強(qiáng)風(fēng)區(qū)斜拉橋行車安全及性能保障措施

方志純

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

1 前言

橋梁是現(xiàn)代交通體系的重要樞紐， 其運(yùn)營的安全性尤為重要。除了關(guān)注其自身的安全性外，橋梁運(yùn)營的安全性還應(yīng)包含橋面行車安全性。近年來，大量橋梁行車安全案例日益提高了人們對這類風(fēng)險(xiǎn)的重視。 跨海大橋由于長期受大風(fēng)的侵襲，對其行車安全構(gòu)成重大威脅。高速行駛的車輛在強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下，易引發(fā)車輛側(cè)滑、側(cè)傾、側(cè)偏等安全事故[1]。 為確?？绾ｉL大橋梁的運(yùn)營安全，有必要對公路橋梁側(cè)風(fēng)作用下的行車安全問題進(jìn)行深入研究。

風(fēng)經(jīng)過斜拉橋橋塔后將發(fā)生繞流現(xiàn)象， 導(dǎo)致在橋塔兩側(cè)形成高風(fēng)速區(qū)，嚴(yán)重影響橋塔毗鄰區(qū)內(nèi)的風(fēng)環(huán)境。因此，經(jīng)過橋塔區(qū)的車輛將先后經(jīng)歷橋塔一側(cè)的高風(fēng)速區(qū)、橋塔背風(fēng)位置低風(fēng)速區(qū)，最后從另一側(cè)的高風(fēng)速區(qū)駛出。在行駛過程中， 風(fēng)環(huán)境的劇烈變化將對行車安全構(gòu)成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)， 跨海大橋行車限制風(fēng)速也主要取決于橋塔毗鄰區(qū)內(nèi)的風(fēng)速[2-6]。針對這一問題，國內(nèi)外已有研究多著眼于該區(qū)域風(fēng)場分布的模擬及相應(yīng)改善方案， 鮮有對橋塔毗鄰區(qū)行車安全性及風(fēng)環(huán)境進(jìn)行深入分析[7]。

本文依托我國東南沿海福建省某斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘罢归_研究。 該工程全長約4562 m，主橋?yàn)?70 m 組合梁斜拉橋，跨經(jīng)組合為（135+300+135）m。 索塔采用H 型橋塔，塔高129.7 m。由于大橋位于臺風(fēng)經(jīng)常登陸的路徑上，橋位區(qū)域大風(fēng)頻發(fā)， 因此橋梁運(yùn)營期的風(fēng)致行車安全研究不容忽視。本文結(jié)合風(fēng)致行車安全的危險(xiǎn)工況分析，獲得不同路面條件、不同車速條件下的行車安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)，針對橋塔區(qū)進(jìn)行了行車安全評估及對策分析， 研究結(jié)論可為大橋應(yīng)對大風(fēng)天氣的橋梁通行安全提供重要參考。

2 橋塔區(qū)行車安全評估方法

2.1 區(qū)域通行代表車型確定

文中行車車型的選擇基于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3730.1-2001 和GB/T15089-2001 以及車輛對側(cè)風(fēng)的敏感性，取如下車型加以分析：基本型乘用車(A 型車)、交叉型乘用車(B 型車)、中型商用客車(C 型車)、雙層巴士商用客車(D型車)及大型廂式商用貨車(E 型車)。

2.2 行車安全風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)

本文以在側(cè)向風(fēng)作用下車輛橫向偏離車道的距離為評價(jià)準(zhǔn)則。 開始時(shí)，認(rèn)為車輛在車道中心行駛。 在側(cè)風(fēng)作用下，車輛的行駛方向可能偏離車道中心，偏離的距離為y。顯然，風(fēng)致行車安全隨著y 的增大而增大，而車輛完全駛離原始車道顯然無法接受， 這種情況甚至可能引發(fā)嚴(yán)重交通事故。 因此，以偏離y 為衡量指標(biāo)，制定風(fēng)致行車安全評價(jià)準(zhǔn)則。 此外，通過模擬發(fā)現(xiàn)，從駕駛員意識到側(cè)風(fēng)的影響并對車輛行駛做出調(diào)整， 這一過程需要?dú)v時(shí)近0.8 s。因此，應(yīng)取車輛做出調(diào)整時(shí)的車輛偏離距離y 進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。 基于上述分析， 風(fēng)致行車安全的風(fēng)險(xiǎn)等級fG可用式(1)計(jì)算：

式中，amax為車道所容許的最大車輛側(cè)向位移。

具體的危險(xiǎn)程度變化特性如圖1 所示， 當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)等級達(dá)到fG=3(2y/amax=0.9)后，車輛偏離目標(biāo)行駛軌跡的風(fēng)險(xiǎn)等級迅速增大。 因此，決定將fG=3 作為風(fēng)致行車安全風(fēng)險(xiǎn)上限值。則1.75 m 寬的車輛行駛在3.75 m 寬的標(biāo)準(zhǔn)車道上時(shí)，容許的車輛最大側(cè)向偏移amax為1.0 m，車輛最大側(cè)偏yallow為0.45 m。據(jù)此，本研究提出的行車安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為：車輛在側(cè)風(fēng)作用下0.8 s 內(nèi)偏離原始車道中心線的距離y≤0.45 m。 針對本研究中選擇的車輛類型，其在標(biāo)準(zhǔn)車道上行駛時(shí)的允許側(cè)偏位移yallow如表1 所示。

圖1 行車危險(xiǎn)程度變化特性

表1 5 種汽車的側(cè)偏閾值

3 橋面行車風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

利用數(shù)值風(fēng)洞的技術(shù)對橋面風(fēng)環(huán)境的分布規(guī)律情況進(jìn)行研究，建立主梁的幾何模型。建模時(shí)，主要考慮對橋面行車風(fēng)環(huán)境影響較大的構(gòu)件，即：主塔、主梁、防撞欄桿、風(fēng)障等構(gòu)件。 風(fēng)障考慮以下2 種布置方式：布置1：在主梁防撞欄桿上部加設(shè)3 道風(fēng)障，風(fēng)障部分透風(fēng)率50%，風(fēng)障和防撞欄桿的總體透風(fēng)率為60%；布置2：在主梁防撞欄桿上部加設(shè)3 道風(fēng)障同時(shí)防撞欄桿增加一道橫梁， 風(fēng)障部分透風(fēng)率50%，風(fēng)障和防撞欄桿的總體透風(fēng)率為50%。

3.1 計(jì)算方法及邊界條件

本文采用基于時(shí)間平均的k-ε 雷諾均值Navier-Stokes 方程(RANS)模型中的Realizable 雙方程湍流模型[8-9]，詳細(xì)內(nèi)容可參考文獻(xiàn)[10]。

3.2 橋面行車高度風(fēng)環(huán)境

橋塔毗鄰區(qū)內(nèi)的風(fēng)場可基于設(shè)定的來流風(fēng)速vin，通過數(shù)值方法求得。以此為基礎(chǔ)，對橋塔毗鄰區(qū)內(nèi)的風(fēng)環(huán)境進(jìn)行評估。 這里引入速度系數(shù)α 來表示風(fēng)場內(nèi)風(fēng)速的變化，其中α 可通過式(2)獲得：

式中，vmean為研究空間內(nèi)某點(diǎn)的平均風(fēng)速。

速度系數(shù)α 體現(xiàn)了主塔毗鄰區(qū)內(nèi)某點(diǎn)的相對風(fēng)速大小。 現(xiàn)監(jiān)測橋面車道中心線以上10 m 范圍的風(fēng)速，按照來流方向?qū)④嚨蓝x為車道1～車道6， 計(jì)算得到了無風(fēng)障與2 種風(fēng)障布置下的風(fēng)速分布。 圖2 給出了無風(fēng)障與采用風(fēng)障2 布置條件下的風(fēng)速分布曲線。

圖2 風(fēng)速分布曲線

3.3 風(fēng)速影響系數(shù)

陳艾榮等[11]提出了等效橋面風(fēng)速和影響系數(shù)用于說明來流風(fēng)速與橋面不同高度處風(fēng)速的相對關(guān)系，其中等效橋面風(fēng)速Ueff的定義如式(3)：

式中，zr表示車輛所處的高度范圍，通常對于A 型和B 型車zr取3 m，對于C 型、D 型和E 型車zr取5 m。

影響系數(shù)λs可通過式(4)計(jì)算：

式中，U∞表示實(shí)際風(fēng)速。

根據(jù)風(fēng)速分布曲線， 通過積分得到所有行車道3 m及5 m 高度范圍內(nèi)的影響系數(shù)如表2 所示。

表2 不同車道位置影響系數(shù)

4 橋塔區(qū)行車風(fēng)環(huán)境風(fēng)場模擬

4.1 橋塔區(qū)橋面行車高度風(fēng)環(huán)境

為分析所研究的斜拉橋橋塔對橋塔附近橋面風(fēng)環(huán)境的三維影響， 選取了主塔及其風(fēng)環(huán)境影響區(qū)內(nèi)的主梁、護(hù)欄及風(fēng)障等構(gòu)件進(jìn)行三維數(shù)值模擬。 為提高分析精度，并在確保計(jì)算效率的前提下，對分析區(qū)域采用混合網(wǎng)格劃分策略， 提高橋塔毗鄰區(qū)域的網(wǎng)格精細(xì)化程度。為了直觀展示橋塔毗鄰區(qū)橋面的風(fēng)環(huán)境，在順橋向，取距橋塔中心0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、20 m、25 m、50 m 的位置。

在前述風(fēng)障布置的基礎(chǔ)上， 對橋塔區(qū)風(fēng)障進(jìn)行了加強(qiáng)，風(fēng)障布置如下。 布置3：在橋塔中心向兩側(cè)各21 m 的范圍布置5 道風(fēng)障，其余部分布置形式與布置1 相同；布置4： 在橋塔中心向兩側(cè)各21 m 的范圍布置5 道風(fēng)障，其余部分布置形式與布置2 相同；布置5：在橋塔中心向兩側(cè)各15 m 的范圍布置6 道風(fēng)障，20 m 的范圍布置5道風(fēng)障，25 m 的范圍布置4 道風(fēng)障， 其余部分布置形式與布置1 相同；布置6：在橋塔中心向兩側(cè)各15 m 的范圍布置6 道風(fēng)障，20 m 的范圍布置5 道風(fēng)障，25 m 的范圍布置4 道風(fēng)障，其余部分布置形式布置2 相同。通過分析可以得到4 種不同布置形式的風(fēng)速分布曲線， 圖3 僅給出了無風(fēng)障與風(fēng)障布置6 條件下的風(fēng)速分布曲線。

4.2 風(fēng)速影響系數(shù)

圖3 風(fēng)速分布曲線

圖4 風(fēng)速影響系數(shù)曲線（高度范圍5m）

同樣，在相同的主梁位置，可以計(jì)算獲得各車道風(fēng)速影響系數(shù)曲線。 限于篇幅， 以下僅列出橋塔區(qū)高度范圍5m 處的風(fēng)速影響系數(shù)。圖4 僅給出了無風(fēng)障與風(fēng)障布置6 條件下的風(fēng)速分布，可以發(fā)現(xiàn)，未安裝風(fēng)障時(shí)，橋塔風(fēng)環(huán)境影響區(qū)內(nèi)風(fēng)速影響系數(shù)的值劇烈變化。 在靠近橋塔的位置，風(fēng)速影響系數(shù)反而增大；然而在增加了風(fēng)障布置3、風(fēng)障布置4 后，風(fēng)速影響系數(shù)的變化有所改善，但距橋塔中心10 m 位置處，5 m 范圍風(fēng)速影響系數(shù)出現(xiàn)極值；在設(shè)置風(fēng)障布置5、 風(fēng)障布置6 后， 該曲線變得更加平順，橋塔附近的風(fēng)速增大效應(yīng)得以消除。

5 風(fēng)對橋上車輛行駛安全評估

基于上述結(jié)果，結(jié)合背景斜拉橋?qū)嶋H情況，進(jìn)行風(fēng)致橋面行車安全評估， 給出大橋主橋跨中位置不同車速條件下典型車輛的安全通行風(fēng)速。 考慮到大橋行車設(shè)計(jì)速度為100 km/h，因此在風(fēng)雨天氣下A 型、B 型、C 型、D 型和E 型車限速100 km/h 時(shí)，對應(yīng)五種類型車輛在地面道路行駛時(shí)的安全行駛臨界風(fēng)速分別為21.5 m/s、14.5 m/s、12.5 m/s、14.5 m/s 和15.5 m/s。 斜拉橋橋面安全行車臨界風(fēng)速與當(dāng)?shù)貧庀笳镜娘L(fēng)速比例關(guān)系如式(5)所示：

式中，U 為氣象站風(fēng)速；Ucr為橋面道路行車安全臨界風(fēng)速。由于大車的安全性更差，因此取5 m 高度范圍內(nèi)的λs，無風(fēng)障時(shí)橋塔區(qū)為1.12(離地面50 m 高度)，主橋區(qū)為0.89；風(fēng)障布置1、風(fēng)障布置3 時(shí)，橋塔區(qū)為0.81，主橋區(qū)為0.73；風(fēng)障布置2、風(fēng)障布置4 時(shí)，橋塔區(qū)為0.78，主橋區(qū)為0.70。

計(jì)算所得不同風(fēng)障布置橋面臨界風(fēng)速與氣象站風(fēng)速之比如表3 所示?？梢钥闯?，無風(fēng)障時(shí)，主橋區(qū)50 m 高度處，Ucr/U 為1.36，加設(shè)風(fēng)障布置1 后減小為0.98，加設(shè)風(fēng)障布置2 后減小為0.95。

表3 不同風(fēng)障布置下橋面臨界風(fēng)速與氣象站風(fēng)速之比

不施加風(fēng)障與四種風(fēng)障方案各車輛在不同速度時(shí)能安全行駛的最大氣象站風(fēng)速如表4 所示。 從表中可以看出，無風(fēng)障時(shí)，氣象站7 級風(fēng)時(shí)(側(cè)偏臨界風(fēng)速為8 級風(fēng)及以上)，D 型和E 型車可以達(dá)到40 km/h 的行駛速度，C型車只能達(dá)到20 km/h 的行駛速度。 風(fēng)障布置3 時(shí)，氣象站7 級風(fēng)時(shí)，A 型車可以達(dá)到100 km/h 的行駛速度，B 型車、D 型車和E 型車可以達(dá)到80 km/h 的行駛速度，C 型車能達(dá)到60 km/h 的行駛速度。 風(fēng)障布置4 時(shí)，氣象站7級風(fēng)時(shí)，A 型車可以達(dá)到100 km/h 的行駛速度，B 型車、D 型和E 型可以達(dá)到80 km/h 的行駛速度，C 型車能達(dá)到60 km/h 的行駛速度。

表4 行車側(cè)偏臨界狀態(tài)對應(yīng)的氣象站風(fēng)速(單位：m/s)

6 行車安全性能保障

基于上述研究得出的橋面風(fēng)環(huán)境分布特征和不同風(fēng)速對應(yīng)的行車安全車速分析結(jié)果， 降低行車速度并遵守分道行駛能顯著改善大風(fēng)天氣下的橋梁行車安全[12]。 同時(shí)，由于駕駛過程中，駕駛員對外界環(huán)境的反饋?zhàn)饔脤π熊嚢踩闹卮笥绊憽?因此，在大風(fēng)天氣，橋梁管理部門應(yīng)及時(shí)發(fā)布限速、限車道通知，并給出相關(guān)文字性和標(biāo)志性行車警示等交通管控信息，提高橋梁行車的安全性。

以保障大橋運(yùn)營安全和通行車輛及人員、 貨物安全為基本出發(fā)點(diǎn)， 大橋運(yùn)營管理應(yīng)該建立風(fēng)天大橋通行安全的管理規(guī)定，不但要規(guī)定在什么樣的風(fēng)速下關(guān)閉大橋，同時(shí)還要回答什么風(fēng)速下通行車輛安全行駛所容許的最大車速。基于風(fēng)障對策研究成果，綜合考慮各個區(qū)段風(fēng)速分布情況，在風(fēng)速較大部分施加風(fēng)障后，表5 就給出了地面10 m 高度標(biāo)準(zhǔn)氣象站不同風(fēng)速下，大橋風(fēng)雨天通行管理措施。

7 總結(jié)

本文通過對沿海強(qiáng)風(fēng)區(qū)某斜拉橋橋面行車風(fēng)環(huán)境的研究，得到以下幾點(diǎn)主要結(jié)論：

(1)基于建立的5 種典型代表車型的風(fēng)致行車側(cè)偏動力響應(yīng)分析模型，并制定了風(fēng)致行車側(cè)偏響應(yīng)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，分析得到不同車速下5 種車型的風(fēng)致行車側(cè)偏響應(yīng)及對應(yīng)狀態(tài)下的車輛側(cè)偏安全風(fēng)速上限。

表5 風(fēng)障布置方案4、6 時(shí)大橋風(fēng)雨天通行管理規(guī)定

(2)選取主橋截面開展行車高度風(fēng)環(huán)境研究，分別考慮了2 種風(fēng)障的布置形式， 得到了各種布置下橋塔毗鄰區(qū)橋面的流場分布， 并計(jì)算得到不同高度范圍內(nèi)的不同車道對應(yīng)的風(fēng)速影響系數(shù)。與未施加風(fēng)障時(shí)相比，施加風(fēng)障后， 不同截面的流場分布及各車道風(fēng)速影響系數(shù)顯著減小。 因此，可以看出，風(fēng)障對橋塔區(qū)風(fēng)環(huán)境有明顯的改善作用。 相比于風(fēng)障布置形式1，風(fēng)障布置形式2 的減風(fēng)效果更佳。

(3)建立了斜拉橋橋塔區(qū)相應(yīng)的三維流場模型，研究分析了無風(fēng)障和6 種布置風(fēng)障方案的橋塔區(qū)橋面行車風(fēng)環(huán)境，得到了不同工況下的車道位置影響系數(shù)。受到斜拉橋橋塔的影響，在未設(shè)置風(fēng)障時(shí)，風(fēng)速影響區(qū)內(nèi)的風(fēng)速影響系數(shù)發(fā)生劇烈變化。在橋塔處，風(fēng)速影響系數(shù)甚至有所增大；在設(shè)置風(fēng)障布置3、風(fēng)障布置4 后，這種情況有所改善， 但距橋塔中心10 m 位置處，5 m 范圍風(fēng)速影響系數(shù)出現(xiàn)極值；在設(shè)置風(fēng)障布置5、風(fēng)障布置6 后，橋塔附近的風(fēng)速增大的現(xiàn)象得到克服。 因此，綜合考慮下，推薦采用風(fēng)障布置方案6。

(4)采用已有的車道位置影響系數(shù)，對跨海大橋進(jìn)行各車型的通行安全評估， 得到了各車型不同速度行駛時(shí)對應(yīng)的氣象站風(fēng)速。 通過進(jìn)行兩種風(fēng)障布置方案的分析比較， 發(fā)現(xiàn)2 種風(fēng)障布置方案均能有效提高橋面行車安全臨界風(fēng)速， 且風(fēng)障布置方案4、6 效果稍好于風(fēng)障布置方案3、5。

(5)基于風(fēng)障對策研究成果，綜合考慮各個區(qū)段風(fēng)速分布情況，在風(fēng)速較大部分施加風(fēng)障后，制定了不同風(fēng)速下，大橋風(fēng)雨天通行管理措施。