力洋港大桥桥面行车风环境风洞试验研究

周玉娟，陈方东，沈旭东，郭震山

（1.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江 宁波 315000；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；3.同济大学，上海市 200092）

力洋港大桥桥面行车风环境风洞试验研究

周玉娟1，陈方东2，沈旭东2，郭震山3

（1.宁波市高等级公路建设指挥部，浙江 宁波 315000；2.浙江省交通规划设计研究院，浙江 杭州 310006；3.同济大学，上海市 200092）

通过风洞试验研究了在设置防撞栏和风障两种情况下力洋港大桥桥面风速分布情况。试验结果表明，在设置了风障后，消除了桥面2～4.5 m高度范围内桥面高风速区，有效降低了桥面侧向风速，使得大桥桥面具有了比其接线高速公路更为优良的侧风行车安全性。

桥面行车风环境；防撞栏，风障；风洞试验；桥面等效风速；侧风折减系数

0 引言

我国东南部沿海地区经常受到台风侵袭，东南沿海高速公路中跨越江海等的大跨度桥梁经常会因为桥面风速过大而封闭交通，与此同时，整条高速公路其它路段由于路面风速并未达到封闭交通的标准而可以继续通行。这样，高速公路中的大跨度桥梁就成为整条高速公路通行的瓶颈。本文以甬台温高速复线工程中力洋港大桥为工程背景，研究了大桥桥面风速与其引线高速公路风速的关系，确定了桥面所需的减风效果系数，并通过风洞试验方法对增加风障前后的桥面减风效果进行了测试，验证了选定风障的减风效果。研究结果表明，通过在桥面的合适位置增加适当高度、透风率的风障可以明显改善大跨度桥梁表面的行车风环境、降低桥面侧风风速，使之达到与其接线高速公路相同的大风天气通行能力。

1 工程概况

力洋港大桥是浙江省甬台温高速复线三门湾大桥及接线工程中的控制工程，跨越宁波地区的三门湾海域。主桥方案为主跨120 m的四跨连续梁双薄壁连续刚构桥，跨径布置为70 m+120 m+ 120 m+70 m=380 m。主桥纵向对称轴处主梁设计标高为37.6 m，见图1。主梁由两幅对称箱梁构成，每幅主梁宽度16.25 m，两幅主梁间距0.5 m，全宽33.0 m；每幅主梁均采用变高度设计，三个薄壁墩顶主梁高度为7.5 m，120 m跨跨中截面高度和70 m跨过渡墩截面高度均为3.2 m，见图2。

每幅主梁上设3车道，共6车道，主梁最外侧布置两条紧急停车带。紧急停车带宽度3 m，车道宽度为3.75 m。车道具体位置及布置情况见图2，紧急停车带和车道序号都是自来风方向开始。桥面系设计有两种方式：

（1）不设风障布置，在两幅主梁的两侧设置4道防撞栏，见图2。防撞栏结构尺寸见图3，混凝土墙体总高度为142 cm，顶端到桥面高度为100 cm。

（2）在两幅主梁的外侧安装风障，内侧采用防撞栏，见图4。风障结构尺寸见图5。风障由下部混凝土墙体和上部4条水平障条构成，总高度为3 264 mm，风障障条最顶端距离桥面3 084 mm。风障下部混凝土墙体与原防撞栏下部混凝土墙体相同，总透风率为31%，除去混凝土墙部分（混凝土墙顶端到水平障条顶端2 088 mm高度范围内）透风率为46%。

2 桥面行车风环境评估基本原则

通常情况下跨海大桥为了满足通航等需求，主桥必须具有足够的通航净空，因此主桥及与其连接的部分引桥设计高程远远高于与其相连接的地面道路的标高。按照《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01—2004)[1]，大气边界层中平均风速剖面（即：平均风速随离开地表高度的变化规律）可用下述幂函数率表示：

式中：a为幂函数指数；z为离开地表高度，Zr为参考高度，Vr和Vz分别为参考高度处的参考风速和高度z处的风速。

图1 力洋港大桥主桥总体布置（单位：m）

图2 120 m跨根部、跨中主梁断面图（单位：cm）

图3 防撞栏尺寸图（单位：cm）

图4 风障安装位置示意图（单位：cm）

图5 风障结构尺寸图（单位：mm）

根据式（1），主桥、引桥和地面道路等不同部位的标高相差越多，其风速也就相差越大。然而，在不考虑桥梁振动的情况下，对于某一辆以恒定速度行驶的确定车辆，其在整条道路不同位置上的抗风能力基本是一样的，因此，桥面行车风环境评估以及风障设计一般可按下述基本原则进行：汽车在桥面上的安全通行能力接近其在接线地面道路上的安全通行能力。上述基本原则可称为“全线等效侧向风速一致性原则”，在本文中，将被进一步具体化为：桥面各车道上方4.5 m范围内的等效风速不高于桥位处10 m高度处的风速。

3 桥面等效风速

当侧向风吹过桥梁断面时，桥面系构件（如栏杆，防撞栏等）和主梁断面本身都会对周围一定范围内的气流产生干扰，研究表明均匀侧向风流经桥梁断面后在桥面以上将形成一定厚度的附面层，其风剖面形式类似于自然界地表附近的风剖面，桥面附近的侧向风速沿垂直方向的分布与式(1)所示的风剖面有一定区别，沿桥面横向的分布也是很不均匀的，同一高度处越靠近主梁断面前缘（上风侧）侧向风速越大。

由于桥面以上侧向风速的大小随着离开桥面的距离而变化，变化规律也因主梁断面和桥梁系构件不同而不同，为了衡量桥面侧向风速的大小，根据总风压相等的原则定义桥面等效风速为：

式中：z’为离开桥面的高度；Hr为等效风速计算高度，与车辆在桥面上行驶时受侧向风影响的高度范围向对应。当研究不同车辆在给定桥梁上的通行风速限值时，通常对于大型车辆（大客车或集装箱货车）和小轿车Hr可分别取4.5 m和2.0 m。当研究改善桥面行车风环境的风障措施时，一般需要按大型车辆来考虑，即可统一取，Hr=4.5 m。

4 侧风折减系数

由于车辆侧风受风面的中心距离桥面也有一定的高度，以常见大型集装箱货车为例，其重心大约距离地面高度为1.5 m，因此将桥面以上1.5 m的位置作为研究桥面侧风向风速的基准高度H，将基准高度处按式（1）计算的风速称为基准高度风速，即：

式中：参考高度取为10 m；Vs10为桥位处10 m高度10min平均风速；h为桥面到地表（水面或地面）的距离；α为风剖面指数，根据浙江省气候中心提供的《沿海高速公路（台州段）气象专题研究报告》[2]：本工程平均风剖面幂函数指数 α取为0.158。

一般情况下，受桥梁主梁断面和桥面系构件的影响后，桥面等效风速会小于基准高度风速，即桥梁的主梁本身、栏杆等桥面系构件都具有一定的挡风作用，使得桥面以上一定高度范围内的总风压小于桥梁上游来流风压，因此将桥面等效风速和基准风速的比值定义为桥面一定高度范围内的侧风折减系数，即：

侧风折减系数反映了桥梁主梁断面和桥面附属构件对来流阻滞或遮挡作用的大小，值越小，阻滞或遮挡作用就越大。

5 大桥桥面行车风环境目标减风效果的确定

从行车安全角度出发，桥面上的侧风折减系数应小于该桥位处的允许值。因此为改善大桥桥面行车风环境，使其具有与接线高速公路相近等效风速和安全通行能力，就必须在大桥（包括主桥和引桥）上安装风障（wind barriers）系统减小桥面风速。假定引线高速公路与大桥连接段具有与大桥相同的风参数，那么，桥面基准高度H处侧风折减系数的允许值[ηV]可根据前述桥面行车风环境评估来确定，即：

根据力洋港大桥主桥设计高程及地面高程数据，计算得到了如表1所示的主桥几个关键控制点处所需的允许侧风折减系数。由表1可知，若主桥上设置的标准风障可以达到0.812的侧风折减系数，则该主桥将具有与其接线相同的等效平均风速，即大桥主桥在大风天气下具有与其接线高速公路相同的通行能力和安全通行风速。

表1 允许侧风折减系数

6 大比例模型风洞试验情况

力洋港大桥桥面行车风环境风洞试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室的TJ-3大型边界层风洞中进行。该风洞是一座竖向回流式闭口低速风洞，试验段尺寸为15 m宽、2 m高、14 m长，其规模在同类边界层风洞中居世界第二位。并列的7台风扇由直流电机驱动，每台电机额定功率为45 kW。空风洞最高风速可达17.6 m/s，流场性能良好，试验区空风洞流场的速度不均匀性小于2%、湍流度小于2%、平均气流偏角小于0.2°。

如图1所示，力洋港大桥为4跨主梁变高度连续薄壁刚构桥，因此桥面风环境沿纵桥向分布是连续变化的。考虑到结构的对称性，研究中选择了其中120 m跨径进行桥面风环境测试。为考虑两端主梁及双薄壁墩等结构对测试桥面风环境的影响，提高试验段桥面风环境模拟的精确性，在模型设计中还制作了70 m跨、临近120 m跨的一半长度60 m、双薄壁墩及桥台等结构。试验中所模拟的力洋港大桥主桥结构范围见图6。

图6 试验模拟结构范围及测试截面位置（单位：cm）

模型采用三维刚体模型，几何缩尺比取为1: 40。整座模型长度6.25 m，包含风障高度约为1.02 m，两幅主梁每幅宽度均为0.406 m，间距0.012 5 m。为提高模型的刚度，模型特别采用类似全桥气动弹性模型的制作方式，由芯棒和外衣两部分组成。在两幅主梁及双薄壁墩内部均采用厚度约2 mm的铝合金方管制作的芯棒，外衣则有3 mm厚度有机玻璃板制成，外衣和芯棒之间采用刚性连接。外衣完全模拟结构外形，而刚度较大的芯棒则可以让整个模型具有足够刚度支撑起整个结构，同时在气流作用下不会发生变形和振动，从而保证了测试的精确性。

桥面系模拟了两种情况，一是原桥面系，即在两幅主梁的两侧各设置防撞栏。二是增设主桥标准风障，即在两幅主梁的外侧设置风障，内侧设置防撞栏。防撞栏、风障等桥面系采用ABS工程塑料或有机玻璃，由电脑雕刻制作。

7 防撞栏工况下桥面风环境风洞试验结果[3]

对5号墩顶（S1）和跨中（S2）截面全部车道风环境进行了测试。测试中各车道测点均位于该车道上风侧边缘处。表2为试验得到的三个截面各车道距桥面2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范围的侧风折减系数。图7为两截面各车道风速系数随高度变化剖面图。

表2 墩顶及跨中截面各车道侧风折减系数（防撞栏）

图7 S1、S2截面各车道风速系数剖面（防撞栏）

由风洞试验结果可知：

（1）S1和S2三个截面，对应2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范围的侧风折减系数在桥面各车道从上风侧到下风侧变化规律不同。由于力洋港大桥以4.5 m高度为桥面等效风速计算标准，因此应以位于上风侧的车道1为桥面侧风行车最不利车道。

（2）跨中S2截面各车道侧风折减系数大于墩顶S1截面相应车道侧风折减系数，这表明主梁高度对于桥面侧风折减系数影响较大，对于力洋港大桥主梁截面而言，主梁高度越低，宽高比越大，则桥面侧风折减系数越大，桥面侧风行车安全性越低。

（3）在同一车道处，2.0 m、4.5 m到5.0 m三种高度范围内的侧风折减系数依次增大，这表明在桥面上，小型轿车的行车安全性要明显好于其它大型车辆。

（4）来流受阻挡并绕过防撞栏下部的混凝土墙，在混凝土墙体上方一定高度范围内形成高流速区，而且主梁高度越大，混凝土墙遮挡区域内风速越低，高于遮挡区后气流速度变化越快。这一现象在上风侧三车道范围内非常明显，墩顶S1截面车道1～车道3在2.25 m高度范围内风速系在0.1左右，高度超过2.25 m后侧向风速迅速变大，在3.25 m时达到最高，约为来流风速的1.2倍。跨中S2截面由于主梁高度较小，风速突变现象仅在车道1时比较明显。

（5）在防撞栏桥面系情况下，混凝土墙体对1.5～2.0 m高度以下范围内侧风阻挡明显，桥面最不利车道风速系数低0.2；但会在2.0～3.25 m高度范围内形成一个风速突变区，3.25～5.0 m高度范围内风速约为来流的1.2倍。其有效遮挡区域高度在2.0 m左右，对于大型车辆侧风行车安全性较为不利。

（6）在防撞栏桥面系情况下，S2截面车道1、2和3侧风折减系数大于侧风折减系数0.812，不满足“全线等效侧向风速一致性原则”的要求。

8 风障工况下桥面风环境风洞试验结果[3]

对5号墩顶（S1）和跨中（S2）截面全部车道风环境进行了测试。测试中各车道测点均位于该车道上风侧边缘处。表3为试验得到的三个截面各车道距桥面2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范围的侧风折减系数。图8为两截面各车道风速系数随高度变化剖面图。

表3 墩顶及跨中截面各车道侧风折减系数（防撞栏）

图8 S1、S2截面各车道风速系数剖面（风障）

由风洞试验结果可知：

（1）S1和S2三个截面，对应2.0 m高度范围的侧风折减系数在桥面各车道都低于0.2，从上风侧到下风侧变化规律不明显；对应4.5 m和5.0 m两个高度范围的侧风折减系数在上风侧3车道依次减小，下风侧3车道则依次增大，呈现主梁外侧车道大于内侧车道，且车道1最大的规律。由于力洋港大桥以4.5 m高度为桥面等效风速计算标准，因此应以位于上风侧的车道1为桥面侧风行车最不利车道。

（2）跨中S5截面各车道侧风折减系数大于墩顶S1和S9截面相应车道侧风折减系数，这表明主梁高度对于桥面侧风折减系数影响较大，对于力洋港大桥主梁截面而言，主梁高度越低，宽高比越大，则桥面侧风折减系数越大，桥面侧风行车安全性越低。

（3）在同一车道处，2.0 m、4.5 m到5.0 m三种高度范围内的侧风折减系数依次增大，这表明在桥面上，小型轿车的行车安全性要明显好于其它大型车辆。

（4）在设置了风障后，在距桥面5 m高度范围内，各车道处侧向风速都有了明显降低。跨中S2截面在4.25 m，墩顶S1截面在4.75 m高度范围的侧向风速都小于来流风速，结果表明风障的遮挡效果可以达到4.5 m左右，覆盖了一般大型车辆的高度，主桥标准风障的高度选择是合理的，可以起到明显的减风效果。

（5）在设置了风障之后，跨中S1和墩顶S2截面各车道侧风折减系数都小于侧风折减系数0.812，满足“全线等效侧向风速一致性原则”的要求。

9 结语

（1）力洋港大桥侧风控制标准可按照“全线等效侧向风速一致性原则”来确定：为使汽车在桥面上的等效侧向风速接近地面道路上的等效侧向风速，应当使得桥面各车道上方4.5 m范围内的等效风速不高于桥址位处10.0 m高度处的风速。

（2）防撞栏的有效遮挡高度在2.0 m左右；主梁高度较高的墩顶截面桥面风速小于主梁高度较小的跨中截面；从上风侧到下风侧6个车道，对应4.5 m高度范围的侧风折减系数会依次降低，最不利车道均为车道1；5号墩顶及跨中截面车道1的4.5 m高度范围侧风折减系数分别为 0.715和0.856。跨中截面上风侧三车道均不满足“全线等效侧向风速一致性原则”。

（3）设置风障工况后，力洋港大桥120 m主跨跨中和5号墩顶截面桥面全部6个车道风环境测试结果表明：风障的有效遮挡高度在5.0 m左右；主梁高度较高的墩顶截面桥面风速小于主梁高度较小的跨中截面；对应4.5 m和5.0 m两个高度范围的侧风折减系数在上风侧3车道依次减小，下风侧3车道则依次增大，呈现主梁外侧车道大于内侧车道，且车道1最大的规律。5号墩顶及跨中截面车道1的4.5 m高度范围侧风折减系数分别为0.296和0.521。满足“全线等效侧向风速一致性原则”。

（4）通过设置风障可以有效降低力洋港大桥桥面侧风风速，使得大桥桥面风速降低到与其引线高速公路相近的水平，从而实现“全线等效侧向风速一致性原则”的目标，避免大桥成为影响高速公路大风天气下通行能力的制约因素。

[1]JTG/T D60-01-2004,公路桥梁抗风设计规范[S].

[2]浙江省气候中心.沿海高速公路（台州段）气象专题研究报告[R].2013.

[3]郭震山.力洋港大桥桥面行车风环境风洞试验研究[R].同济大学土木工程防灾国家重点实验室研究报告 SLDRCE WT201601,2016.

河北拟再建三条地铁对接北京

近日，河北省发改委发布《河北省轨道交通发展“十三五”规划》，《规划》提出将就高速铁路、普通铁路和城市轨道同时发力，基本实现环京津县市与京津中心城区0.5～1 h通勤圈。《规划》还提出研究建设亦庄至廊坊、大兴至固安、房山至涿州等3条地铁联通北京。届时，京冀市民有望通过地铁往来。河北环京县市将率先体验到京津冀一体化的便利。

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1009-7716（2017）03-0210-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.058

2016-12-13

周玉娟(1965-)，女，北京人，高级工程师，从事高等级公路建设设计科研管理工作。