山区大跨度桥梁涡振性能数值模拟研究

1.引言

随着交通基础设施的快速发展，山区大跨度桥梁建设日益增多[1-2]。然而，山区复杂的地形条件和多变的风场环境对桥梁结构的抗风性能提出了严峻挑战。涡振作为一种典型的风致振动现象，对桥梁结构的安全性与舒适性具有重要影响[3-4]。与平原地区桥梁相比，山区桥梁所处的风场环境更为复杂，风速、风向变化频繁，且受地形遮挡和导流作用，风场的空间分布呈现显著的非均匀性[5]。因此，深入研究山区大跨度桥梁在复杂风场下的涡振性能具有重要的理论和实际意义。

2 研究方法

本文采用计算流体动力学（CFD）方法建立山区大跨度桥梁的数值模型。本文以某山区大跨度斜拉桥为研究对象，建立其精细的有限元模型，考虑桥梁主梁、索塔和斜拉索的几何参数与材料特性。在数值模拟中，采用流固耦合将方法风场模型与桥梁结构模型进行耦合，通过动态网格技术模拟桥梁结构在风荷载作用下的变形与振动响应。在计算过程中，考虑了桥梁结构的气动阻尼、惯性力和弹性恢复力等因素对涡振的影响，确保模拟结果的准确性和可靠性。模拟如图 1 所示。模拟对象为山区机场机库的屋盖，其几何模型根据实际工程设计参数建立，考虑了屋盖的悬挑长度、倾角以及边缘倒角尺寸等关键因素。模拟分析了不同风向角（ ⋅0^∘ 、 45^∘ 、90^∘ 、 135^∘ 和 180^∘ ）下屋盖的风荷载分布情况。

3 结果分析

3.1 山区风场分析

山区风场受地形起伏、山谷、山脊等因素的强烈影响，其风速、风向和湍流特性与平原地区存在显著差异。本文采用计算流体动力学（CFD）技术，结合地形数据建立山区风场数值模型。通过对典型山区地形的模拟分析，发现山谷口和山脊处风速明显增大，且风向随地形变化而发生偏转。这种复杂的空间风场分布为桥梁涡振的产生和发展提供了复杂的外部条件。

3.2 涡振性能分析

通过对山区风场下桥梁结构的数值模拟，分析了桥梁的涡振响应特征。结果表明，山区复杂地形导致的风场非均匀性使得桥梁局部区域的风速显著增大，进而加剧了涡振响应。在山谷口和山脊处，桥梁结构的位移和加速度响应明显高于其他区域。此外，风向变化对桥梁涡振的影响也不容忽视，当风向与桥梁轴线夹角较大时，涡振响应更为显著。这表明在山区大跨度桥梁设计中，必须充分考虑地形对风场的影响，优化桥梁结构的抗风性能。

4 结论

本文通过数值模拟方法研究了山区大跨度桥梁在复杂风场下的涡振性能。研究表明，山区复杂地形对风场的空间分布和桥梁涡振响应具有显著影响。风场的非均匀性导致桥梁局部区域的涡振响应加剧，且风向变化对涡振的影响不可忽视。本文的研究成果为山区大跨度桥梁的抗风设计提供了理论支持，可为类似工程的设计与评估提供参考。

参考文献

[1]曾旻,刘汉云,毛娜,等.山区Π形梁斜拉桥涡振气动优化试验研究[J/OL].中外公路,1-11

[2]陈应高,康佳,唐浩俊,等.高陡山区大跨度钢箱梁悬索桥风致振动试 验和气动外形优化[J].振动与冲击,2023,42(18):241-249.

[3]周霆,李沁峰.山区峡谷中大跨度钢桁梁斜拉桥抗风性能试验研究[J].四川建筑,2022,42(02):213-215.

[4]张令,郑史雄,邰学洋.基于 DMD 的分体式三箱梁涡振时空演化分析[J/OL].铁道科学与工程学报,1-12.

[5]王骑,黄林,高贵,等.不同比例尺铁路桥箱梁风洞试验涡振对比[J].铁道工程学报,2025,42(01):64-68+76.

作者简介：裴城，工学博士，讲师

基金项目：复杂风场主梁涡激振动风洞试验(ZXSB2024007)