不同風(fēng)偏角對跨海大橋塔區(qū)風(fēng)環(huán)境及風(fēng)障屏蔽作用的影響研究

基于舟岱通道跨海長橋，通過1∶30剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到0°、10°與20°風(fēng)偏角下施工態(tài)、成橋態(tài)塔區(qū)橋面行車區(qū)間的風(fēng)速分布，并在成橋態(tài)基礎(chǔ)上設(shè)置風(fēng)屏障，研究了欄桿與風(fēng)屏障對塔區(qū)來流的屏蔽作用。試驗(yàn)結(jié)果表明欄桿并不能有效降低橋面來流風(fēng)速，而風(fēng)屏障在不同風(fēng)偏角下均能有效提高對橋面來流的屏蔽效果，且對于背風(fēng)側(cè)車道的屏蔽效果較迎風(fēng)側(cè)車道更好。

塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境； 大比例尺剛性模型； 欄桿； 風(fēng)屏障

U441.2A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-02-07

［作者簡介］趙文斌（1995—），男，碩士，主要研究方向?yàn)榇罂缍葮蛄嚎癸L(fēng)。

0" 引言

近年來，我國跨海大橋建造逐漸增多，已建成的有2007年杭州灣跨海大橋、2010年膠州灣跨海大橋、2017年港珠澳大橋等，還有在建的黃茅海大橋、六橫公路大橋等，見證了我國跨海大橋的發(fā)展。但由于海平面地勢開闊，跨海大橋橋面基準(zhǔn)高度較高，基本風(fēng)速較地面更大，尤其位于橋塔附近，橋塔繞流對同行車輛影響較大，導(dǎo)致其發(fā)生側(cè)偏、側(cè)滑、側(cè)翻等事故［1-3］，嚴(yán)重影響橋面行車的舒適性與安全性［4-6］。因此對塔區(qū)橋面行車區(qū)域風(fēng)環(huán)境的改善措施研究有重要意義。

目前關(guān)于橋塔對橋塔附近范圍內(nèi)來流風(fēng)速的影響已有部分研究。Charuvisit等［7］通過風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了車輛響應(yīng)模擬，并研究了風(fēng)障對車輛響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)障有效地減小了側(cè)加速度和偏航角加速度等響應(yīng)。Yu， Mengge等［8］利用車輛動態(tài)仿真軟件Simpack對車輛進(jìn)行建模，將同一車輛的非定常風(fēng)荷載應(yīng)用于車輛模型，研究車輛的動力響應(yīng)行為。Charuvisit等［9］ 在風(fēng)洞試驗(yàn)中利用比例模型考慮各種參數(shù)如風(fēng)速和風(fēng)向，車輛與橋塔的類型，討論并闡明了地面車輛在大側(cè)風(fēng)作用下通過橋塔尾流時的氣動力瞬態(tài)特性。Argentini等［10］采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法對1∶40比例模型的氣動載荷和表面壓力分布進(jìn)行了測量。塔附近的風(fēng)屏蔽產(chǎn)生了橫向力和傾覆力矩的變化。結(jié)果表明當(dāng)車輛處于塔的尾跡處時，氣動荷載會被放大。于立群等［11］以車輛不發(fā)生側(cè)滑為指標(biāo)，對比普通高速公路與跨海大橋的安全行車風(fēng)速，得出跨海大橋安全行車風(fēng)速較低的結(jié)論。鄭史雄等［12］利用CFD數(shù)值模擬計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比對，發(fā)現(xiàn)橋塔附近區(qū)域車輛阻力系數(shù)與力矩系數(shù)發(fā)生突變，且不同車道的響應(yīng)不同。曾加?xùn)|［13］利用風(fēng)洞試驗(yàn)確定了不同風(fēng)攻角與風(fēng)偏角下橋塔對橋面風(fēng)環(huán)境的影響范圍，橋塔附近區(qū)域的風(fēng)速較高，變化較其他區(qū)域更快。陳寧［14］建立了風(fēng)車橋耦合振動分析模型并通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究風(fēng)屏障的透風(fēng)率對車輛安全行駛風(fēng)速的影響。陳曉東［15］以西堠門大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^風(fēng)洞試驗(yàn)測量了橋塔附近橋面的風(fēng)速分布。盧曉偉等［16］基于舟岱大橋風(fēng)洞試驗(yàn)確定橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)達(dá)到6.6倍橋塔寬度，且研究了防撞欄桿對橋面風(fēng)速分布的影響。澣子龍等［17］研究了防撞欄桿對塔區(qū)橋面行車平均風(fēng)速與行車安全性的影響。魏恩來［18］利用數(shù)值風(fēng)洞模擬的方法分析橋塔的遮風(fēng)范圍，并研究了不同種類風(fēng)屏障對遮風(fēng)效應(yīng)的影響。艾輝林［19］、陳艾榮等［20］數(shù)值模擬橋梁裸梁、裸梁僅布置欄桿、設(shè)置風(fēng)屏障三種工況下橋塔附近橋面的風(fēng)速分布，表明風(fēng)屏障有利于降低塔區(qū)橋面的平均風(fēng)速。龐加斌等［21］分析杭州灣跨海大橋與蘇通長江公路大橋橋面行車安全性得出大跨度橋梁橋塔附近對行車安全的影響最為嚴(yán)重。李小珍等［22］通過滬通長江大橋風(fēng)洞試驗(yàn)，利用風(fēng)-車-線-橋耦合振動模型，分析橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)對列車安全的影響，結(jié)果表明橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)會嚴(yán)重影響移動列車的安全。葛光輝等［23］以甌江北口過江通道為算例，以快速譜分析模擬風(fēng)場，建立橋塔寬度與車輛長度之間的變量關(guān)系，得出橋塔寬度越大，對列車的影響越大的結(jié)論。黃斌等［24］以海壇海峽大橋?yàn)楣こ瘫尘?，測量了不同風(fēng)向角下不同風(fēng)屏障的風(fēng)剖面，得到風(fēng)屏障能有效改善跨海大橋風(fēng)環(huán)境的結(jié)論。李永樂等［25］采取數(shù)值模擬的方法對大跨度橋梁橋塔區(qū)域風(fēng)速分布進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明橋塔附近區(qū)域風(fēng)速突變明顯，影響行車安全性。

綜上，目前主要采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對跨海大橋橋塔遮風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行研究。之前的研究中已有考慮到風(fēng)屏障對塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的改善作用，然而對于帶有風(fēng)偏角來流工況下的研究較少。在不同風(fēng)偏角下，橋塔的繞流效應(yīng)與欄桿、風(fēng)屏障等措施的屏蔽效果會發(fā)生變化，從而引起塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的改變。因此需要對不同風(fēng)偏角下的塔區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的措施來降低塔區(qū)橋面風(fēng)速，用以保障橋梁在運(yùn)營期間的正常使用與行車安全性。

本文以舟岱通道大橋?yàn)楸尘?，通過1∶30大尺度剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)分別對施工態(tài)、成橋態(tài)、成橋態(tài)加風(fēng)屏障三種工況下不同風(fēng)偏角下的塔區(qū)橋面風(fēng)場分布進(jìn)行測量，研究欄桿與風(fēng)障對塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的改善作用，為后續(xù)跨海大橋塔區(qū)風(fēng)場環(huán)境研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1" 1∶30塔區(qū)風(fēng)場試驗(yàn)

1.1" 項(xiàng)目概況

舟岱通道大橋采用三塔雙索面鋼箱梁斜拉橋方案，全長1 630 m，橋塔高180 m，塔寬9 m，橋塔立面如圖1所示。

橋面為雙向四車道布置，主梁寬34 m，高3.5 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2。其中欄桿高度為1.5 m，所設(shè)置的風(fēng)屏障高度為2.365 m，放置于欄桿頂部，具體如圖3所示。

1.2" 試驗(yàn)設(shè)置

風(fēng)洞試驗(yàn)在XNJD-3風(fēng)洞（寬22.5 m，高4.5 m）中進(jìn)行，采用幾何縮尺比1∶30的模型，主梁長8.36 m（實(shí)橋區(qū)域250.8 m），高1.13 m。施工態(tài)與成橋態(tài)試驗(yàn)見圖4與圖5。

由于TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀相較于補(bǔ)償式微壓計(jì)測量精度更高，故本次研究采用TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀進(jìn)行風(fēng)速的測量。

各測點(diǎn)布置如圖6所示，豎直方向從0.96至7.68，每隔0.96 m設(shè)置一個測點(diǎn)（測點(diǎn)1～8），測量風(fēng)速剖面。

本次試驗(yàn)的來流風(fēng)速為7.5 m/s，在0°、10°、20°風(fēng)偏角下對橋梁施工態(tài)、成橋態(tài)（設(shè)置防撞欄桿無風(fēng)屏障）、設(shè)置風(fēng)屏障等工況進(jìn)行各測點(diǎn)風(fēng)速測量，從而獲得橋塔區(qū)域附近橋面的風(fēng)場數(shù)據(jù)。

工程結(jié)構(gòu)趙文斌， 王濤， 李強(qiáng)： 來流風(fēng)偏角對跨海大橋塔區(qū)風(fēng)環(huán)境及風(fēng)障屏蔽作用的影響研究

試驗(yàn)中每個工況中各點(diǎn)位的測試數(shù)據(jù)均為15 360個，為便于比較，根據(jù)側(cè)向氣動力等效原則等效橋面風(fēng)速見式（1）。

Ueff=1Zr∫Zr0U（Z）dz（1）

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

2" 各偏角下成橋態(tài)與施工態(tài)風(fēng)速分布規(guī)律研究

2.1" 0°風(fēng)偏角

本文研究了成橋狀態(tài)欄桿對塔區(qū)橋面來流風(fēng)速的影響。0°風(fēng)偏角下塔區(qū)橋面風(fēng)速分布云圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)橋面最大風(fēng)速處在距橋塔中心線24 m處，約為來流風(fēng)速的1.3倍，且施工態(tài)與成橋態(tài)的風(fēng)速分布區(qū)別不大。

施工態(tài)與成橋態(tài)各車道平均風(fēng)速見圖8，可看出1～4車道施工態(tài)與成橋態(tài)平均風(fēng)速變化不大，5、6車道成橋態(tài)風(fēng)速降低明顯，其中6車道成橋態(tài)最高風(fēng)速比施工態(tài)降低33.8%。

2.2" 10°風(fēng)偏角

為分析風(fēng)偏角對塔區(qū)橋面風(fēng)速的影響，本文設(shè)置了10°和20°風(fēng)偏角來研究風(fēng)偏角對成橋態(tài)與施工態(tài)塔區(qū)橋面風(fēng)速的影響規(guī)律。10°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與施工態(tài)塔區(qū)橋面風(fēng)速分布云圖如圖9所示。根據(jù)風(fēng)速分布云圖可以看出在遠(yuǎn)離橋塔（60～100 m）的背風(fēng)側(cè)區(qū)域成橋態(tài)平均風(fēng)速要小于施工態(tài)，其余區(qū)域區(qū)別不大。10°風(fēng)偏角下施工態(tài)與成橋態(tài)各車道的平均風(fēng)速如圖10所示?？梢钥闯鲈?0°偏角時1～4道距橋塔中心0～48 m區(qū)域內(nèi)施工態(tài)的平均風(fēng)速要低于成橋態(tài)，5道6道在36 m以外區(qū)域成橋態(tài)平均風(fēng)速低于施工態(tài)。2車道平均風(fēng)速升高23%，6車道平均風(fēng)速降低22.5%。說明在10°偏角下欄桿對于塔區(qū)來流并不全是有利作用，對于1～4車道是不利作用。

2.3" 20°風(fēng)偏角

20°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與施工態(tài)塔區(qū)橋面風(fēng)速分布云圖見圖11。20°風(fēng)偏角下施工態(tài)與成橋態(tài)各車道的平均風(fēng)速見圖12。20°與10°偏角的風(fēng)速分布規(guī)律相同，欄桿均是對遠(yuǎn)離橋塔的背風(fēng)側(cè)起有利作用，對靠近橋塔區(qū)域起不利作用。20°風(fēng)偏角下成橋態(tài)各車道平均風(fēng)速比施工都提高，表現(xiàn)在1～4車道靠近橋塔區(qū)域（0～36 m），5、6車道遠(yuǎn)離橋塔區(qū)域（36～108 m）內(nèi)。1-4車道最高風(fēng)速平均提升64.8%，6道影響較5道顯著，成橋態(tài)風(fēng)速比施工態(tài)提高42.6%。

3" 各風(fēng)偏角下風(fēng)屏障對來流屏蔽效應(yīng)研究

3.1" 0°風(fēng)偏角

研究表明，設(shè)置風(fēng)屏障可以降低橋面風(fēng)速，本文通過設(shè)置風(fēng)屏障來研究各偏角下風(fēng)屏障對塔區(qū)來流風(fēng)速的影響。設(shè)置風(fēng)屏障后0°風(fēng)偏角塔區(qū)橋面的風(fēng)速分布云圖如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)，在相同風(fēng)速（7.5 m/s）來流下，相比原成橋態(tài)與施工態(tài)，橋面風(fēng)速明顯降低。

為了量化風(fēng)屏障對橋面各處風(fēng)速的降低作用，將成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后各車道的平均風(fēng)速進(jìn)行對比，具體見圖14，可發(fā)現(xiàn)較迎風(fēng)側(cè)的1～3車道，背風(fēng)側(cè)4～6車道在設(shè)置風(fēng)屏障后平均風(fēng)速明顯降低。其中4車道風(fēng)速降低效果最好，最高風(fēng)速降低達(dá)到48.7%，1車道的降幅最小，只有2.3%。

圖15列舉了距橋塔24.2 m處0°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后距橋塔24.2 m處各車道沿高度變化的風(fēng)速分布，無風(fēng)屏障橋面平均風(fēng)速沿高度變化較小，除6車道外，其余風(fēng)速均高于來流風(fēng)速。設(shè)置風(fēng)屏障后，4、5、6車道的橋面風(fēng)速大幅下降，且所有車道在6 m以內(nèi)風(fēng)速隨著高度的增高而上升。車道4的風(fēng)速降幅最大，平均降幅達(dá)到62%，車道一風(fēng)速幾乎無影響，僅下降1%。

表1可知0°風(fēng)偏角下距橋塔24.2 m處成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后沿高度方向的等效風(fēng)速變化率。風(fēng)屏障對背風(fēng)側(cè)4～6車道的改善效果比迎風(fēng)側(cè)更明顯。在0～3.84 m高度范圍各車道屏蔽效果最好；隨著高度增加，屏蔽效果逐漸降低，對迎風(fēng)側(cè)車道影響甚微，但對背風(fēng)側(cè)3車道屏蔽效果顯著。

3.2" 10°風(fēng)偏角

在10°風(fēng)偏角下欄桿對塔區(qū)來流風(fēng)速有不利作用，本文通過對10°風(fēng)偏角下設(shè)置風(fēng)屏障前后橋面的平均風(fēng)速進(jìn)行對比，研究10°風(fēng)偏角下風(fēng)屏障對塔區(qū)風(fēng)環(huán)境影響（圖16）。

10°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，風(fēng)屏障對各車道均有不同的屏蔽效果，具體表現(xiàn)為對1道平均風(fēng)速降低較少，對2道、3道靠近橋塔側(cè)區(qū)域內(nèi)有顯著屏蔽效果，24.2 m處3道降低約69.2%（5.91 m/s）；背風(fēng)側(cè)車道（4～6道）平均風(fēng)速降低明顯，其中4道降低最為顯著，最高風(fēng)速降了63.2%（5.44 m/s）。

對比成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后10°風(fēng)偏角下距離橋塔中心線24.2 m處各車道豎向風(fēng)速分布，添加風(fēng)屏障之后，背風(fēng)側(cè)4～6車道風(fēng)速顯著降低，迎風(fēng)側(cè)1～3車道在3.84 m高度以下風(fēng)速有明顯降低。3.84 m高度以上車道四風(fēng)速受風(fēng)屏障影響最大，平均降低了40.7%。

10°風(fēng)偏角下，設(shè)置風(fēng)屏障后在0～3.84 m高度以內(nèi)迎風(fēng)側(cè)車道風(fēng)速有明顯降低，在3.84 m高度以上背風(fēng)側(cè)車道風(fēng)速屏蔽效果明顯，但對0～3.84 m以內(nèi)對背風(fēng)側(cè)車道平均風(fēng)速有所提高（表2）。

3.3" 20°風(fēng)偏角

20°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后橋面風(fēng)速分布見圖18，同10°風(fēng)偏角一樣，20°風(fēng)偏角下也是4道風(fēng)速降低最顯著，最高風(fēng)速降幅達(dá)65.7%；對1～3車道的屏蔽效果較弱，2車道平均風(fēng)速降低15.7%，對4～6車道有明顯屏蔽作用。

成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后20°風(fēng)偏角下距離橋塔中心線24.2 m處各車道的豎向風(fēng)速分布如圖19所示，設(shè)置風(fēng)屏障后，各車道風(fēng)速均有影響。其中，迎風(fēng)側(cè)1～3車道平均風(fēng)速顯著降低，背風(fēng)側(cè)4～6車道的在橋面高度3.84 m以上平均風(fēng)速降低較為顯著，而在0～3.84 m高度范圍內(nèi)變化較小。3.84 m以上高風(fēng)速區(qū)間車道4的風(fēng)速降低最為顯著，平均降低了70.28%（表3）。

4" 結(jié)論

綜上，結(jié)論：

（1）在0°、10°、20°風(fēng)偏角下，成橋態(tài)僅對背風(fēng)側(cè)兩車道平均風(fēng)速有明顯降低作用。在其余車道距橋塔中心0～48 m區(qū)域內(nèi)，成橋態(tài)平均風(fēng)速要明顯高于施工態(tài)，欄桿起對屏蔽來流風(fēng)速不利作用。

（2）各風(fēng)偏角下，設(shè)置風(fēng)屏障對所有車道來流均有明顯的屏蔽效果。其中，背風(fēng)側(cè)三車道平均風(fēng)速降低最為顯著。對迎風(fēng)側(cè)三車道在靠近橋塔區(qū)域0～48 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速大幅降低，48m以外區(qū)域屏蔽效果較弱。

（3）在0°風(fēng)偏角下，風(fēng)屏障對背風(fēng)側(cè)三車道豎向風(fēng)速分布降低效果明顯，車道4豎向風(fēng)速降幅最大。在10°、20°風(fēng)偏角下，迎風(fēng)側(cè)三車道在0～3.88 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速降低較為明顯；在3.84 m以上高度范圍內(nèi)背風(fēng)側(cè)三車道屏蔽效果較迎風(fēng)側(cè)顯著。

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