在三维波动风场下变截面箱形梁气动特性的研究

为何山区桥梁更易遭遇猛烈风况

位于崎岖山谷中的桥梁表面看似坚固宁静，但其周围的气流远非平静。当风在陡峭的峡谷中穿行时，会变得阵风频繁且紊乱，以奇怪的角度和快速变化的强度作用于大跨径桥梁。本文提出一个与安全直接相关的实际问题：这些不规则的三维风场如何推动并扭转沿跨中深度变化的现代箱形梁桥体，工程师又应如何在抗风设计中考虑这些影响？

细看复杂的桥梁形状

研究对象是一座位于中国西南的实际连续刚构桥，其主承重构件为一段中空混凝土箱梁，梁高沿跨中自支座向跨中平滑变化——靠墩处较厚，跨中较薄。这样的变截面设计有助于高效承载重荷，但也使得绕梁气流比简单矩形梁更复杂。研究团队没有仅依赖风洞试验，而是建立了桥梁截面与周围空气的三维精细数值模型。随后，他们让这个虚拟桥体接受五种不同的风场输入，每种风场对阵风强度与湍流涡尺度都进行了精心控制，并在若干来风角度下进行测试。

三维阵风的数值模拟

为模拟真实的山地风，研究采用了大涡模拟方法（LES），该方法能显式追踪空气中的最大涡旋，并结合合成来流发生器以再现现实的阵风统计特性。来流不再是稳定均匀的微风，而是在三个维度上并跨多种空间尺度具有波动的速度和方向。作者首先验证了数值方案的可靠性：检查网格加密或时间步缩短是否对结果影响甚微，与风洞的关键力学测量作比较，并确认人工生成的风场符合大气科学中常用的湍流能谱。

阵风如何改变压力与力的分布

在确信模型可靠后，团队考察了非定常风如何改变桥面压力分布及由此产生的整体受力。与平稳、光滑的“平均”风相比，湍流阵风通常会减弱上、下表面及背风侧的大部分吸力（负压），这意味着桥体在平均意义上承受的吸力有所减轻。只有在迎风边缘附近，阵风才会略微增强吸力。这些局部变化在整体上表现为阻力（顺风推力）、升力（上下力）和扭转力矩的显著变化。在某些情况下，阵风使阻力约减少14%，升力约减少三分之一，而在某些较浅的截面处，扭转力却可能增加超过20%。湍流强度——即阵风的激烈程度——比涡尺度的典型大小更为关键，且较大的来流攻角尤其具有显著影响。

涡旋、协同运动与隐含风险

桥梁不仅受到持续的推拉作用——它们还会被涡旋所扰动，涡旋是从桥面脱落的旋转气团，呈重复模式脱落。通过分析模拟升力力信号的频谱，作者发现阵风倾向于削弱涡脱落的强度，但并未显著改变其特征频率，该频率主要由桥型和来流速度决定。同时，湍流使沿梁长的波动受力之间的关联性增强。换句话说，在阵风条件下，梁的不同段更容易产生同步性的运动，这种效应即便在平均受力减小时也可能放大整体的结构响应。

对实际桥梁的意义

对非专业读者而言，核心结论是“凌乱”的真实风况在某些方面可能显得温和，而在另一些方面则更为严苛。湍流阵风或许会减小山区桥梁的某些平均受力，但也可能使特定截面的扭转增大并引发沿跨更强的协同振动。涡旋作用的振动频率几乎不变，然而振动的强度与空间分布会发生改变。研究表明，现代数值工具能够捕捉到复杂桥型下这些细微效应，为工程师在风况猛烈的地区提供更逼真的数据，从而设计出更安全、更具韧性的通道。

引用: 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

关键词: 桥梁气动, 湍流风, 山区桥梁, 箱形梁, 涡脱落