0 引言

与沿海和平原地区的风场相比，山区峡谷阵风强烈、频繁，湍流强度大，非平稳特性突出，风场空间分布复杂且表现出显著的三维特征。山区桥梁风致振动响应明显有别于其他地区的桥梁，特别是大跨度桥梁，其结构刚度小，阻尼小，对风荷载较为敏感，桥址区强风特性是决定结构风致振动响应的关键因素之一^[1]。

获取桥位处风场特性是进行桥梁抗风设计和研究的基础，主要包括：沿主梁跨径风速、风攻角和风向角的分布；跨径不同位置处的平均风剖面；紊流特性。现有的相关抗风设计规范大多针对平原、缓丘和沿海地区，不能直接用于确定复杂山区桥址处的风场特性^[2]。

国内外学者通过现场实测、风洞试验和数值模拟等方法开展了广泛深入的研究。在复杂地形的风场模拟方面，Nomura^[3]考虑了中性大气边界层的科氏效应，对8 km×8 km复杂地形计算区域进行数值模拟。Dhunny等^[4]，Yan等^[5]利用CFD数值模拟对复杂山区地形的风能做了详细评估，得到了风能的空间分布图，为风力发电机选址提供参考。Wan等^[6]利用大涡模拟来研究多尺度地形上的边界层流动，提出有效粗糙度来模拟受地形影响的启动粗糙度的增大效应，发现有效粗糙度的平方与高程方差之间存在明显的线性关系。陈政清等^[7]对矮寨大桥桥址区风特性进行了风洞试验研究，指出峡谷风速放大效应需综合考虑测点高度和两侧山体地形的影响。张明金等^[8]对高海拔高温差深切峡谷桥址区风特性进行了现场实测，指出受热力驱动的小尺度局部大风基本每天都存在，但风速不大，桥位处的设计风速仍然受大范围的大气环流控制。刘明等^[9]对西堠门大桥桥址处风场进行了长期观测，结果表明3个方向紊流强度的比值与规范值有一定差别，实测湍流功率谱曲线与理论曲线在变化趋势上基本一致，纵向分量接近于Kaimal谱曲线，垂直分量接近于Panofsky曲线。祝志文等^[10]针对峡谷地貌类型的桥址区数值模拟再现了峡谷地貌上的气流流动，获得了桥位附近的风场数据。翟晓亮等^[11]针对桥址处山区峡谷地形特点，采用缩尺地形模型风洞试验对大桥风环境进行了全面探测并确定了设计风参数，研究了山区峡谷地形条件下某特大桥的风致振动特性和抗风性能。李永乐等^[12]采用CFD数值模拟的方法研究了紧邻高陡山体的桥址区风特性，结果表明随来流方向的不同，主梁平均风速、风攻角及风剖面形状在高陡山体附近变化的规律以及受高陡山体影响的范围不同。王凯等^[1]提出了一种在缺少桥址区设计资料的情况下，利用气象学分析方法和虚拟气象站法，考虑地形修正综合确定桥梁设计基准风速的方法。楼文娟等^[13]基于简化的峡谷地形模型通过CFD数值模拟，较系统地研究了峡谷长度、山顶间距、山脉坡度3种地貌因素对平均风加速效应的影响，给出了典型峡谷的风压地形修正系数。刘黎阳等^[14]研究了不同规模地形模型对某山区桥梁设计风特性的影响，指出进行桥址区风场特性研究时，地形模型规模的选取须审慎。沈炼等^[15]在中尺度气象(WRF)模式基础上利用多尺度耦合方法对山区峡谷桥址风场进行了精细化数值模拟，较好地解决了山区峡谷风场数值模拟过程中入口平均风的给定问题，采用分块多项式拟合插值方法解决了以往数值模拟过程中出现的“人为峭壁”问题。孟园英等^[16]以广东省佛山市境内的洪奇门特大桥为工程背景, 确定了沿海开阔地区桥址处的合理设计风速, 通过地形模型风洞试验研究了沿海开阔地区桥址处的风速分布规律。目前研究方向主要集中在不同地形地貌桥址区风特性的特点、风洞试验研究方法的改进、数值模拟方法的关键技术和设计基准风速的给定。随着计算机技术的进步，多学科融合发展，数值模拟方法关键技术得到不断完善，已经成为研究桥址区风环境的重要方法。

目前对桥址区风特性的研究中，专门针对位于Y型等多条沟谷交汇处的谷口桥位风特性研究较少。因此本研究以某斜拉桥的桥址区为工程背景，针对桥址区存在多条主要沟谷的地形，基于FLUENT软件进行风场流动模拟。得到了位于交汇谷口处桥位的风场特性，分析了桥址区的主要分布的几条沟谷和交汇谷口的局部地形对桥位处风特性的影响。

1 CFD数值模型

本研究选取某待建斜拉桥的桥址区为研究对象，桥位区域地形在大地坐标系中显示见图 1，桥梁立面布置见图 2。从图 1中可以看出桥位所在区域分布着数条曲曲折折的沟谷，谷底和山顶高差普遍较大，最大高差达2 000多米，地形复杂崎岖。桥梁位于图 1中部Y型沟谷交汇的谷口，周围地形变化剧烈，风环境较为复杂。

1.1 计算区域

为了完整模拟桥址区域地形变化对桥位处风场特性的影响，模拟范围应涵盖桥位附近主要的地形地貌特征，模拟范围尽可能地大一些以减少模拟结果对来流入口边界的依赖。本研究取以桥位为中心，东西长为35 km，南北长为20 km的地形来进行数值模拟^{[2, 10, 14]}。模拟范围基本上覆盖了桥梁周围主要的山峰和沟谷，计算边界离桥位较远，可以保证来流在地形起伏的影响下充分发展。

本研究基于来自ALOS数据库的数字高程模型，在LSV软件中，以桥位为中心截取矩形地形，导出模型到专业地形软件Global Mapper，提取地形高程数据点，水平分辨率为12.5 m。同时利用桥位处1 km范围等高距1 m的地形图，在CAD软件中提取高程数据。在MATLAB R2017a中将两部分高程数据合并，生成高程数据格栅点阵，导入Gambit中，用插值的方法生成三维地形曲面。

为给地表上方的气流预留充分的自由变化空间，从地形范围内海拔最高点向上取10 km作为模拟的计算区域^[17]，如图 3所示。

1.2 网格划分

在Gambit中采用六面体结构化网格对计算流域进行离散。由于靠近地面附近的流场较为复杂，远离地面的高空流场相对均匀。为了网格划分方便，节约计算资源，将整个计算域分成近地面区域和远地面区域，分别进行网格划分。

在近地面区域，壁面第1层网格高度取为10 m，由下往上网格尺寸逐渐增大，增长因子为1.1。在远地面区域第1层网格高度取紧邻的近地面区域网格的高度，从下往上网格高度增长因子为1.2^[17-18]。

为重点分析桥位附近的风场，在桥位周围2 km范围内网格划分较密，水平网格间距为20 m。远离桥位的区域划分相对较稀疏，计算区域共划分网格总数约为500万个^[17-18]，如图 4所示。

1.3 湍流模型和边界条件

CFD计算采用可以高精度求解边界层准确模拟流动分离的SST k-ω湍流模型^[19]。压力-速度耦合项采用SIMPLEC算法求解。为了保证计算的稳定性，压力项采用一阶格式离散，动量及湍动能采用一阶迎风格式，耗散率项采用Power Law格式进行计算。

计算域底面设置为粗糙固定壁面边界，顶面设置为对称边界条件。计算域四周的边界，根据来流风向，分别设置为速度入口边界和压力出口边界，如图 5所示。

入口处来流风速分布偏安全地采用气象观测站标准场地对应的风剖面^{[17, 20]}。模拟区域最低海拔为3 050 m，最高海拔为4 925 m，由于复杂山区地表类型为D类，因此取边界层高程为区域最高海拔，加上450 m，即为5 375 m。主要目的是研究该地形条件下桥位处风场特性的规律，因此假定梯度风速为50 m/s，故高程在5 375 m以上的部分风速取为50 m/s，5 375 m以下部分按B类地表(标准场地)风速随高度变化的指数规律进行设置^[13]，梯度风高度为2 325 m。计算入口风速通过用户自定义函数(UDF)进行设置。风速分布如图 6所示。入口风速可表示为：

(1)

式中，V为入口风速；H为海拔高度。

1.4 计算工况

为研究不同方向来流下桥位处的风场特性，本研究等间隔15°取24种方向来流进行模拟计算，如图 7所示。图中数字代表计算工况号，以南偏东25.71°方向来流(垂直于桥轴线)的入口风为工况1，逆时针每15°设置一个工况，共24个工况(工况1~工况24)。xoy为计算域参考坐标系，x′oy′为桥梁参考坐标系。

为得到桥位处的风特性，沿主梁轴向每隔20 m布置1个风速观测点，共计18个。在主梁桥塔两侧边跨的中点沿高度方向布置观测点，共计35个。观测点空间布置如图 8所示。

2 计算结果与分析

本研究主要关心桥位处的平均风特性，包括桥位主梁位置处的横桥向风速、风攻角α、风向角β、主梁左右跨中位置的平均风速剖面。α和β定义为：

(2)

(3)

式中，u为主梁位置处横桥向风速；v为顺桥向风速；w为竖向风速；正攻角代表上升气流，负攻角代表下降气流；风向角以来流从东吹向西为正，反之为负。

通过FLUENT软件数值模拟了24种风向来流工况下桥址区风场，统计了布置在桥位处监控点的风速。各来流方向下主梁位置处横桥向平均风速大小如图 9所示。

由图 9可见，当入口来流风向大约在北偏东0°~30°、南偏西30°~45°和正东方向附近时，来流风向角与桥位附近主要几条沟谷走向基本一致，横桥向平均风速较大。来流方向为北偏东79.29°(工况6)，北偏东19.29°(工况10)，北偏西40.71°(工况14)和南偏西49.29°(工况20)的这4种工况在一定的来流方向范围内横桥向风速最大，比较典型。以下将基于这些典型工况从平均风速沿主梁的分布、平均风速沿高度的分布、主梁风攻角及风偏角等方面对位于Y型谷口处桥位风场特性进行讨论。

2.1 平均风速沿主梁的分布

针对工况6，10，14，20，在主梁跨向取桥塔位置为原点，规定朝东方向为正方向，沿跨向在主梁位置处横桥向风速分布如图 10所示。

由图 10可见，不同方向来流下横桥向风速沿主梁分布情况差异较大。来流沿着东北侧沟谷的工况6中, 横桥向风速沿主梁跨向波动较大，从西向东风速先减小然后维持在一定水平。这主要是由于桥塔两侧山坡坡度相差较大，来流在吹过东北侧沟谷后发生近似直角的折转到达桥位处，因此造成折角外侧平坦的区域风速较大，内侧陡峭区域风速较小。相比而言，工况20横桥向风速沿主梁的分布相对比较均匀，主要是由于沿着东侧沟谷的来流，在桥位处受局部地形的影响较小。工况10横桥向风速被放大，有峡谷加速效应，主要是由于沿着来流方向地形较为平坦，气流越过较为平坦的丘陵之后进入与桥位接近垂直的沟谷，流动截面收窄，气流被加速。工况14横桥向风速沿主梁变化较平稳，风速相对较低，这是由于桥位并未和来流方向的沟谷直接相连，且在来流方向桥位处有高山遮挡。

因此桥位处沿主梁横桥向风速不仅受到较大范围内的几条主要的沟谷影响，而且还受到桥位处局部地形的强烈影响，其风场特性不同于一般的山区桥址区^[21]。

2.2 平均风速沿高度的分布

为验证入口来流风速剖面设置的合理性，选取工况11绘制桥梁左右跨跨中的横桥向风速、顺桥向风速和竖向风速剖面，如图 11所示。

由图 11可见，工况11左右跨中位置处风剖面比较接近, 横桥向和顺桥向风速剖面接近指数律分布。当海拔接近5 000 m时，风速大小基本不再增大，这说明本研究风场数值模拟中在计算域风速入口边界采用的风速剖面的梯度风海拔为5 375 m是比较合理的。在桥面高度附近，左右跨中位置处横桥向风速差别较大，这主要是由于距离地面的高度不同，及两边山坡坡度相差较大造成的。竖向风速沿高度方向几乎没有波动，接近零风速。

工况6，10，14，20左右跨中横桥向风速沿高度分布如图 12所示。

由图 12可见，同一工况左右跨中位置处风剖面形状差异较小。不同工况即不同风向来流下，风剖面差别较大，受Y型沟口复杂的局部地形和来流方向影响较大。

2.3 主梁风攻角和风向角的分布

工况6，10、14，20下风攻角沿主梁的分布如图 13所示。

由图 13可见，不同工况即不同方向来流下风攻角沿主梁的分布情况差别较大。工况14沿主梁从西到东，风攻角由正30°变为― 30°，变化幅度较大。这主要是由Y沟谷口复杂的局部地形所致。工况10风攻角沿主梁变化较小，这主要是由于工况10在桥位处横桥向风速被放大，因此竖向风速较小，从而风攻角也较小且沿主梁分布比较均匀。

工况6，10，14，20下风偏角沿主梁的分布如图 14所示。

由图 14可见，桥位处风偏角不仅受来流方向影响，而且受桥址区几条主要的沟谷和Y型谷口局部地形影响。来流风向在桥位处发生了很大变化，沿主梁分布变化较大。

2.4 主梁处平均风速与风攻角的联合分布

各工况下沿主梁横桥向平均风速和风攻角的平均值如图 15所示。

由图 15可见，风攻角在―5°~5°之间基本涵盖了大多数工况。风速较大时，风攻角较小, 风速较小时，风攻角较大。风速最大时，风攻角为3°。为方便进行桥梁抗风试验和风致振动分析，取定横桥向风速和风攻角的关系如图 15中实线所示，该实线较好地包络了各工况的计算结果。

3 结论

通过对典型Y型沟谷桥址区在不同方向来流下的风场进行数值模拟，分析了桥位处地形特征对平均风特性的影响规律，得到如下结论。

(1) Y型沟谷桥址区风特性不同于一般的山区桥址区，受谷口局部地形影响较大。

(2) 当来流沿着几条比较顺直的沟谷时桥位处平均风速较大，其他风向桥位处风速较小。来流发生近似直角的折转到达桥位时，在折角的外侧平坦的区域风速较大，内侧陡峭的区域风速较小。

(3) 沟谷的弯曲致使沿着沟谷的来流产生回流和改向，这时桥位处的风攻角较大，沿着主梁的风偏角变化范围较大，水平风速较小，不存在风速峡谷放大效应。

(4) 桥位处交汇的沟谷局部地形对桥梁跨中竖向风剖面影响较大。不同风向来流下桥位处风剖面差别很大，同一工况下桥梁不同位置处风剖面形状差别较小。