基于大比例尺風(fēng)洞試驗(yàn)的塔區(qū)橋面風(fēng)速抑制措施研究

蒲詩雨 陳晨 李強(qiáng)

跨海大橋的塔區(qū)風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致此區(qū)域行車安全性問題非常突出，研究塔區(qū)橋面的風(fēng)速分布規(guī)律和塔區(qū)風(fēng)環(huán)境的改善措施具有重要意義。以某特大跨海斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過1∶30大比例尺主梁-橋塔節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)測試了塔區(qū)橋面行車區(qū)間的側(cè)向平均風(fēng)速分布。試驗(yàn)結(jié)果表明：橋塔的存在一方面使塔柱正后方出現(xiàn)遮風(fēng)效應(yīng)，橋塔中心線處風(fēng)速僅為來流風(fēng)速的0.1倍；另一方面使來流繞塔柱分流，在靠近橋塔兩側(cè)出現(xiàn)風(fēng)速加速區(qū)，風(fēng)速在距離橋塔中心線3倍橋塔寬度處達(dá)到峰值（1.3倍來流風(fēng)速）。為了減小該風(fēng)速變化對行車安全的影響，測試了防撞欄桿與風(fēng)障對來流風(fēng)速的屏蔽作用，試驗(yàn)結(jié)果表明：安裝防撞欄桿和風(fēng)障均能使塔區(qū)風(fēng)速變化更加平緩，但沿橫橋向與橋面高度方向，防撞欄桿+風(fēng)障對來流風(fēng)速的屏蔽作用與屏蔽范圍均顯著優(yōu)于防撞欄桿。安裝防撞欄桿和風(fēng)障可大幅度提高塔區(qū)處的行車安全性。

塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境； 風(fēng)洞試驗(yàn)； 大尺度節(jié)段模型； 風(fēng)障

U441+.2 A

［定稿日期］2021-12-21

［基金項(xiàng)目］國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：51678508、51778547）

［作者簡介］蒲詩雨（1998—），女，碩士，研究方向?yàn)闃蛄嚎癸L(fēng)；陳晨（1998—），女，碩士，研究方向?yàn)闃蛄嚎癸L(fēng)；李強(qiáng)（1998—），男，碩士，研究方向?yàn)闃蛄嚎癸L(fēng)。

跨海大橋的橋位處地勢開闊，橋面高程高，因此與大陸橋梁相比，其橋面高度處常遇風(fēng)速更大。由于橋塔繞流影響，車輛在跨海大橋橋面行駛過程中，當(dāng)通過一個(gè)橋塔區(qū)域時(shí)，要經(jīng)歷一次風(fēng)荷載劇烈減小和一次風(fēng)荷載劇烈增大的變化過程，從而發(fā)生側(cè)傾、側(cè)滑和側(cè)偏量過大問題，這將嚴(yán)重影響行車的安全性和舒適性［1-5］。風(fēng)致行車安全事故不僅會引發(fā)交通堵塞，還會造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，因而近年來越來越多的專家學(xué)者開始關(guān)注此類問題［6-8］。研究強(qiáng)風(fēng)作用下的塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境改善措施對跨海大橋行車安全性具有重要意義［9-11］。

目前已有少部分國內(nèi)外專家學(xué)者對橋塔遮風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行了研究。Charuvist等［12-13］將多種車型和多種橋塔形式組合，在不同風(fēng)速和風(fēng)向條件下進(jìn)行縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，總結(jié)了強(qiáng)風(fēng)作用下車輛通過塔區(qū)的空氣動力特征。Argentini等［14］通過實(shí)驗(yàn)測試了車輛經(jīng)過塔區(qū)時(shí)的表面壓力變化情況，研究發(fā)現(xiàn)橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)會使車輛的氣動力參數(shù)發(fā)生復(fù)雜變化。Kwon等［15］基于CarSim和TruckSim軟件計(jì)算結(jié)果提出了評估車禍臨界風(fēng)速的方法——車輛事故指數(shù)，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)風(fēng)障能有效降低來流風(fēng)速。Kozmar［16］利用粒子圖像測速（PIV）技術(shù)和皮托管進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了高架橋上風(fēng)柵的防護(hù)效果，并發(fā)現(xiàn)風(fēng)垂直入射角的改變會引發(fā)風(fēng)障后風(fēng)力不穩(wěn)定現(xiàn)象，而風(fēng)水平入射角的改變對風(fēng)障后流場特性的影響不明顯。陳艾榮等［17-18］以杭州灣跨海大橋?yàn)檠芯繉ο筮\(yùn)用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)，總結(jié)了塔區(qū)風(fēng)環(huán)境分布特征。龐加斌等［8］ 結(jié)合橋位風(fēng)速觀測資料建立了橋面行車高度等效風(fēng)速概率模型，并提出了行車安全的概率評估方法。于群力等［19］運(yùn)用數(shù)值分析方法對車橋模型進(jìn)行了流場分析。陳曉東［20］采用電子壓力掃描閥和測壓耙對西堠門大橋塔區(qū)模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，通過分析不同工況下塔區(qū)風(fēng)環(huán)境以實(shí)現(xiàn)風(fēng)障的優(yōu)化設(shè)計(jì)。曾加冬［21］對嘉紹大橋運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)CFD方法模擬了塔區(qū)繞流流場的三維分布，并通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出橋面行車風(fēng)環(huán)境的分布規(guī)律。李永樂等［22-24］采用CFD方法對大跨度懸索橋塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了仿真分析，并研究發(fā)現(xiàn)防撞護(hù)欄有利于車輛的行車安全。鄭史雄等［25］利用CFD數(shù)值模擬計(jì)算分析了滬通長江大橋主航道橋的塔區(qū)流場分布，并通過大尺度階段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了列車經(jīng)過橋塔區(qū)域過程中的氣動參數(shù)變化。

目前對于塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的研究主要有2種方法：風(fēng)洞試驗(yàn)方法和CFD數(shù)值計(jì)算方法。風(fēng)洞試驗(yàn)方法周期長、花銷大，且需要精密復(fù)雜的設(shè)備儀器。目前已經(jīng)開展過的塔區(qū)風(fēng)環(huán)境測試實(shí)驗(yàn)，如嘉紹大橋塔區(qū)模型風(fēng)洞試驗(yàn)、西堠門大橋塔區(qū)模型風(fēng)洞試驗(yàn)等，均采用皮托管或補(bǔ)償式微壓計(jì)標(biāo)定橋面風(fēng)場，此類儀器在橋塔遮擋處的風(fēng)速測量誤差較大。因此，目前專家學(xué)者多采用CFD數(shù)值計(jì)算方法研究橋面風(fēng)場［26-29］。但是在CFD分析過程中需要運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式對湍流的計(jì)算進(jìn)行修正和補(bǔ)充，這極大地限制了數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性。

為提高研究精度，此次塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境測試風(fēng)洞試驗(yàn)采用TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀。與皮托管和補(bǔ)償式微壓計(jì)相比，這種儀器的風(fēng)速參考點(diǎn)置于儀器內(nèi)部，風(fēng)速測量誤差更小。此次測試試驗(yàn)采用大尺寸模型且在西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞（寬22.5 m，高4.5 m）中完成，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘L(fēng)洞阻塞度僅為2.31%，有效地減小了風(fēng)洞試驗(yàn)的阻塞效應(yīng)，進(jìn)一步提高了實(shí)驗(yàn)精度。本文以某特大三塔單箱梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，分別測試了施工態(tài)、成橋態(tài)、加風(fēng)障成橋態(tài)3種工況的塔區(qū)橋面行車區(qū)間側(cè)向風(fēng)速分布，對比分析了防撞護(hù)欄和風(fēng)障對塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的屏蔽效果。

1 塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 項(xiàng)目概況

某跨海大橋?yàn)槿p索面鋼箱梁斜拉橋，主跨550 m，全長1 630 m，橋面寬34 m（雙向4車道），鋼箱梁高3.5 m。該橋?yàn)殂@石型橋塔，塔高180 m。主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面、橋塔立面如圖1所示，外側(cè)防撞護(hù)欄和內(nèi)側(cè)防撞護(hù)欄構(gòu)造分別如圖2、圖3所示，風(fēng)障構(gòu)造如圖4所示。

1.2 大尺度節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)的目的是研究橋塔繞流對橋面風(fēng)環(huán)境的影響，基于實(shí)驗(yàn)測得的塔區(qū)風(fēng)環(huán)境分布特征，為塔區(qū)的行車安全提供有用的建議。

某特大跨海斜拉橋橋面行車風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)采用1∶30大尺度主梁—橋塔節(jié)段模型進(jìn)行測試，風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。此大尺度局部剛性節(jié)段模型模擬了塔區(qū)范圍內(nèi)的加勁梁和橋塔，模擬的實(shí)橋區(qū)域長為250.8 m，橋塔迎風(fēng)面寬度為9 m。

將塔區(qū)測試節(jié)段放置于均勻流風(fēng)場中，測量距離橋塔中心線不同位置處、沿橋面橫向行車區(qū)間不同位置處的風(fēng)速。

本次實(shí)驗(yàn)采用的是精度較高的測試儀器——TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀。在試驗(yàn)時(shí)，保持風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)穩(wěn)轉(zhuǎn)速情況下，通過改變TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀在橋面上的位置，測出塔區(qū)橋面各測點(diǎn)不同高度處的風(fēng)速。

本次實(shí)驗(yàn)的風(fēng)速定為7.5 m/s，風(fēng)偏角和風(fēng)攻角均為0°，分別測試了施工態(tài)（裸梁）、成橋態(tài)（有防撞護(hù)欄無風(fēng)障）、加風(fēng)障成橋態(tài)（有防撞護(hù)欄有風(fēng)障）3種不同工況下的風(fēng)速分布。3種工況的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)如圖6～圖8所示。每種工況下測點(diǎn)的布置情況如圖9、圖10所示。雙向4條行車道從橋塔中心算起共設(shè)有6×8=48個(gè)測點(diǎn)。編號和對應(yīng)的實(shí)橋坐標(biāo)位置分別為：

橫橋向：

上游（車道1：Y=-7.374 m，車道2：Y=-5.499 m，車道3：Y =-3.624 m）

下游（車道4：Y = 3.624 m，車道5：Y = 5.499 m，車道6：Y = 7.374 m）

縱橋向：

S道：X=0 m???? A道：X =12.099 m

B道：X =24.198 mC道：X =36.297 m

D道：X =48.396 mE道：X =60.495 m

F道：X =96.897 mG道：X =108.996 m

在每個(gè)測點(diǎn)上測量風(fēng)速剖面，共設(shè)8個(gè)點(diǎn)，高度范圍從0.96～7.68 m，高度坐標(biāo)分別為0.96 m、1.92 m、2.88 m、3.84 m、4.8 m、5.76 m、6.72 m、7.68 m。

試驗(yàn)中每個(gè)工況中各點(diǎn)位的測試數(shù)據(jù)均為15 360個(gè)，為便于比較，根據(jù)側(cè)向氣動力等效原則定義等效橋面風(fēng)速如式（1）所示：

Ueff=1Zr∫Zr0U（Z）dz（1）

式中：Zr表示汽車所處的高度范圍，取Zr=3.5 m；Ueff為等效橋面風(fēng)速；U（Z）表示橋面不同高度處的側(cè)向來流風(fēng)速。

2 塔區(qū)橋面風(fēng)速分布規(guī)律

在均勻來流風(fēng)速為7.5 m/s、0°風(fēng)攻角、0°風(fēng)偏角的條件下，討論施工態(tài)（裸梁）、成橋態(tài)（有防撞護(hù)欄無風(fēng)障）、加風(fēng)障成橋態(tài)（有防撞護(hù)欄有風(fēng)障）3種不同工況下塔區(qū)風(fēng)速分布特點(diǎn)。

由圖11～圖13可知，在3種工況下，塔區(qū)風(fēng)環(huán)境均表現(xiàn)出明顯的空間分布特點(diǎn)。如圖14所示，在縱橋方向上，塔柱對來流風(fēng)速有極強(qiáng)的屏蔽效果，橋塔處的橋面風(fēng)速極低，大約在1 m/s；而沿著遠(yuǎn)離橋塔的方向，橋面風(fēng)速會急劇上升，在距離橋塔中心線27 m（3倍橋塔寬度）附近處達(dá)到峰值，數(shù)值為來流風(fēng)速的1.3倍；之后繼續(xù)沿著遠(yuǎn)離橋塔的方向，橋面風(fēng)速會緩慢降低并趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)闃蛩拇嬖谝环矫媸顾蠓匠霈F(xiàn)遮風(fēng)效應(yīng)，風(fēng)速較低；另一方面使來流繞塔柱分流，氣流互相擠壓，在靠近橋塔兩側(cè)出現(xiàn)風(fēng)速加速區(qū)。塔柱的屏蔽效果在縱橋方向上存在一定的影響范圍。這個(gè)影響范圍主要集中在橋塔中心線兩側(cè)各45 m（5倍橋塔寬度）范圍內(nèi)，在63 m（7倍橋塔寬度）位置處可以忽略橋塔對來流風(fēng)速的影響。安裝防撞護(hù)欄和風(fēng)障對塔柱遮風(fēng)效應(yīng)的影響范圍幾乎沒有影響。

如圖15～圖17所示，在橫橋方向上，橋面風(fēng)速在4車道達(dá)到最大，在迎風(fēng)側(cè)1車道達(dá)到最小。安裝防撞護(hù)欄和風(fēng)障對橫橋向風(fēng)速分布影響很大。在高度方向上，裸梁施工態(tài)的塔區(qū)風(fēng)速分布與高度幾乎無關(guān)；安裝防撞護(hù)欄和風(fēng)障后，靠近橋面處風(fēng)速顯著降低，隨著高度上升，風(fēng)速逐漸增加并趨于穩(wěn)定。

3 防撞護(hù)欄、風(fēng)障的屏蔽效果分析

基于施工態(tài)（裸梁）、成橋態(tài)（有防撞護(hù)欄無風(fēng)障）、加風(fēng)障成橋態(tài)（有防撞護(hù)欄有風(fēng)障）3種情況下的橋面等效風(fēng)速，計(jì)算來流風(fēng)速的變化率，以比較防撞欄桿和風(fēng)障對來流的屏蔽效果。

由于F點(diǎn)與G點(diǎn)超出橋塔遮風(fēng)效應(yīng)的影響范圍，流場相對穩(wěn)定，測量精度較高，可作為屏蔽效果的評價(jià)數(shù)據(jù)點(diǎn)。在這里引用等效平均風(fēng)速來描述橋面風(fēng)速，設(shè)各車道等效平均風(fēng)速如式2所示：

等效平均風(fēng)速=（F點(diǎn)等效風(fēng)速+G點(diǎn)等效風(fēng)速）2（2）

防撞護(hù)欄、風(fēng)障的降低風(fēng)速效果用風(fēng)速變化率來考慮。風(fēng)速變化率定義為當(dāng)前措施的等效平均風(fēng)速減去未安裝該措施的等效平均風(fēng)速之后再除以后者。負(fù)號表示對風(fēng)速有抑制作用，正號表示對風(fēng)速有激勵(lì)作用。

由圖14可知，防撞護(hù)欄和風(fēng)障對來流風(fēng)速有明顯的抑制效果。與施工態(tài)相比，防撞欄桿能將迎風(fēng)側(cè)1車道等效平均風(fēng)速降低62%左右，將背風(fēng)側(cè)6車道處等效平均風(fēng)速降低23%左右。與只安裝防撞欄桿相比，風(fēng)障能將迎風(fēng)側(cè)1車道等效平均風(fēng)速降低36%左右，將背風(fēng)側(cè)6車道處等效平均風(fēng)速提升5%左右。風(fēng)障雖略微提高了成橋態(tài)背風(fēng)側(cè)6車道的等效平均風(fēng)速，但大大降低了1車道～5車道的等效平均風(fēng)速，因此風(fēng)障對橋面來流風(fēng)速有較好的抑制作用。相較于施工態(tài)（裸梁）斷面，安裝防撞護(hù)欄和風(fēng)障情況后橋面各車道等效平均風(fēng)速變化率如表1所示。由圖15～圖17可知，防撞護(hù)欄主要對迎風(fēng)側(cè)1車道、2車道來流風(fēng)速有較強(qiáng)抑制作用，風(fēng)障主對迎風(fēng)側(cè)1～4車道的來流風(fēng)速均有較強(qiáng)抑制作用。風(fēng)障在橫橋向的抑制范圍更廣。

由圖14可知，在縱橋方向上，設(shè)置防撞欄桿和風(fēng)障不僅能夠降低橋面等效風(fēng)速，同時(shí)能夠顯著降低橋面峰值風(fēng)速，使橋塔兩側(cè)風(fēng)速加速區(qū)的風(fēng)速變化梯度減小，這將導(dǎo)致車輛在橋面行駛的橫向偏移量變小，避免與相鄰車道的車輛發(fā)生事故。

對比圖18、圖19可知，在防撞欄桿高度（1.5 m）以下的距離橋面0.96 m高度處，沿縱橋向全長，防撞欄桿均對來流風(fēng)速有顯著的抑制效果，與無防撞欄桿0.96 m高度處平均風(fēng)速相比，有防撞欄桿0.96 m高度處平均風(fēng)速降低了79%。在距離橋面1.92 m高度處，雖然已經(jīng)超過護(hù)欄的高度，但防撞欄桿對來流風(fēng)速的抑制效果仍然很明顯。隨著高度上升，防撞欄桿的抑制效果逐漸減弱，為無防撞欄桿7.68 m高度處平均風(fēng)速相比，有防撞欄桿7.68 m高度處平均風(fēng)速降低了23%。安裝防撞欄桿情況下沿高度方向的平均風(fēng)速變化率如表2所示。

對比圖19、圖20可知，在防撞欄桿+風(fēng)障高度（1.5 m+2.365 m=3.865 m）以下的距離橋面0.96 m、1.92 m、2.88 m、3.84 m高度處，沿縱橋向全長，風(fēng)障均對來流風(fēng)速有明顯的抑制效果，與無風(fēng)障0.96 m高度處平均風(fēng)速相比，有風(fēng)障0.96 m高度處平均風(fēng)速降低了38%。在距離橋面4.8 m高度處，雖然已經(jīng)超過風(fēng)障的高度，但防撞欄桿對來流風(fēng)速的抑制效果仍然很明顯。隨著高度上升，風(fēng)障的抑制效果變化不大，有風(fēng)障7.68 m高度處平均風(fēng)速大約為無風(fēng)障7.68 m高度處平均風(fēng)速的37%。安裝風(fēng)障情況下沿高度方向的平均風(fēng)速變化率如表2所示。

綜上所述，防撞欄桿和風(fēng)障對來流風(fēng)速具有顯著的屏蔽效果。在橫橋向上，防撞護(hù)欄主要對迎風(fēng)側(cè)1車道、2車道來流風(fēng)速有較強(qiáng)抑制作用，風(fēng)障主對迎風(fēng)側(cè)1車道、2車道、3車道、4車道來流風(fēng)速有較強(qiáng)抑制作用。在縱橋向上，施工態(tài)等效風(fēng)速>成橋態(tài)等效風(fēng)速>加風(fēng)障成橋態(tài)等效風(fēng)速；施工態(tài)風(fēng)速變化梯度>成橋態(tài)風(fēng)速變化梯度>加風(fēng)障成橋態(tài)風(fēng)速變化梯度。在高度方向上，防撞護(hù)欄在欄桿高度以下有顯著的抑制效果，防撞欄桿的抑制效果隨著高度上升逐漸減弱；在防撞護(hù)欄上安裝風(fēng)障后，對來流風(fēng)速的抑制效果更加明顯，且風(fēng)障的抑制效果隨著高度上升變化不大。

4 結(jié)論

經(jīng)過塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了塔區(qū)風(fēng)速分布規(guī)律，分析了防撞護(hù)欄、風(fēng)障的屏蔽效果，可得出幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）塔區(qū)風(fēng)環(huán)境均表現(xiàn)出明顯的空間分布特點(diǎn)。在縱橋方向上，橋塔的存在一方面使塔柱正后方出現(xiàn)遮風(fēng)效應(yīng)，風(fēng)速較低；另一方面使來流繞塔柱分流，在靠近橋塔兩側(cè)出現(xiàn)風(fēng)速加速區(qū)，在距離橋塔中心線3倍橋塔寬度處達(dá)到峰值，數(shù)值為來流風(fēng)速的1.3倍。在橫橋方向上，橋面風(fēng)速在4車道達(dá)到最大，在迎風(fēng)側(cè)1車道達(dá)到最小。在高度方向上，針對不同橋面設(shè)施布置情況（裸梁施工態(tài)，防撞欄桿成橋態(tài)，防撞欄桿+風(fēng)障成橋態(tài)），風(fēng)速分布差異較大。

（2）防撞欄桿和風(fēng)障對來流風(fēng)速均具有顯著的屏蔽效果。與施工態(tài)相比，防撞欄桿能將迎風(fēng)側(cè)1車道等效平均風(fēng)速降低62%；與只安裝防撞欄桿相比，風(fēng)障能將迎風(fēng)側(cè)1車道等效平均風(fēng)速降低36%。

（3）相較于僅安裝防撞欄桿，沿橫橋向，設(shè)置風(fēng)障后來流風(fēng)速的屏蔽區(qū)域明顯增大，橋面風(fēng)速顯著降低區(qū)域由1～2車道擴(kuò)大至1～4車道，沿橋面高度方向，風(fēng)障的設(shè)置顯著提高了屏蔽來流風(fēng)速的高度范圍，且對超過風(fēng)障高度（3.865 m）40%處的橋面風(fēng)速仍具有顯著的抑制效果。

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