不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下橋梁風(fēng)障阻風(fēng)性能試驗(yàn)

詹鎧臻， 林曉波， 楊亞林， 練江峰， 侯海濤， 劉功毫， 胡磊， 林立

(1. 廈門(mén)市公路事業(yè)發(fā)展中心， 福建 廈門(mén) 361000； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 3. 廈門(mén)理工學(xué)院風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程福建省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 福建 廈門(mén) 361024； 4. 廈門(mén)中平公路勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 福建 廈門(mén) 361000)

0 引言

21世紀(jì)世界橋梁工程的發(fā)展進(jìn)入了跨海連島時(shí)代[1]， 許多長(zhǎng)大跨海橋梁得以興建. 由于受到海洋氣候影響， 橋面經(jīng)常出現(xiàn)高速橫風(fēng)， 在大風(fēng)天氣， 橋梁的橋面?zhèn)蕊L(fēng)會(huì)使車(chē)輛偏移其正常行駛軌跡甚至導(dǎo)致車(chē)輛側(cè)翻， 對(duì)橋面行車(chē)安全造成嚴(yán)重的影響[2-5]. 為減少橋上橫風(fēng)對(duì)車(chē)輛的影響， 保證橋上行車(chē)安全， 目前， 國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁如港珠澳大橋、 青馬大橋、 杭州灣跨海大橋、 泉州灣跨海大橋、 寧波象山港大橋、 法國(guó)米約高架橋、 英國(guó)賽文二橋等均在橋面安裝風(fēng)障[6]. 橋梁擋風(fēng)障阻風(fēng)效率主要受高度與孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響[7-8]， 參數(shù)設(shè)置的合理與否， 不僅影響橋上行車(chē)的安全性和舒適性， 同時(shí)影響橋梁建設(shè)的投資成本. 許多學(xué)者同時(shí)也開(kāi)展了橋梁擋風(fēng)障對(duì)橋梁及車(chē)橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性研究[9-11]， 研究結(jié)果均表明， 設(shè)計(jì)合理的擋風(fēng)障， 可以改善橋梁風(fēng)環(huán)境， 提高行車(chē)安全標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速.

國(guó)內(nèi)外橋梁主要針對(duì)障條式擋風(fēng)障的障條形式等參數(shù)開(kāi)展擋風(fēng)障實(shí)際應(yīng)用與研究， 對(duì)其阻風(fēng)效率、 風(fēng)阻形式、 相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律的研究及比對(duì)工作較少. 本研究將采用風(fēng)洞模型流場(chǎng)測(cè)速試驗(yàn)的手段， 分析板挖圓孔及障條式擋風(fēng)障遮擋效率相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)及其影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)條件

圖1 XMUT-WT風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室全景圖

風(fēng)洞試驗(yàn)是全世界公認(rèn)的研究風(fēng)工程最有效的方法， 風(fēng)洞試驗(yàn)需要滿(mǎn)足模型與原型的幾何相似、 運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似[12]. 本次風(fēng)洞試驗(yàn)的環(huán)境如圖1所示， 試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭糜诘退僭囼?yàn)段， 低速試驗(yàn)段長(zhǎng)×寬×高為25 m × 6 m × 3.6 m.

影響流體運(yùn)動(dòng)的作用力主要是黏滯力、 重力等. 分別以符號(hào)T、G和I代表黏滯力、 重力和慣性力， 則有：

(1)

式中： 下標(biāo)p代表實(shí)際構(gòu)件； 下標(biāo)m代表模型.

由相似關(guān)系可以得到弗勞德準(zhǔn)則等相似準(zhǔn)則， 其表征慣性力(I)與重力(G)之比， 其中，

G=ρgl3;I=ρl2v2

(2)

式中：ρ為空氣密度(g·cm-3)；g為重力加速度(m·s-2)；l為物體特征長(zhǎng)度(m)；v為物體運(yùn)動(dòng)速度(m·s-1).

討論復(fù)合材料補(bǔ)片種類(lèi)的不同對(duì)修復(fù)效果的作用，分別采用硼/環(huán)氧樹(shù)脂、碳/環(huán)氧樹(shù)脂和玻璃纖維材料的補(bǔ)片對(duì)損傷結(jié)構(gòu)進(jìn)行再制造膠粘修復(fù)。圖7給出復(fù)合材料補(bǔ)片種類(lèi)對(duì)修復(fù)效果的作用，圖8所示為補(bǔ)片種類(lèi)作為變量時(shí)裂紋尖端半橢圓中心角α為0°和90°處對(duì)應(yīng)的修復(fù)效果。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到橋梁會(huì)對(duì)擋風(fēng)障的前后風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生一定的影響， 為使試驗(yàn)條件更加貼近實(shí)際情況， 將橋梁擋風(fēng)障放置于橋梁模型上進(jìn)行試驗(yàn). 試驗(yàn)段橋梁長(zhǎng)度為1.8 m， 截面采用箱梁形式. 為探究不同擋風(fēng)障在距迎風(fēng)面不同位置處車(chē)道的阻風(fēng)效率， 設(shè)置了3個(gè)車(chē)道. 此外， 橋梁模型幾何縮尺比的選擇考慮阻塞比[13]的影響， 阻塞比為：

(3)

式中：Ac為風(fēng)洞試驗(yàn)段的橫截面積(m2)；Am為試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谠囼?yàn)段橫截面的最大投影面積(m2).

考慮到試驗(yàn)?zāi)Ｐ头胖糜陲L(fēng)洞試驗(yàn)室迎風(fēng)面的空氣阻塞率為3%～5%， 本模型的橋梁箱梁和擋風(fēng)障模型的幾何縮尺比為1∶10， 擋風(fēng)障模型參數(shù)如表1所示.

表1 擋風(fēng)障模型主要參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中模型及傳感器安裝完成實(shí)景圖如圖2所示. 試驗(yàn)在風(fēng)速精度為±0.5 m·s-1， 型號(hào)為Series100 Cobra Probe 的TFI眼鏡蛇脈動(dòng)風(fēng)速儀上進(jìn)行， 測(cè)量橋面各車(chē)道中心線(xiàn)一定高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面. 設(shè)置采樣頻率為600 Hz, 各測(cè)點(diǎn)采樣時(shí)長(zhǎng)為60 s. 考慮到橋面行駛車(chē)輛寬度基本上不會(huì)超過(guò)4.5 m， 本次試驗(yàn)測(cè)量各個(gè)車(chē)道中心線(xiàn)(共3個(gè)車(chē)道)0～45 cm高度測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速， 以此獲得各車(chē)道上的風(fēng)速風(fēng)剖面. 各車(chē)道測(cè)點(diǎn)從2.5 cm高度開(kāi)始， 每隔2.5 cm設(shè)置一點(diǎn)， 共18個(gè)測(cè)點(diǎn). 測(cè)點(diǎn)分布及傳感器布置如圖3、 圖4所示.

圖2 眼鏡蛇脈動(dòng)風(fēng)速儀安裝實(shí)景圖

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖(單位: mm)

圖4 傳感器布置圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 平均風(fēng)速剖面圖

將不同風(fēng)速工況下各擋風(fēng)障后方， 3車(chē)道中心線(xiàn)上方各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速值連線(xiàn)， 得到0～45 cm高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面圖， 分析高度與孔隙率對(duì)擋風(fēng)障阻風(fēng)效率的影響規(guī)律.

1) 不同高度障條擋風(fēng)障阻風(fēng)性能分析. 裸橋及安裝不同高度障條式擋風(fēng)障后， 各車(chē)道上測(cè)得的平均風(fēng)速剖面圖如圖5所示. 由圖5可知， 擋風(fēng)障遮擋效率隨障條式擋風(fēng)障高度增加而增加， 不同來(lái)流風(fēng)速下， 不同高度方案后方風(fēng)速折減規(guī)律一致. 車(chē)道1處， 不同高度的障條擋風(fēng)障在其結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)有較好的阻風(fēng)效果， 當(dāng)測(cè)點(diǎn)高度大于結(jié)構(gòu)高度時(shí)， 其風(fēng)速迅速上升， 并分別在20.0、 22.5、 42.5 cm高度處與來(lái)流風(fēng)速接近， 其后高度存在加速效應(yīng). 各高度擋風(fēng)障在車(chē)道1離地面高度較低的車(chē)輛升力影響敏感區(qū)域即貼地層區(qū)域出現(xiàn)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速大于裸橋工況的現(xiàn)象， 與風(fēng)障頂部相比， 在貼層區(qū)域風(fēng)更難從風(fēng)障頂部位置繞流通過(guò)， 因此該位置擋風(fēng)障內(nèi)外風(fēng)壓比裸橋工況更大， 不利于車(chē)輛行駛穩(wěn)定性.

圖5 兩種風(fēng)速工況下不同高度障條擋風(fēng)障各車(chē)道平均風(fēng)速剖面圖

2) 不同孔隙率障條擋風(fēng)障阻風(fēng)性能分析. 裸橋及安裝不同孔隙率障條式擋風(fēng)障后， 各車(chē)道上測(cè)得的平均風(fēng)速剖面圖如圖6所示. 障條式擋風(fēng)障阻風(fēng)效率隨著孔隙率的減小而增加. 不同來(lái)流風(fēng)速下， 不同孔隙率擋風(fēng)障后方風(fēng)速折減規(guī)律相似. 由圖6(a)、 (b)、 (d)、 (e)可知， 孔隙率由60%降低為50%過(guò)程中， 擋風(fēng)障遮擋效果的改善程度明顯大于孔隙率由50%降低為40%的過(guò)程. 這表明當(dāng)擋風(fēng)障高度為定值時(shí)， 存在一個(gè)合理的孔隙率， 即孔隙率取為該值的擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果優(yōu)于孔隙率較大的擋風(fēng)障； 而與孔隙率值較小的擋風(fēng)障相比， 其阻風(fēng)效果在近地面較優(yōu)， 在一定高度范圍內(nèi)與小孔隙率擋風(fēng)障差別較小， 故其整體阻風(fēng)效果與小孔隙率擋風(fēng)障接近. 不同孔隙率的障條式擋風(fēng)障在車(chē)道1、 車(chē)道2貼近地面高度的遮擋效果較差.

圖6 兩種風(fēng)速工況下不同孔隙率障條擋風(fēng)障各車(chē)道平均風(fēng)速剖面圖

圖7 兩種風(fēng)速工況下不同高度板挖圓孔擋風(fēng)障各車(chē)道平均風(fēng)速剖面圖

4) 不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障阻風(fēng)性能分析. 裸橋及安裝不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障后， 各車(chē)道上測(cè)得的平均風(fēng)速剖面圖如圖8所示.

圖8 兩種風(fēng)速工況下不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障各車(chē)道平均風(fēng)速剖面圖

由圖8可見(jiàn)， 不同孔隙率擋風(fēng)障有效遮擋高度接近， 在車(chē)道1、 車(chē)道2、 車(chē)道3上分別為35、 40、 40 cm， 這表明板挖圓孔擋風(fēng)障對(duì)其后方各車(chē)道上整體遮擋效率隨著孔隙率減小而降低， 而其對(duì)擋風(fēng)障有效遮擋高度影響有限. 不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障方案對(duì)其后方各車(chē)道的遮擋效果隨著來(lái)流風(fēng)速增加并未發(fā)生明顯變化.

3.2 風(fēng)速折減系數(shù)

風(fēng)速折減系數(shù)是評(píng)價(jià)橋梁擋風(fēng)障阻風(fēng)效果的重要指標(biāo)， 能直觀(guān)對(duì)比不同擋風(fēng)障的阻風(fēng)效率， 從而發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)障高度、 孔隙率等參數(shù)對(duì)橋梁擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果的影響程度， 為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考. 通過(guò)每一工況下風(fēng)洞試驗(yàn)得到的各個(gè)車(chē)道中心線(xiàn)0～45 cm高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面圖， 根據(jù)矩形風(fēng)剖面和實(shí)際風(fēng)剖面壓力總和相等的等效原則， 得到不同擋風(fēng)障方案(包括無(wú)風(fēng)障工況)橋面各個(gè)車(chē)道的等效風(fēng)速. 將等效風(fēng)速無(wú)量綱后即可得到風(fēng)速折減系數(shù)， 各車(chē)道的風(fēng)速折減系數(shù)[17]可由下式計(jì)算.

(4)

式中：zr為橋梁風(fēng)剖面的實(shí)際高度范圍， 一般不超過(guò)4.5 m， 因此， 本文計(jì)算等效橋面風(fēng)速時(shí)， 取zr=4.5 m；u(z)為各個(gè)行車(chē)道在z高度處的橫向風(fēng)速值；u0為來(lái)流風(fēng)速.

通過(guò)式(4)可以評(píng)價(jià)不同橋梁擋風(fēng)障方案的阻風(fēng)效果. 風(fēng)速折減系數(shù)越小， 擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果越好.

1) 障條擋風(fēng)障不同高度、 孔隙率下阻風(fēng)性能分析. 不同高度、 孔隙率障條擋風(fēng)障3個(gè)車(chē)道的等效風(fēng)速折減系數(shù)對(duì)比圖如圖9所示. 障條擋風(fēng)障的風(fēng)速折減系數(shù)隨著擋風(fēng)障高度的增加而減小， 隨著孔隙率的減小而減小. 在車(chē)道1、 車(chē)道2上， 風(fēng)障高度從10 cm增加到20 cm， 對(duì)風(fēng)速折減系數(shù)產(chǎn)生的影響明顯小于風(fēng)障高度從20 cm增加到30 cm的值， 這可能是由于風(fēng)障頂部的上方高度存在加速區(qū)域， 在風(fēng)障高度較小時(shí)， 此區(qū)域或部分區(qū)域包含在風(fēng)速折減系數(shù)的計(jì)算區(qū)域內(nèi)， 使得風(fēng)速折減系數(shù)較大， 而隨著擋風(fēng)障高度的增加， 上述加速區(qū)域或部分區(qū)域超出計(jì)算范圍， 風(fēng)速折減系數(shù)隨之減小. 通過(guò)對(duì)比孔隙率由60%降低至50%及50%降低至40%的過(guò)程中， 除了車(chē)道1之外， 其余車(chē)道的風(fēng)速折減系數(shù)在前一過(guò)程的變化明顯大于后一過(guò)程. 這表明， 當(dāng)障條擋風(fēng)障距離車(chē)道一定距離后， 其孔隙率存在一個(gè)適宜值， 該孔隙率值的擋風(fēng)障與更小孔隙率值擋風(fēng)障阻風(fēng)效率接近. 擋風(fēng)障對(duì)3個(gè)車(chē)道的遮擋效率由高到低依次為： 車(chē)道3、 車(chē)道2、 車(chē)道1.

圖9 兩種風(fēng)速工況下障條方案各車(chē)道風(fēng)速折減系數(shù)對(duì)比圖

2) 板挖圓孔擋風(fēng)障不同高度、 孔隙率下阻風(fēng)性能分析. 不同高度、 孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障各車(chē)道的等效風(fēng)速折減系數(shù)對(duì)比圖如圖10所示. 板挖圓孔擋風(fēng)障的風(fēng)速折減系數(shù)隨著擋風(fēng)障高度增加而減小， 隨著孔隙率減小而減小. 在高度由10 cm增加至20 cm過(guò)程中， 風(fēng)速折減系數(shù)減小幅度小于高度由20 cm增加為30 cm過(guò)程中的值. 表明存在適宜高度， 當(dāng)擋風(fēng)障大于這一高度時(shí)， 擋風(fēng)障高度對(duì)提升阻風(fēng)效率作用有限. 在孔隙率由60%降低至40%的過(guò)程中， 各車(chē)道上的風(fēng)速折減系數(shù)與孔隙率呈現(xiàn)非線(xiàn)性關(guān)系， 尤其對(duì)于風(fēng)速折減系數(shù)較大的車(chē)道1與車(chē)道2， 風(fēng)速折減系數(shù)隨著孔隙率變化的速率在靠近40%的一端明顯加快. 這是由于板挖圓孔擋風(fēng)障在該的孔隙率在該取值段附近存在適宜孔隙率， 在擋風(fēng)障高度一定時(shí)， 采用該最優(yōu)孔隙率或更小值設(shè)計(jì)的擋風(fēng)障的遮擋效果接近. 通過(guò)對(duì)比不同車(chē)道的風(fēng)速折減系數(shù)， 發(fā)現(xiàn)隨著板挖圓孔擋風(fēng)障高度的增加， 其相鄰車(chē)道間的風(fēng)速折減系數(shù)差值變大. 擋風(fēng)障對(duì)3個(gè)車(chē)道的遮擋效率由高到低依次為： 車(chē)道3、 車(chē)道2、 車(chē)道1.

圖10 兩種風(fēng)速工況下圓孔方案各車(chē)道風(fēng)速折減系數(shù)對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

基于擋風(fēng)障模型流場(chǎng)測(cè)速試驗(yàn)結(jié)果， 分析板挖圓孔和障條式擋風(fēng)障遮擋效率相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)及其影響規(guī)律， 得到如下結(jié)論：

1) 安裝橋梁擋風(fēng)障后， 橋面附近區(qū)域的平均風(fēng)速隨來(lái)流風(fēng)速的增加而增加. 在不同風(fēng)速工況下， 跨海橋梁擋風(fēng)障后方的有效遮擋區(qū)域一致.

2) 安裝擋風(fēng)障后， 橋面風(fēng)速明顯降低， 阻風(fēng)效果最好為30 cm高、 40%孔隙率圓孔方案， 在車(chē)道2、 3上該方案風(fēng)速折減系數(shù)僅為裸橋工況17%～18%. 有效遮擋區(qū)域高度隨著擋風(fēng)障高度增加而增加， 區(qū)域內(nèi)風(fēng)速隨著擋風(fēng)障的孔隙率增加而變大.

3) 擋風(fēng)障在貼地層區(qū)域阻風(fēng)效率隨著高度增加而降低， 板挖圓孔擋風(fēng)障對(duì)貼地層遮擋效率高于障條式擋風(fēng)障. 障條式擋風(fēng)障在貼地層區(qū)域風(fēng)速較大， 尤其是車(chē)道1貼地層出現(xiàn)局部風(fēng)速加速現(xiàn)象， 甚至擴(kuò)大了貼地層加速現(xiàn)象的范圍影響到車(chē)道2.

4) 擋風(fēng)障對(duì)橋面三個(gè)車(chē)道的遮擋效率從高到低依次為： 車(chē)道3、 車(chē)道2、 車(chē)道1. 小孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障對(duì)車(chē)道1遮擋效率最高.