不同结构参数下桥梁风障阻风性能试验

詹铠臻， 林晓波， 杨亚林， 练江峰， 侯海涛， 刘功毫， 胡磊， 林立

(1. 厦门市公路事业发展中心， 福建 厦门 361000； 2. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108； 3. 厦门理工学院风灾害与风工程福建省重点实验室， 福建 厦门 361024； 4. 厦门中平公路勘察设计院有限公司， 福建 厦门 361000)

0 引言

21世纪世界桥梁工程的发展进入了跨海连岛时代[1]， 许多长大跨海桥梁得以兴建. 由于受到海洋气候影响， 桥面经常出现高速横风， 在大风天气， 桥梁的桥面侧风会使车辆偏移其正常行驶轨迹甚至导致车辆侧翻， 对桥面行车安全造成严重的影响[2-5]. 为减少桥上横风对车辆的影响， 保证桥上行车安全， 目前， 国内外大跨度桥梁如港珠澳大桥、 青马大桥、 杭州湾跨海大桥、 泉州湾跨海大桥、 宁波象山港大桥、 法国米约高架桥、 英国赛文二桥等均在桥面安装风障[6]. 桥梁挡风障阻风效率主要受高度与孔隙率等结构参数影响[7-8]， 参数设置的合理与否， 不仅影响桥上行车的安全性和舒适性， 同时影响桥梁建设的投资成本. 许多学者同时也开展了桥梁挡风障对桥梁及车桥系统的气动特性研究[9-11]， 研究结果均表明， 设计合理的挡风障， 可以改善桥梁风环境， 提高行车安全标准风速.

国内外桥梁主要针对障条式挡风障的障条形式等参数开展挡风障实际应用与研究， 对其阻风效率、 风阻形式、 相关关键参数影响规律的研究及比对工作较少. 本研究将采用风洞模型流场测速试验的手段， 分析板挖圆孔及障条式挡风障遮挡效率相关关键参数及其影响规律.

1 试验条件

图1 XMUT-WT风洞实验室全景图

风洞试验是全世界公认的研究风工程最有效的方法， 风洞试验需要满足模型与原型的几何相似、 运动相似和动力相似[12]. 本次风洞试验的环境如图1所示， 试验模型置于低速试验段， 低速试验段长×宽×高为25 m × 6 m × 3.6 m.

影响流体运动的作用力主要是黏滞力、 重力等. 分别以符号T、G和I代表黏滞力、 重力和惯性力， 则有：

(1)

式中： 下标p代表实际构件； 下标m代表模型.

由相似关系可以得到弗劳德准则等相似准则， 其表征惯性力(I)与重力(G)之比， 其中，

G=ρgl3;I=ρl2v2

(2)

式中：ρ为空气密度(g·cm-3)；g为重力加速度(m·s-2)；l为物体特征长度(m)；v为物体运动速度(m·s-1).

讨论复合材料补片种类的不同对修复效果的作用，分别采用硼/环氧树脂、碳/环氧树脂和玻璃纤维材料的补片对损伤结构进行再制造胶粘修复。图7给出复合材料补片种类对修复效果的作用，图8所示为补片种类作为变量时裂纹尖端半椭圆中心角α为0°和90°处对应的修复效果。

2 试验设计

2.1 试验模型

考虑到桥梁会对挡风障的前后风场产生一定的影响， 为使试验条件更加贴近实际情况， 将桥梁挡风障放置于桥梁模型上进行试验. 试验段桥梁长度为1.8 m， 截面采用箱梁形式. 为探究不同挡风障在距迎风面不同位置处车道的阻风效率， 设置了3个车道. 此外， 桥梁模型几何缩尺比的选择考虑阻塞比[13]的影响， 阻塞比为：

(3)

式中：Ac为风洞试验段的横截面积(m2)；Am为试验模型在试验段横截面的最大投影面积(m2).

考虑到试验模型放置于风洞试验室迎风面的空气阻塞率为3%～5%， 本模型的桥梁箱梁和挡风障模型的几何缩尺比为1∶10， 挡风障模型参数如表1所示.

表1 挡风障模型主要参数统计表

2.2 测点布置

风洞实验室中模型及传感器安装完成实景图如图2所示. 试验在风速精度为±0.5 m·s-1， 型号为Series100 Cobra Probe 的TFI眼镜蛇脉动风速仪上进行， 测量桥面各车道中心线一定高度范围内的平均风速剖面. 设置采样频率为600 Hz, 各测点采样时长为60 s. 考虑到桥面行驶车辆宽度基本上不会超过4.5 m， 本次试验测量各个车道中心线(共3个车道)0～45 cm高度测点的风速， 以此获得各车道上的风速风剖面. 各车道测点从2.5 cm高度开始， 每隔2.5 cm设置一点， 共18个测点. 测点分布及传感器布置如图3、 图4所示.

图2 眼镜蛇脉动风速仪安装实景图

图3 测点布置图(单位: mm)

图4 传感器布置图

3 试验结果分析

3.1 平均风速剖面图

将不同风速工况下各挡风障后方， 3车道中心线上方各测点风速值连线， 得到0～45 cm高度范围内的平均风速剖面图， 分析高度与孔隙率对挡风障阻风效率的影响规律.

1) 不同高度障条挡风障阻风性能分析. 裸桥及安装不同高度障条式挡风障后， 各车道上测得的平均风速剖面图如图5所示. 由图5可知， 挡风障遮挡效率随障条式挡风障高度增加而增加， 不同来流风速下， 不同高度方案后方风速折减规律一致. 车道1处， 不同高度的障条挡风障在其结构高度范围内有较好的阻风效果， 当测点高度大于结构高度时， 其风速迅速上升， 并分别在20.0、 22.5、 42.5 cm高度处与来流风速接近， 其后高度存在加速效应. 各高度挡风障在车道1离地面高度较低的车辆升力影响敏感区域即贴地层区域出现测点风速大于裸桥工况的现象， 与风障顶部相比， 在贴层区域风更难从风障顶部位置绕流通过， 因此该位置挡风障内外风压比裸桥工况更大， 不利于车辆行驶稳定性.

图5 两种风速工况下不同高度障条挡风障各车道平均风速剖面图

2) 不同孔隙率障条挡风障阻风性能分析. 裸桥及安装不同孔隙率障条式挡风障后， 各车道上测得的平均风速剖面图如图6所示. 障条式挡风障阻风效率随着孔隙率的减小而增加. 不同来流风速下， 不同孔隙率挡风障后方风速折减规律相似. 由图6(a)、 (b)、 (d)、 (e)可知， 孔隙率由60%降低为50%过程中， 挡风障遮挡效果的改善程度明显大于孔隙率由50%降低为40%的过程. 这表明当挡风障高度为定值时， 存在一个合理的孔隙率， 即孔隙率取为该值的挡风障的阻风效果优于孔隙率较大的挡风障； 而与孔隙率值较小的挡风障相比， 其阻风效果在近地面较优， 在一定高度范围内与小孔隙率挡风障差别较小， 故其整体阻风效果与小孔隙率挡风障接近. 不同孔隙率的障条式挡风障在车道1、 车道2贴近地面高度的遮挡效果较差.

图6 两种风速工况下不同孔隙率障条挡风障各车道平均风速剖面图

图7 两种风速工况下不同高度板挖圆孔挡风障各车道平均风速剖面图

4) 不同孔隙率板挖圆孔挡风障阻风性能分析. 裸桥及安装不同孔隙率板挖圆孔挡风障后， 各车道上测得的平均风速剖面图如图8所示.

图8 两种风速工况下不同孔隙率板挖圆孔挡风障各车道平均风速剖面图

由图8可见， 不同孔隙率挡风障有效遮挡高度接近， 在车道1、 车道2、 车道3上分别为35、 40、 40 cm， 这表明板挖圆孔挡风障对其后方各车道上整体遮挡效率随着孔隙率减小而降低， 而其对挡风障有效遮挡高度影响有限. 不同孔隙率板挖圆孔挡风障方案对其后方各车道的遮挡效果随着来流风速增加并未发生明显变化.

3.2 风速折减系数

风速折减系数是评价桥梁挡风障阻风效果的重要指标， 能直观对比不同挡风障的阻风效率， 从而发现挡风障高度、 孔隙率等参数对桥梁挡风障的阻风效果的影响程度， 为实际工程应用提供参考. 通过每一工况下风洞试验得到的各个车道中心线0～45 cm高度范围内的平均风速剖面图， 根据矩形风剖面和实际风剖面压力总和相等的等效原则， 得到不同挡风障方案(包括无风障工况)桥面各个车道的等效风速. 将等效风速无量纲后即可得到风速折减系数， 各车道的风速折减系数[17]可由下式计算.

(4)

式中：zr为桥梁风剖面的实际高度范围， 一般不超过4.5 m， 因此， 本文计算等效桥面风速时， 取zr=4.5 m；u(z)为各个行车道在z高度处的横向风速值；u0为来流风速.

通过式(4)可以评价不同桥梁挡风障方案的阻风效果. 风速折减系数越小， 挡风障的阻风效果越好.

1) 障条挡风障不同高度、 孔隙率下阻风性能分析. 不同高度、 孔隙率障条挡风障3个车道的等效风速折减系数对比图如图9所示. 障条挡风障的风速折减系数随着挡风障高度的增加而减小， 随着孔隙率的减小而减小. 在车道1、 车道2上， 风障高度从10 cm增加到20 cm， 对风速折减系数产生的影响明显小于风障高度从20 cm增加到30 cm的值， 这可能是由于风障顶部的上方高度存在加速区域， 在风障高度较小时， 此区域或部分区域包含在风速折减系数的计算区域内， 使得风速折减系数较大， 而随着挡风障高度的增加， 上述加速区域或部分区域超出计算范围， 风速折减系数随之减小. 通过对比孔隙率由60%降低至50%及50%降低至40%的过程中， 除了车道1之外， 其余车道的风速折减系数在前一过程的变化明显大于后一过程. 这表明， 当障条挡风障距离车道一定距离后， 其孔隙率存在一个适宜值， 该孔隙率值的挡风障与更小孔隙率值挡风障阻风效率接近. 挡风障对3个车道的遮挡效率由高到低依次为： 车道3、 车道2、 车道1.

图9 两种风速工况下障条方案各车道风速折减系数对比图

2) 板挖圆孔挡风障不同高度、 孔隙率下阻风性能分析. 不同高度、 孔隙率板挖圆孔挡风障各车道的等效风速折减系数对比图如图10所示. 板挖圆孔挡风障的风速折减系数随着挡风障高度增加而减小， 随着孔隙率减小而减小. 在高度由10 cm增加至20 cm过程中， 风速折减系数减小幅度小于高度由20 cm增加为30 cm过程中的值. 表明存在适宜高度， 当挡风障大于这一高度时， 挡风障高度对提升阻风效率作用有限. 在孔隙率由60%降低至40%的过程中， 各车道上的风速折减系数与孔隙率呈现非线性关系， 尤其对于风速折减系数较大的车道1与车道2， 风速折减系数随着孔隙率变化的速率在靠近40%的一端明显加快. 这是由于板挖圆孔挡风障在该的孔隙率在该取值段附近存在适宜孔隙率， 在挡风障高度一定时， 采用该最优孔隙率或更小值设计的挡风障的遮挡效果接近. 通过对比不同车道的风速折减系数， 发现随着板挖圆孔挡风障高度的增加， 其相邻车道间的风速折减系数差值变大. 挡风障对3个车道的遮挡效率由高到低依次为： 车道3、 车道2、 车道1.

图10 两种风速工况下圆孔方案各车道风速折减系数对比图

4 结语

基于挡风障模型流场测速试验结果， 分析板挖圆孔和障条式挡风障遮挡效率相关关键参数及其影响规律， 得到如下结论：

1) 安装桥梁挡风障后， 桥面附近区域的平均风速随来流风速的增加而增加. 在不同风速工况下， 跨海桥梁挡风障后方的有效遮挡区域一致.

2) 安装挡风障后， 桥面风速明显降低， 阻风效果最好为30 cm高、 40%孔隙率圆孔方案， 在车道2、 3上该方案风速折减系数仅为裸桥工况17%～18%. 有效遮挡区域高度随着挡风障高度增加而增加， 区域内风速随着挡风障的孔隙率增加而变大.

3) 挡风障在贴地层区域阻风效率随着高度增加而降低， 板挖圆孔挡风障对贴地层遮挡效率高于障条式挡风障. 障条式挡风障在贴地层区域风速较大， 尤其是车道1贴地层出现局部风速加速现象， 甚至扩大了贴地层加速现象的范围影响到车道2.

4) 挡风障对桥面三个车道的遮挡效率从高到低依次为： 车道3、 车道2、 车道1. 小孔隙率板挖圆孔挡风障对车道1遮挡效率最高.