桥面风环境已成为桥梁空气动力学研究的6个主要前沿专题之一^[1]，直接影响着横风条件下桥上行车安全。通常建立风车桥分析系统评价桥上行车安全^[2-4]，桥面风环境直接决定着系统中车辆风荷载的大小。目前关于桥面局部风环境的研究主要集中在桥塔区域^[5-17]。在侧向风环境下，桥塔尾流区域的桥面局部风环境使得经过车辆所受气动力发生先突然减小后突然增大的急剧变化。这种桥面局部风场造成的气动力急剧变化对驾驶员的操纵极为不利，对行车安全造成较大的威胁。减弱桥塔局部风环境较为有效的方式为采用风屏障，通过风屏障降低桥面风速以避免桥塔尾流的风场突变^{[9-11, 18]}。

类似于桥塔，桥墩的存在也会对其附近的桥面风环境产生影响，形成较为复杂的桥面局部风场，造成桥上车辆所受气动的突然变化。随着桥梁跨度的增加以及跨海大桥在海洋环境中承受复杂的波浪荷载，桥墩承载能力需求增加，其截面尺寸随之加大。以至于桥墩桥轴向尺寸达到甚至超过桥面运行车辆的长度，桥墩形成的桥面局部风环境直接决定着运行车辆的真实气动效应，直接威胁着桥面行车安全。桥塔局部风环境主要是由高出桥面的塔柱绕流形成，而桥墩完全位于主梁下部，桥面风环境主要是因桥墩对主梁绕流的干扰而形成。

关于桥墩影响下的桥面局部风场的研究少见报到，因此针对桥墩影响下桥面局部风环境的研究具有重要意义。本研究以某跨海大桥为研究对象，采用计算流体动力学(CFD)方法，建立有无风屏障下桥墩-主梁绕流及风场求解数值分析模型，与风洞试验结果比较以验证数值模型及计算方法的准确性。利用数值分析结果探索桥墩对桥面局部风环境的影响规律，并明确风屏障在桥墩区域的防风效果。

相邻桥墩之间的距离往往较大，且远大于单个桥墩的气动影响范围，故不需要考虑桥墩之间的相互气动影响。本研究选取某跨海大桥单个桥墩作为对象进行研究，主梁及桥墩截面、车道布置如图 1所示。桥墩沿桥轴向尺寸为4.2 m，高度取为50 m。横向风方向为水平从左向右，第1车道为迎风车道，第6车道为背风车道。风屏障为条形形式，高度为1 m，透风率50%。选取桥轴向长度为100 m主梁，桥墩位于主梁中间位置。为便于数值模型的建立并反映研究对象的主要特征，首先需要对不重要的构造进行简化。本计算模型忽略了水管支架与护栏底座之间的狭长缝隙以及主梁底面与桥墩顶面之间的缝隙。同时，风屏障及桥面护栏的截面简化为透风率相等的矩形截面，并保持高度不变^[19]。建立的桥墩-主梁几何模型如图 1所示。

图 1 主梁、桥墩截面与车道布置(单位：cm) Fig. 1 Layout of lanes, cross-sections of girder and pier (unit: cm)

为研究周围风场分布，设置围绕桥墩-主梁的立方体空气流动计算域，如图 2所示。模型中桥墩和主梁表面取为壁面条件，计算外边界面由来流面、出流面、顶面、底面与两个侧面构成。来流面设置为速度入口边界条件，来流风速分别为10，20，30，40 m/s。其他5个外边界面均设置为压力出口条件。图 2中B，L，H分别为计算区域桥轴向、横桥向及竖向尺寸。H取为120 m，B为100 m、与主梁长度一致。L取为300 m，其中主梁中央竖向对称线离来流面100 m，距出流面200 m。

图 2 桥墩-主梁模型示意图 Fig. 2 Schematic diagram of pier-girder model

网格划分采用软件ANSYS中的ICEM CFD模块，全部采用结构化网格以提高计算精度。最终确定主梁、桥墩、栏杆及风屏障的贴体网格高度为0.005 m，增长率为1.2，边界层为10~15层。桥墩附近主梁断面及风屏障处网格划分如图 3所示，无风屏障网格数量为229万，有风屏障网格数量为337万。计算基于CFD商用软件Fluent进行，选用在桥梁风工程中应用比较广泛的SST k-ω两方程湍流模型^[14]。所得到壁面y+值在80~200之间，从后文与风洞试验结果的比较可见，该y+范围对结果影响较小。

图 3 主梁及风屏障网格划分 Fig. 3 Meshing around girder and wind barrier

为验证所建立数值分析模型及计算的准确性，针对无风屏障主梁断面桥面风场开展风洞试验测试。风洞试验在西南交通大学大型边界层风洞XNJD-3中开展，试验断面尺寸为宽22.5 m、高4.5 m。采用1:20的几何缩尺比建立主梁节段模型，模型长3.46 m、宽1.775 m、高0.155 m。为避免微小杆件引起的气动粘性效应，对栏杆中较细的竖向杆件按透风率等效的原则进行合并。试验风速取10 m/s，试验来流湍流强度不超过1.5%。通过眼镜蛇风速探头，测试获得桥面不同水平位置、不同竖向位置的平均风速。

为进行比较，选择数值模拟中距桥墩25 m位置处主梁断面桥面平均风速进行验证。该位置离桥墩足够远，桥墩对桥面风场的影响不明显。首先分别计算风洞试验及数值模拟中桥面风场来流方向风速值与入口来流风速的比值(即风速系数U/U_o)，然后将两种方法所得的风速系数沿高度绘制成剖面图进行比较。图 4即为风速10 m/s、无风屏障工况下数值计算与风洞试验结果的比较图。主梁上共布置6个行车道(见图 1)，由比较可知6个行车道上桥面风速的数值计算结果与风洞测试结果保持高度的一致，说明本研究所采用的数值分析模型及计算可靠。

图 4 风洞试验与数值计算结果比较 Fig. 4 Comparison between wind tunnel test and numerical calculation

通过不同风速条件(10，20，30，40 m/s)的计算，可以在一定程度上反映桥墩-主梁及桥墩-主梁-风屏障的雷诺数影响规律。在桥墩中心处，不同风速条件下有风屏障和无风屏障工况下各车道风速系数剖面如图 5~图 6所示。从图中可以看到，不同风速条件下的风速系数曲线基本重合，说明雷诺数变化并没有使桥面上风速产生明显变化。同时，风屏障通常较钝化，对雷诺数不敏感。

图 5 有风屏障风速系数剖面 Fig. 5 Profiles of wind velocity coefficient with wind barrier

图 6 无风屏障风速系数剖面 Fig. 6 Profiles of wind velocity coefficient without wind barrier

桥面风速的三维分布图可以比较清晰地反映出桥面上方风速分布情况，包括桥墩影响范围、风速大小，突变程度等。本研究列出风速条件为30 m/s，有风屏障和无风屏障的两种工况下的风速分布三维图(如图 7~图 10)。图中从迎风侧至背风侧车道编号从1至6递增。从图 7~图 10可以看出：桥墩附近桥面风速显著降低。在车辆高度范围内(如2 m)，迎风侧风速总体大于背风侧风速。从第1车道至第6车道，风速呈递减趋势。此外，在桥墩附近，背风侧车道上方较高高度处(如3 m)风速依然很低。

图 7 无风屏障桥面风速分布(2 m高) Fig. 7 Wind velocity distribution on deck without wind barrier (2 m height)

图 8 有风屏障桥面风速分布(2 m高) Fig. 8 Wind velocity distribution on deck with wind barrier (2 m height)

图 9 无风屏障桥面风速分布(3 m高) Fig. 9 Wind velocity distribution on deck without wind barrier (3 m height)

图 10 有风屏障桥面风速分布(3 m高) Fig. 10 Wind velocity distribution on deck with wind barrier (3 m height)

为考察桥墩的扰流作用及上述风速分布的原因，给出距桥墩中心距离分别为0、25 m位置处有风屏障断面的流线如图 11~图 12所示。从图 11可以看出，在桥墩处迎风侧桥面产生较大的漩涡，该漩涡在一定范围内改变了来流方向，使得气流越过迎风侧及背风侧近桥面区域并直接从背风侧风屏障上方流过，造成桥墩附近桥面风速整体降低。在距桥墩较远的位置(25 m)，迎风侧车道上的漩涡减小。迎风侧车道上的漩涡直接影响桥面上方流线的倾角，该漩涡减小时，其上方流线倾角较小，大量气流可从背风侧近桥面处流过。桥墩的出现导致了桥面出现大的漩涡与分离流动，且向背风侧发展而覆盖住了整个桥面，从而形成了桥面局部风环境，使得在车辆高度范围内迎风侧风速总体大于背风侧风速, 同时背风侧车道上方较高处风速较低。

图 11 桥墩中心处流线 Fig. 11 Streamlines at pier center

图 12 距桥墩中心25 m处流线 Fig. 12 Streamlines at 25 m apart from pier center

为考察桥墩沿桥轴向对桥面风场的影响情况，选取计算风速为30 m/s，距桥面1，2，3 m高度处桥面风速沿桥轴向变化情况进行说明。由于计算工况较多，这里仅列出迎风侧中间车道(第2车道)及背风侧中间车道(第5车道)上风速系数沿桥轴向变化曲线，如图 13~图 14所示。图中横坐标表示距桥墩中心的距离，纵坐标表示该位置风速系数，即平均风速与入口风速之比。从图 13~图 14可以看出：不同车道不同高度上，桥墩桥轴向影响范围不同，背风侧车道上方受影响范围及程度都高于迎风车车道上方。随着高度增加，迎风侧车道上桥墩桥轴向影响范围逐渐缩小。背风侧车道上3 m高度处风速依然很低，风速在桥墩两侧较大区域均有变化。

图 13 迎风侧车道风速系数桥轴向变化情况 Fig. 13 Changes of wind velocity coefficient on upwind lane in bridge axis direction

图 14 背风侧车道风速系数桥轴向变化情况 Fig. 14 Changes of wind velocity coefficient on downwind lane in bridge axis direction

桥墩中心处无屏障和有风屏障工况下各车道风速系数剖面如图 4~图 5所示。在迎风侧第1车道上，当有风屏障时，风速距桥面5 m及更高区域才会接近来流风速。当没有风屏障时，风速距桥面2.5 m处便接近来流风速。风屏障可以有效降低桥墩附近车辆高度区域的桥面风速。第1车道上从桥面至风屏障顶部(距桥面3.58 m)范围内，风速并非随高度单调增加。这是由于风屏障下方桥面自身护栏的透风率大于风屏障，导致风速出现先增大，之后略微减小，再继续增大的现象。同时，背风侧车道风速随高度增加而单调递增。由此可知，风屏障及护栏的透风率对迎风侧车道桥面流场具有重要的影响，对背风侧车道流场影响相对较弱。

为定量分析风速突变程度，定义“风速变化率”为桥面各车道不同高度处风速沿桥轴向变化的剧烈程度，其为桥轴向相邻两风速点风速差的绝对值与这两个风速点距离的比值。

(1)

式中，R_w为风速变化率；ΔU为桥轴向两相邻风速点风速差; D为这两个风速点间的距离。各车道在有、无风屏障工况下距桥面1，2，3 m高度处的风速变化率最大值如表 1所示。从表 1可以看出，安装风屏障后，3 m高度处风速变化率最大值由0.37~2.038降低到0.04~1.233，风速变化率整体降低。2 m高度处各车道上也是同样规律。这说明风屏障弱化了风速在桥墩附近的突变效应。

本研究以某跨海大桥桥墩-主梁侧风绕流为研究对象，采用数值分析方法探究了桥墩附近桥面局部风环境。通过与风洞试验结果相比较，验证了本研究所采用的数值分析模型及计算在研究桥面局部风环境上具有一定准确性。通过数值结果分析可以得到如下结论：

(1) 通过改变风速实现雷诺数变化，雷诺数变化对桥面风速影响不明显。同时，风屏障因比较钝化对雷洛数不敏感。

(2) 桥墩的出现导致了桥面出现大的漩涡与分离流动，覆盖住了整个桥面，这是桥墩附近桥面局部风场形成的主要原因，使得在车辆高度范围内迎风侧风速总体大于背风侧风速、同时背风侧车道上方较高处风速较低。

(3) 桥墩沿桥轴向对桥面局部风场的影响随车道与高度的不同而存在差异。背风侧车道上方受影响范围及程度高于迎风车道上方。

(4) 通过量化的桥轴向风速变化率表明，风屏障弱化了风速在桥墩附近的突变效应，有利于桥面行车安全。