车—桥梁组合体系的静力3分力计算，拟采用以下策略进行模拟：

1)采用二维模型直接模拟桥梁静力3分力，计算域如图3，二维网格如图4，二维网格总数达30万；

2)桥梁下部复杂的断面形式对桥上汽车影响较小，采用三维简化模型，模拟桥上汽车的5分力系数，三维网格如图5，三维网格总数达500万。

为比较准确地模拟气动力，湍流计算模型均采用k-w SST模型。

3.2 气动参数

考虑汽车和桥梁的抖振力，模拟在不同攻角(3°、0°和3°)下的气动参数。采用二维网格模拟，得到不同攻角下的桥梁断面3分力系数如表2。

表2 不同攻角下桥梁断面3分力系数

不同攻角下厢式货车侧向力、升力、侧风力矩、横摆力矩及俯仰力矩系数如表3。

表3 不同攻角下厢式货车5分力系数

4 侧风作用下车辆行车性能分析

根据式(1)，考虑左右轮辙路面不平顺的相干特性，相干函数采用Ammon相干函数“B2”类，模拟路面不平顺时域样本，以作为车桥耦合振动分析的外部激励源。车辆在桥上运行过程中，多辆车以恒定速度沿车道中心线运行。车辆间距定义为前车车尾至后车头之间的距离。依据某一时刻车队荷载将满布于某一联跨为原则，确定间距统一取为10 m，桥总长560 m，不同类型车辆车体长度为L，车辆数N=560/(10+L)。

针对厢式货车过桥时风—车—桥耦合振动进行分析，主要开展不同风速、不同车速和不同等级路面情况下厢式货车通过桥梁时的风—车—桥耦合振动响应分析，并根据响应结果，确定车辆的行车临界风速。综合考虑各种因素组合，合计工况数为135，考虑工况情况如下：

1)5种车速类型：60、70、80、90、100 km/h；

2)9级风速条件：15、17、20、22、25、27、30、32、35 m/s；

3)3类ISO规定的道路路况等级：“非常好”、“好”、“一般”(参见表1)。

4.1 行车安全性

根据不同风速(15～35 m/s，每2～3 m为1级)，不同车速(60～100 km/h，每10 km/h为1级)和不同路况等级(“非常好”、“好”、“一般”)下车辆的动力响应，厢式货车的行车安全临界风速如表4。

表4 不同路况、路面及车速情况下行车临界风速

综合表4临界风速情况可知，随着路况等级恶化(“非常好”→“好”→“一般”)，路面条件恶化(“干”→“湿”→“雪”→“冰”)，以及行车速度提高，临界风速总体上越来越小，即在更小的横风作用下车辆可能会发生行车安全事故。因而，在路况等级和路面条件较差，又适逢大风天气时，车辆应当减速慢行，甚至封闭交通。

4.2 行车舒适性

根据不同风速(15～35 m/s，每2～3 m为1级)，不同车速(60～100 km/h，每10 km/h为1级)和不同路况等级(“非常好”、“好”、“一般”)条件下车辆的动力响应，车辆的行车舒适性评价指标如图7。

由图6可知，在路况等级为“非常好”和“好”时，在给定的风速(15～35 m/s)和车速(60～100 km/h)范围内行驶时，车辆均不会发生行车舒适性问题；当路况等级为“一般”，车辆的行驶速度超过80 km/h时，车辆总体计权均方根加速度大于0.8，桥上行车将会对驾乘人员产生不舒适的感受，因此路况等级不良情况下，一方面应减速慢行，另一方面应加强道路养护，维持道路运行状态良好。

5 结 语

笔者以青海高海拔地区峡谷地带高墩桥梁为工程背景，采用CFD软件Fluent对典型的厢式货车进行了汽车—桥梁组合气动特性分析，分别获取了在不同风攻角情况下的车辆、桥梁的气动参数曲线。基于自编的风—汽车—桥梁耦合动力分析程序，开展了不同路况等级、不同路面条件及不同车速情况下的风车桥响应分析和评价，得到了不同情况下的限速运营标准。研究表明：

1)在100 km/h车速范围内，车辆沿着不同等级的“干”路面行驶时，车辆的行车临界风速均大于35 m/s，表明在35 m/s风速范围内车辆不会发生行车安全事故。

2)在100 km/h车速范围内车辆沿路况等级为“非常好”和“好”的“湿”路面行驶时，车辆的行车临界风速为30 m/s，路况条件为“一般”时，行车临界风速和车速分别为30 m/s和90 km/h，表明车辆行车安全临界风速和车速均会随着道路等级的变差而降低。

3)在路况等级为“非常好”和“好”时，在给定的风速(15 ～35 m/s)和车速(60～100 km/h)范围内行驶时车辆均不会发生行车舒适性问题，当路面状况为“一般”，车辆的行驶速度超过80 km/h时，车辆总体计权均方根加速度大于0.8，桥上行车将会对驾乘人员产生不舒适的感受。