强风区斜拉桥行车安全及性能保障措施

方志纯

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 前言

桥梁是现代交通体系的重要枢纽， 其运营的安全性尤为重要。除了关注其自身的安全性外，桥梁运营的安全性还应包含桥面行车安全性。近年来，大量桥梁行车安全案例日益提高了人们对这类风险的重视。 跨海大桥由于长期受大风的侵袭，对其行车安全构成重大威胁。高速行驶的车辆在强侧风作用下，易引发车辆侧滑、侧倾、侧偏等安全事故[1]。 为确保跨海长大桥梁的运营安全，有必要对公路桥梁侧风作用下的行车安全问题进行深入研究。

风经过斜拉桥桥塔后将发生绕流现象， 导致在桥塔两侧形成高风速区，严重影响桥塔毗邻区内的风环境。因此，经过桥塔区的车辆将先后经历桥塔一侧的高风速区、桥塔背风位置低风速区，最后从另一侧的高风速区驶出。在行驶过程中， 风环境的剧烈变化将对行车安全构成严峻的挑战， 跨海大桥行车限制风速也主要取决于桥塔毗邻区内的风速[2-6]。针对这一问题，国内外已有研究多着眼于该区域风场分布的模拟及相应改善方案， 鲜有对桥塔毗邻区行车安全性及风环境进行深入分析[7]。

本文依托我国东南沿海福建省某斜拉桥为工程背景展开研究。 该工程全长约4562 m，主桥为570 m 组合梁斜拉桥，跨经组合为（135+300+135）m。 索塔采用H 型桥塔，塔高129.7 m。由于大桥位于台风经常登陆的路径上，桥位区域大风频发， 因此桥梁运营期的风致行车安全研究不容忽视。本文结合风致行车安全的危险工况分析，获得不同路面条件、不同车速条件下的行车安全风速标准，针对桥塔区进行了行车安全评估及对策分析， 研究结论可为大桥应对大风天气的桥梁通行安全提供重要参考。

2 桥塔区行车安全评估方法

2.1 区域通行代表车型确定

文中行车车型的选择基于国家标准GB/T3730.1-2001 和GB/T15089-2001 以及车辆对侧风的敏感性，取如下车型加以分析：基本型乘用车(A 型车)、交叉型乘用车(B 型车)、中型商用客车(C 型车)、双层巴士商用客车(D型车)及大型厢式商用货车(E 型车)。

2.2 行车安全风速标准

本文以在侧向风作用下车辆横向偏离车道的距离为评价准则。 开始时，认为车辆在车道中心行驶。 在侧风作用下，车辆的行驶方向可能偏离车道中心，偏离的距离为y。显然，风致行车安全随着y 的增大而增大，而车辆完全驶离原始车道显然无法接受， 这种情况甚至可能引发严重交通事故。 因此，以偏离y 为衡量指标，制定风致行车安全评价准则。 此外，通过模拟发现，从驾驶员意识到侧风的影响并对车辆行驶做出调整， 这一过程需要历时近0.8 s。因此，应取车辆做出调整时的车辆偏离距离y 进行风险评估。 基于上述分析， 风致行车安全的风险等级fG可用式(1)计算：

式中，amax为车道所容许的最大车辆侧向位移。

具体的危险程度变化特性如图1 所示， 当风险等级达到fG=3(2y/amax=0.9)后，车辆偏离目标行驶轨迹的风险等级迅速增大。 因此，决定将fG=3 作为风致行车安全风险上限值。则1.75 m 宽的车辆行驶在3.75 m 宽的标准车道上时，容许的车辆最大侧向偏移amax为1.0 m，车辆最大侧偏yallow为0.45 m。据此，本研究提出的行车安全评价标准为：车辆在侧风作用下0.8 s 内偏离原始车道中心线的距离y≤0.45 m。 针对本研究中选择的车辆类型，其在标准车道上行驶时的允许侧偏位移yallow如表1 所示。

图1 行车危险程度变化特性

表1 5 种汽车的侧偏阈值

3 桥面行车风环境数值模拟

利用数值风洞的技术对桥面风环境的分布规律情况进行研究，建立主梁的几何模型。建模时，主要考虑对桥面行车风环境影响较大的构件，即：主塔、主梁、防撞栏杆、风障等构件。 风障考虑以下2 种布置方式：布置1：在主梁防撞栏杆上部加设3 道风障，风障部分透风率50%，风障和防撞栏杆的总体透风率为60%；布置2：在主梁防撞栏杆上部加设3 道风障同时防撞栏杆增加一道横梁， 风障部分透风率50%，风障和防撞栏杆的总体透风率为50%。

3.1 计算方法及边界条件

本文采用基于时间平均的k-ε 雷诺均值Navier-Stokes 方程(RANS)模型中的Realizable 双方程湍流模型[8-9]，详细内容可参考文献[10]。

3.2 桥面行车高度风环境

桥塔毗邻区内的风场可基于设定的来流风速vin，通过数值方法求得。以此为基础，对桥塔毗邻区内的风环境进行评估。 这里引入速度系数α 来表示风场内风速的变化，其中α 可通过式(2)获得：

式中，vmean为研究空间内某点的平均风速。

速度系数α 体现了主塔毗邻区内某点的相对风速大小。 现监测桥面车道中心线以上10 m 范围的风速，按照来流方向将车道定义为车道1～车道6， 计算得到了无风障与2 种风障布置下的风速分布。 图2 给出了无风障与采用风障2 布置条件下的风速分布曲线。

图2 风速分布曲线

3.3 风速影响系数

陈艾荣等[11]提出了等效桥面风速和影响系数用于说明来流风速与桥面不同高度处风速的相对关系，其中等效桥面风速Ueff的定义如式(3)：

式中，zr表示车辆所处的高度范围，通常对于A 型和B 型车zr取3 m，对于C 型、D 型和E 型车zr取5 m。

影响系数λs可通过式(4)计算：

式中，U∞表示实际风速。

根据风速分布曲线， 通过积分得到所有行车道3 m及5 m 高度范围内的影响系数如表2 所示。

表2 不同车道位置影响系数

4 桥塔区行车风环境风场模拟

4.1 桥塔区桥面行车高度风环境

为分析所研究的斜拉桥桥塔对桥塔附近桥面风环境的三维影响， 选取了主塔及其风环境影响区内的主梁、护栏及风障等构件进行三维数值模拟。 为提高分析精度，并在确保计算效率的前提下，对分析区域采用混合网格划分策略， 提高桥塔毗邻区域的网格精细化程度。为了直观展示桥塔毗邻区桥面的风环境，在顺桥向，取距桥塔中心0 m、2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、20 m、25 m、50 m 的位置。

在前述风障布置的基础上， 对桥塔区风障进行了加强，风障布置如下。 布置3：在桥塔中心向两侧各21 m 的范围布置5 道风障，其余部分布置形式与布置1 相同；布置4： 在桥塔中心向两侧各21 m 的范围布置5 道风障，其余部分布置形式与布置2 相同；布置5：在桥塔中心向两侧各15 m 的范围布置6 道风障，20 m 的范围布置5道风障，25 m 的范围布置4 道风障， 其余部分布置形式与布置1 相同；布置6：在桥塔中心向两侧各15 m 的范围布置6 道风障，20 m 的范围布置5 道风障，25 m 的范围布置4 道风障，其余部分布置形式布置2 相同。通过分析可以得到4 种不同布置形式的风速分布曲线， 图3 仅给出了无风障与风障布置6 条件下的风速分布曲线。

4.2 风速影响系数

图3 风速分布曲线

图4 风速影响系数曲线（高度范围5m）

同样，在相同的主梁位置，可以计算获得各车道风速影响系数曲线。 限于篇幅， 以下仅列出桥塔区高度范围5m 处的风速影响系数。图4 仅给出了无风障与风障布置6 条件下的风速分布，可以发现，未安装风障时，桥塔风环境影响区内风速影响系数的值剧烈变化。 在靠近桥塔的位置，风速影响系数反而增大；然而在增加了风障布置3、风障布置4 后，风速影响系数的变化有所改善，但距桥塔中心10 m 位置处，5 m 范围风速影响系数出现极值；在设置风障布置5、 风障布置6 后， 该曲线变得更加平顺，桥塔附近的风速增大效应得以消除。

5 风对桥上车辆行驶安全评估

基于上述结果，结合背景斜拉桥实际情况，进行风致桥面行车安全评估， 给出大桥主桥跨中位置不同车速条件下典型车辆的安全通行风速。 考虑到大桥行车设计速度为100 km/h，因此在风雨天气下A 型、B 型、C 型、D 型和E 型车限速100 km/h 时，对应五种类型车辆在地面道路行驶时的安全行驶临界风速分别为21.5 m/s、14.5 m/s、12.5 m/s、14.5 m/s 和15.5 m/s。 斜拉桥桥面安全行车临界风速与当地气象站的风速比例关系如式(5)所示：

式中，U 为气象站风速；Ucr为桥面道路行车安全临界风速。由于大车的安全性更差，因此取5 m 高度范围内的λs，无风障时桥塔区为1.12(离地面50 m 高度)，主桥区为0.89；风障布置1、风障布置3 时，桥塔区为0.81，主桥区为0.73；风障布置2、风障布置4 时，桥塔区为0.78，主桥区为0.70。

计算所得不同风障布置桥面临界风速与气象站风速之比如表3 所示。可以看出，无风障时，主桥区50 m 高度处，Ucr/U 为1.36，加设风障布置1 后减小为0.98，加设风障布置2 后减小为0.95。

表3 不同风障布置下桥面临界风速与气象站风速之比

不施加风障与四种风障方案各车辆在不同速度时能安全行驶的最大气象站风速如表4 所示。 从表中可以看出，无风障时，气象站7 级风时(侧偏临界风速为8 级风及以上)，D 型和E 型车可以达到40 km/h 的行驶速度，C型车只能达到20 km/h 的行驶速度。 风障布置3 时，气象站7 级风时，A 型车可以达到100 km/h 的行驶速度，B 型车、D 型车和E 型车可以达到80 km/h 的行驶速度，C 型车能达到60 km/h 的行驶速度。 风障布置4 时，气象站7级风时，A 型车可以达到100 km/h 的行驶速度，B 型车、D 型和E 型可以达到80 km/h 的行驶速度，C 型车能达到60 km/h 的行驶速度。

表4 行车侧偏临界状态对应的气象站风速(单位：m/s)

6 行车安全性能保障

基于上述研究得出的桥面风环境分布特征和不同风速对应的行车安全车速分析结果， 降低行车速度并遵守分道行驶能显著改善大风天气下的桥梁行车安全[12]。 同时，由于驾驶过程中，驾驶员对外界环境的反馈作用对行车安全的重大影响。 因此，在大风天气，桥梁管理部门应及时发布限速、限车道通知，并给出相关文字性和标志性行车警示等交通管控信息，提高桥梁行车的安全性。

以保障大桥运营安全和通行车辆及人员、 货物安全为基本出发点， 大桥运营管理应该建立风天大桥通行安全的管理规定，不但要规定在什么样的风速下关闭大桥，同时还要回答什么风速下通行车辆安全行驶所容许的最大车速。基于风障对策研究成果，综合考虑各个区段风速分布情况，在风速较大部分施加风障后，表5 就给出了地面10 m 高度标准气象站不同风速下，大桥风雨天通行管理措施。

7 总结

本文通过对沿海强风区某斜拉桥桥面行车风环境的研究，得到以下几点主要结论：

(1)基于建立的5 种典型代表车型的风致行车侧偏动力响应分析模型，并制定了风致行车侧偏响应评价标准，分析得到不同车速下5 种车型的风致行车侧偏响应及对应状态下的车辆侧偏安全风速上限。

表5 风障布置方案4、6 时大桥风雨天通行管理规定

(2)选取主桥截面开展行车高度风环境研究，分别考虑了2 种风障的布置形式， 得到了各种布置下桥塔毗邻区桥面的流场分布， 并计算得到不同高度范围内的不同车道对应的风速影响系数。与未施加风障时相比，施加风障后， 不同截面的流场分布及各车道风速影响系数显著减小。 因此，可以看出，风障对桥塔区风环境有明显的改善作用。 相比于风障布置形式1，风障布置形式2 的减风效果更佳。

(3)建立了斜拉桥桥塔区相应的三维流场模型，研究分析了无风障和6 种布置风障方案的桥塔区桥面行车风环境，得到了不同工况下的车道位置影响系数。受到斜拉桥桥塔的影响，在未设置风障时，风速影响区内的风速影响系数发生剧烈变化。在桥塔处，风速影响系数甚至有所增大；在设置风障布置3、风障布置4 后，这种情况有所改善， 但距桥塔中心10 m 位置处，5 m 范围风速影响系数出现极值；在设置风障布置5、风障布置6 后，桥塔附近的风速增大的现象得到克服。 因此，综合考虑下，推荐采用风障布置方案6。

(4)采用已有的车道位置影响系数，对跨海大桥进行各车型的通行安全评估， 得到了各车型不同速度行驶时对应的气象站风速。 通过进行两种风障布置方案的分析比较， 发现2 种风障布置方案均能有效提高桥面行车安全临界风速， 且风障布置方案4、6 效果稍好于风障布置方案3、5。

(5)基于风障对策研究成果，综合考虑各个区段风速分布情况，在风速较大部分施加风障后，制定了不同风速下，大桥风雨天通行管理措施。