王良

（廣西柳州市城市投資建設(shè)發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引 言

廊橋作為一種由橋、亭、廊等結(jié)構(gòu)組成的特殊橋梁，集功能性和藝術(shù)性于一身，融合了房屋藝術(shù)和橋梁建造的特點(diǎn)，不僅具有交通功能，還具有商業(yè)買賣、觀光以及舉辦民俗活動(dòng)等多種功能[1]。廊橋是一種橋梁與建筑結(jié)合的組合結(jié)構(gòu)。由于橋梁與建筑本身存在不同的受力特性，當(dāng)兩者結(jié)合在一起后，結(jié)構(gòu)的協(xié)同受力就顯得尤為復(fù)雜[2]。張興其等[3]對(duì)拱式廊橋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，并分析了上部風(fēng)雨亭對(duì)橋梁抗震能力的影響。王解軍、楊濤等[4-5]對(duì)膠合木廊橋結(jié)構(gòu)受力性能和受力穩(wěn)定進(jìn)行了一定研究。卓剛、李奕達(dá)等[6-7]對(duì)多跨連續(xù)混凝土廊橋的結(jié)構(gòu)受力特征和應(yīng)力變化等進(jìn)行了研究。楊培森等[8]對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土鋼構(gòu)廊橋的靜力和動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，研究了上部建筑結(jié)構(gòu)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

現(xiàn)有研究多數(shù)針對(duì)廊橋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析和抗震性能分析，而廊橋上部的風(fēng)雨亭結(jié)構(gòu)外形特殊，其對(duì)結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載作用會(huì)產(chǎn)生較大影響，且目前沒有現(xiàn)成的規(guī)范條款或工程實(shí)例提供設(shè)計(jì)參考。桂龍輝、蘇益等[9-11]對(duì)山區(qū)懸挑廊橋的風(fēng)荷載和風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究。目前對(duì)多跨連續(xù)廊橋的風(fēng)荷載和氣動(dòng)參數(shù)的數(shù)值模擬研究還較少，本文以鳳凰嶺大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，采用虛擬風(fēng)洞技術(shù)對(duì)廊橋風(fēng)雨亭各層結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力系數(shù)的變化規(guī)律進(jìn)行了分析，并對(duì)廊橋風(fēng)雨亭各層的風(fēng)振系數(shù)及其變化規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算和分析。

1 研究背景

本研究以柳州鳳凰嶺大橋?yàn)楣こ瘫尘?。鳳凰嶺大橋是一座公軌兩用大橋，是連接柳州市柳北區(qū)與柳東新區(qū)的主要通道。主橋全長700m，共6跨，跨徑布置為90m+130m×4+90m。主橋?qū)?6.6m，兩側(cè)為雙向6車道規(guī)模的機(jī)動(dòng)車道，中間預(yù)留遠(yuǎn)期城市軌道交通空間，兩側(cè)各設(shè)置非機(jī)動(dòng)車道和人行道。鳳凰嶺大橋主橋采用具有侗族民族特色的廊橋造型，橋上共有5座風(fēng)雨亭，包括2座四角亭、2座六角亭和1座八角亭。風(fēng)雨亭獨(dú)特的外觀將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)參數(shù)和風(fēng)振系數(shù)產(chǎn)生較大影響。主橋平立面布置圖如圖1所示。

圖1 鳳凰嶺大橋平立面布置圖

2 氣動(dòng)參數(shù)研究

采用虛擬風(fēng)洞技術(shù)對(duì)廊橋結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算。由對(duì)稱性和相似性風(fēng)荷載參數(shù)分析主要關(guān)系3座風(fēng)雨亭建筑，即四角亭、六角亭、八角亭各一座，分別定義為A建筑、B建筑、C建筑，如圖2所示。為便于風(fēng)荷載參數(shù)的定義，分別將各風(fēng)雨亭建筑按照結(jié)構(gòu)層分為一定層，如圖3所示。其中，A建筑分為5層，從下到上分別定義為A1～A5編號(hào)；B建筑分為8層，分別定義為B1～B8編號(hào)；C建筑分為9層，分別定義為C1～C9編號(hào)。

圖2 廊橋計(jì)算建筑編號(hào)示意圖

圖3 各風(fēng)雨亭分層編號(hào)示意圖

為方便描述風(fēng)雨亭結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載和氣動(dòng)系數(shù)，建立氣動(dòng)參數(shù)的整體坐標(biāo)系，分別定義為：X軸向?yàn)轫槝蛳?，Y軸為橫橋向，Z軸為豎向，如圖2所示。分別定義整體坐標(biāo)系各分塊的氣動(dòng)系數(shù)為：

式中：Ci分別為風(fēng)雨亭各層在X、Y、Z軸方向的氣動(dòng)系數(shù)；Fi分別為風(fēng)雨亭各層在X、Y、Z軸方向的風(fēng)荷載；ρ為空氣密度；U為來流風(fēng)速；L為各分層的參考長度；B為各分層的參考高度。

按照全橋結(jié)構(gòu)三維尺寸，建立其三維模型，總共有5座風(fēng)雨亭建筑。為風(fēng)洞模擬方便，風(fēng)雨亭表面局部進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，保證結(jié)構(gòu)主體風(fēng)荷載和氣動(dòng)系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。主要分析的3座風(fēng)雨亭建筑的幾何模型網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。采用虛擬風(fēng)洞模擬計(jì)算廊橋風(fēng)雨亭在順橋向風(fēng)向和橫橋向風(fēng)向下的氣動(dòng)參數(shù)（見表1），并得到兩種風(fēng)向下的三維流場(chǎng)分布，如圖5所示。

圖5 廊橋三維流場(chǎng)分布圖

表1 風(fēng)雨亭各分塊氣動(dòng)系數(shù)

圖4 各風(fēng)雨亭網(wǎng)格劃分示意圖

由氣動(dòng)力系數(shù)模擬計(jì)算結(jié)果可得，在順橋向風(fēng)向工況下，四角亭（A建筑）的氣動(dòng)阻力系數(shù)隨著層高的增加而降低，最底層為1.49，而最頂層為0.93。六角亭（B建筑）由于前方四角亭的遮擋作用，低層的氣動(dòng)阻力系數(shù)較小，隨層數(shù)增加，遮擋作用降低，系數(shù)增大，最大為1.74；最高層B8為錐形結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)較小。八角亭（C建筑）同樣受到前方六角亭的遮擋作用，隨層數(shù)增加，遮擋作用降低，系數(shù)增大，最大為1.28；最高層C9為錐形結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)較小。

在橫橋向風(fēng)向工況下，四角亭層高較高的最低層A1和最高層A5，氣動(dòng)阻力系數(shù)較大。其中，最低層最大，為1.83，其余各層氣動(dòng)阻力系數(shù)較小。六角亭最低層B1氣動(dòng)阻力系數(shù)較大；B2～B6層氣動(dòng)阻力系數(shù)接近；B7層無傾斜的屋面結(jié)構(gòu)，為豎直的墻面結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)最大，為2.30；最高層B8為錐形結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)較小。八角亭低層C1～C4的氣動(dòng)阻力系數(shù)較為接近；C6和C8兩層為豎直的墻面結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)較大；C8層最大為1.62，最高層C9為錐形結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)較小。

3 氣動(dòng)參數(shù)研究

采用MATLAB對(duì)3種風(fēng)雨亭進(jìn)行隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)模擬分析。橋位處屬于B類地表類別，地表粗糙度系數(shù)取0.16，粗糙高度取0.05。根據(jù)風(fēng)環(huán)境參數(shù)，將各亭空間進(jìn)行分塊，如圖6所示，得到各分塊風(fēng)速隨時(shí)間的變化曲線。其中，3種風(fēng)雨亭8號(hào)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程圖如圖7所示。

圖6 風(fēng)雨亭立面分塊示意圖

圖7 3種風(fēng)雨亭8號(hào)點(diǎn)的風(fēng)速時(shí)程圖

利用模擬的風(fēng)場(chǎng)風(fēng)速時(shí)程結(jié)果，根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)荷載值，并將風(fēng)荷載施加到結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行動(dòng)力瞬態(tài)分析，得到不同風(fēng)向工況下橋上風(fēng)雨亭各層節(jié)點(diǎn)的水平位移時(shí)程圖。其中，順橋向風(fēng)向和橫橋向風(fēng)向工況八角亭最高層水平位移時(shí)程圖如圖8所示。

圖8 八角亭最高層平均水平位移時(shí)程圖

對(duì)結(jié)構(gòu)有限元模型施加風(fēng)荷載進(jìn)行動(dòng)力分析計(jì)算結(jié)構(gòu)的風(fēng)振系數(shù)。通過橋位的環(huán)境參數(shù)模擬出橋上風(fēng)雨亭處隨時(shí)間變化的風(fēng)速值，然后根據(jù)隨時(shí)間變化的風(fēng)速值計(jì)算相應(yīng)的風(fēng)荷載值，并施加到橋上風(fēng)雨亭上，提取結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)，根據(jù)下式計(jì)算風(fēng)振系數(shù)。計(jì)算得到在不同風(fēng)向工況下風(fēng)雨亭各層的風(fēng)振系數(shù)，見表2。

式中：βz為風(fēng)振系數(shù)；Smax為最大水平位移值；S為平均水平位移值。

由表2可得，在順橋向風(fēng)向工況下，四角亭建筑各層風(fēng)振系數(shù)在1.49～2.26之間，六角亭建筑各層風(fēng)振系數(shù)在1.40～2.22之間，八角亭建筑各層風(fēng)振系數(shù)在1.27～2.54之間；在橫橋向風(fēng)向工況下，四角亭建筑各層風(fēng)振系數(shù)在1.48～2.12之間，六角亭建筑各層風(fēng)振系數(shù)在1.80～2.67之間，八角亭建筑各層風(fēng)振系數(shù)在1.69～2.85之間。四角亭在兩種工況下風(fēng)振系數(shù)較為接近，六角亭和八角亭在橫橋向風(fēng)向工況下的風(fēng)振系數(shù)稍大于順橋向風(fēng)向工況。

表2 風(fēng)雨亭各層的風(fēng)振系數(shù)

4 結(jié) 論

本文以柳州市鳳凰嶺大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，首先采用虛擬風(fēng)洞技術(shù)模擬得到橋上風(fēng)雨亭各層結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力系數(shù)和三維流場(chǎng)分布，然后通過隨機(jī)風(fēng)場(chǎng)模擬得到風(fēng)雨亭各分塊位置的風(fēng)速時(shí)程曲線，最后通過有限元風(fēng)荷載時(shí)程分析得到風(fēng)雨亭各分層的風(fēng)振系數(shù)。主要結(jié)論如下：

（1）在順橋向風(fēng)向工況下，四角亭的氣動(dòng)阻力系數(shù)隨著層高的增加而降低；六角亭與八角亭由于前方風(fēng)雨亭的遮擋作用，低層的氣動(dòng)阻力系數(shù)較小，隨層數(shù)增加，遮擋作用降低，系數(shù)增大，且兩者最高層均為錐形結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力較小。

（2）在橫橋向風(fēng)向工況下，四角亭最低層和最高層氣動(dòng)阻力系數(shù)較大；六角亭與八角亭中有豎直的墻面結(jié)構(gòu)的層數(shù)氣動(dòng)阻力系數(shù)較大，最高層為錐形結(jié)構(gòu)，氣動(dòng)阻力系數(shù)較小。

（3）四角亭在順橋向風(fēng)向和橫橋向風(fēng)向工況下，風(fēng)振系數(shù)較為接近；六角亭和八角亭在橫橋向風(fēng)向工況下，風(fēng)振系數(shù)稍大于順橋向風(fēng)向工況。