Исследование аэродинамических характеристик коробчатых балок переменного сечения в трехмерном нестационарном ветровом поле

Почему горные мосты подвергаются сильным ветровым воздействиям

Мосты в узких горных долинах кажутся прочными и спокойными, но поток воздуха вокруг них далек от спокойствия. По мере того как ветер протекает через крутые ущелья, он становится порывистым и хаотичным, ударяя по длиннопролетным мостам под необычными углами и с быстро меняющейся силой. В этом исследовании поставлен практический вопрос с реальными последствиями для безопасности: как такие неуправляемые, трехмерные ветры воздействуют на современную коробчатую балку моста с переменной высотой вдоль пролёта и как инженерам следует учитывать это при проектировании на снег и ветер?

Внимание к сложной форме моста

Авторы сосредотачиваются на реальном непрерывном жестком рамном мосте на юго-западе Китая, где основная несущая балка — пустотелая бетонная коробка — плавно изменяет высоту: толстая над опорами и тонкая в середине пролёта. Такая переменная геометрия помогает экономно нести большие нагрузки, но одновременно усложняет течение воздуха вокруг по сравнению с простой прямоугольной балкой. Вместо того чтобы полагаться только на аэродинамические испытания в аэродинамической трубe, команда создает подробную трехмерную компьютерную модель сечения моста и окружающего воздуха. Затем виртуальный мост подвергают воздействию пяти различных ветровых полей с тщательно контролируемыми уровнями порывистости и масштабами турбулентных вихрей, а также нескольких углов атаки ветра относительно деки.

Моделирование порывистого ветра в трех измерениях

Чтобы воспроизвести реальные горные ветры, в исследовании используется метод больших вихрей (large-eddy simulation), который явно отслеживает крупнейшие завихрения в потоке, в сочетании с синтетическим генератором входного поля, восстанавливающим статистику реальных порывов. Вместо установившегося однородного бриза входящий поток содержит флуктуации скорости и направления во всех трех измерениях и на разных пространственных масштабах. Авторы сначала подтверждают надежность своей численной схемы: они проверяют, что уточнение расчетной сетки или уменьшение шага по времени едва меняют результаты, сравнивают ключевые измерения сил с данными аэродинамических трубных испытаний и удостоверяются, что синтетическое ветровое поле соответствует стандартному спектру турбулентности, принятому в атмосферной науке.

Как порывы влияют на давление и силы

Убедившись в адекватности модели, команда исследует, как нестационарный ветер изменяет распределение давлений по поверхностям моста и результирующие интегральные силы. По сравнению с плавным стационарным «усредненным» ветром турбулентные порывы в целом уменьшают всасывающие (отрицательные) давления на большинстве верхних и нижних поверхностей и на подветренной стороне, что означает, что при усредненной оценке нагрузки на мост чувствуется некоторое смягчение. Только вблизи наветренных кромок деки порывы слегка усиливают всасывание. Эти локальные изменения выливаются в заметные сдвиги в общем сопротивлении (давление по направлению ветра), подъеме (вертикальная сила) и крутящем моменте на балке. В некоторых случаях сопротивление падает примерно на 14 процентов, а подъем — примерно на треть в порывистом ветре, тогда как для некоторых более мелких сечений крутящий момент может увеличиваться более чем на 20 процентов. Важнее интенсивность турбулентности — сила порывов, чем типичный размер турбулентных вихрей, а большие углы атаки ветра оказывают особенно сильное влияние.

Вихри, согласованное движение и скрытые риски

Мосты ощущают не только постоянное давление; их также встряхивают вихри — вращающиеся участки воздуха, отрывающиеся от деки периодически. Анализируя частотный состав моделируемых колебаний подъемной силы, авторы находят, что порывистый ветер склонен ослаблять интенсивность так называемого срыва вихрей, но не существенно менять его характерную частоту, которая в основном определяется формой моста и скоростью ветра. При этом турбулентность делает колеблющиеся силы вдоль пролета более взаимосвязанными. Другими словами, разные участки балки при порывистом потоке склонны двигаться более синхронно, чем при гладком течении, эффект, который может усилить общую структурную реакцию, даже когда средние силы кажутся меньше.

Что это означает для реальных мостов

Для неспециалистов главный вывод в том, что «хаотичные» реальные ветры могут быть в одних аспектах мягче, а в других — жестче. Турбулентные порывы могут уменьшать некоторые средние нагрузки на горный мост, но при этом увеличивать кручение в отдельных сечениях и вызывать более согласованную вибрацию вдоль пролета. Частота, с которой вихри встряхивают конструкцию, почти не меняется, однако интенсивность и пространственная структура этих колебаний трансформируются. Исследование показывает, что современные численные инструменты способны уловить эти тонкие эффекты для сложных форм мостов, предоставляя инженерам более реалистичные данные для проектирования безопасных и более устойчивых переходов в зонах с самыми сильными ветрами.

Цитирование: Feng, X., Jia, J. Study of aerodynamic characteristics of variable cross-section box girders under three-dimensional fluctuating wind field. Sci Rep 16, 6791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38074-w

Ключевые слова: аэродинамика мостов, турбулентный ветер, горные мосты, коробчатая балка, срыв вихрей