平潭海峡公铁两用大桥行车安全防风控制及风屏障设计

2023-01-09苗润池李龙安

铁道建筑 2022年11期

苗润池李龙安

中铁大桥勘测设计院集团有限公司，武汉 430056

1 工程概况

平潭海峡公铁两用大桥布设在平潭海峡北口，是新建福平铁路、长平高速公路的关键性控制工程。大桥起于长乐市松下镇，经人屿岛，依次跨越元洪航道、鼓屿门水道和大小练岛水道，大桥全长约16.322 km。其中元洪航道桥主跨为532 m公铁两用钢桁梁斜拉桥（图1），采取公路在上层、铁路在下层的公铁合建方式，上层设计为100 km/h的六车道高速公路，下层设计为200 km/h的双线Ⅰ级铁路。

图1 元洪航道桥（单位：m）

平潭海峡公铁两用大桥所在的平潭海峡是世界三大风口海域之一，具有风大、浪高、水深、流急等特点，气象条件十分复杂。桥址区域属典型的海洋性季风气候，年平均6级以上大风307 d，7级以上大风216 d，8级以上大风121 d，桥址处设计基本风速为44.8 m/s［1］。由于铁路列车运营对风较为敏感，在公路和铁路桥面的运行安全性和舒适性受桥址处大风天气的影响较大［2］。如何既确保大桥行车安全，又保障大桥最大限度地满足交通运营需求，是平潭海峡公铁两用大桥行车安全防风控制的关键。

2 行车安全防风控制

2.1 总体目标

大风可能会导致汽车和列车经过桥梁时发生倾覆。平潭海峡公铁两用大桥上行驶的车型复杂，且有13 km完全暴露在海洋环境之中，大风天气对海上桥梁交通的影响比陆地严重，应针对大风天气采取相应的行车安全防风控制措施。结合设计车速、车辆类型、通行能力要求、行车安全和舒适性要求、所能实施的交通管理措施和工程结构措施等综合因素，制定平潭海峡公铁两用大桥桥面行车安全防风控制总体目标，具体如下：

1）确保公路桥面的行车条件不低于两岸陆地的行车条件，须要满足U公路桥面≤U两岸陆地=25 m/s。

2）确保铁路桥面的行车条件不低于两岸陆地的行车条件，须要满足U铁路桥面≤U两岸陆地=30 m/s。

2.2 桥面行车安全风速换算

为了满足桥面行车安全防风控制目标，方便运营管理，需要将桥面行车安全风速进行换算，最终转换为相应的气象站风速。共需进行三次转换。

1）将桥面风速U桥面换算为同等高度处的自然风速Uz（即桥面的来流风速），可通过节段模型风洞试验或CFD（Computational Fluid Dynamics）数值计算得到。以平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥为例，暂定桥面风速为同等高度处自然风速的λ倍，即U桥面=λUz。

2）将同等高度处的自然风速Uz换算为桥址处10 m高度风速Us10。该换算采用指数模型Uz=Us10（Z/10）α。其中：Z为构件计算高度；α为平均风速剖面的指数。以平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥为例，桥址区风速剖面特性属于A类，α=0.1，公路桥面高度为75.5 m，铁路桥面高度为62.8 m，则有

3）将桥址处10 m高度风速Us10换算为气象站的风速U气象。该换算方法是在桥址处设置同步观测站进行一年以上的同步观测，找出桥址处与气象站的相关函数。平潭海峡公铁两用大桥气象环境研究专题报告［3］中指出，将平潭海峡长屿、苏澳、白青、屿头、松下自动气象观测站逐日风观测资料与平潭气象站同步资料进行相关对比分析，发现工程所在地平潭海峡的平均风速明显大于岛内［4］，区域气象站的10 min平均风速最大值是平潭气象站的1.4～1.5倍左右，各站极大风速是平潭气象站的1.2～1.4倍，各站的相关系数均在0.85以上，相关性非常好。因此，桥址处10 m高度风速Us10取气象站的风速U气象的1.4倍，即Us10=1.4U气象。

平潭海峡公铁两用大桥元洪航道桥桥面行车安全风速最终换算为气象站风速的关系式为

平潭海峡公铁两用大桥平潭气象站的数据接近两岸陆地的风速。因此，根据桥面行车安全防风控制总体目标要求，以铁路桥面为例，可以得到

要使等式成立，则λ≤0.594。对于需要设置风屏障的桥梁，λ是设置风屏障后桥面风速折减系数（定义为桥面等效风速与来流风速之比），是风屏障设计参数的一个重要指标，决定了桥面行车安全防风控制总体目标能否达到要求。

3 风屏障设计及全尺模型试验

3.1 风屏障设计

风屏障在强风环境中能为列车创造一个相对低风速的局部环境，有效减小车辆的风荷载，提高车辆在横风作用下的安全性，能有效解决车辆侧向风安全性［5］。典型的风屏障设计为纵横相间的栅栏或多孔板。风洞试验显示风屏障的透风率是决定风屏障减风率的主要参数，其次是风屏障的高度［6］。

风屏障为附属设施，整体刚度较弱［7］，对于海上强风环境，风屏障整体刚度需要加强。因此，平潭海峡公铁两用大桥采用拉索加强型抑风风屏障。该风屏障由立柱、抑风板、连接件、拉索、基座等组成（图2）。其特点为在风屏障纵向设置多道预应力拉索，形成整体锚固体系，提高风屏障整体刚度，加强风屏障整体稳定性。抑风板为开有不同直径的多孔板，断面形式见图3。其中：L为长度；E为宽度；J为厚度；t为板厚。多孔型抑风板具有良好的减风效果和较小的风阻效应，可在满足桥面风速折减率的同时最大限度地减少风阻效应。风屏障高度、透风率等参数根据风洞试验确定［8］。

图2 拉索加强型抑风风屏障结构

图3 抑风板断面形式

3.2 风屏障全尺模型试验

风洞试验是研究风屏障防风效果的一种重要手段，通过风洞试验可以进行流场与气动力的测试，但一般采用缩尺模型［9］。对于多孔板等复杂形状风屏障进行缩尺模型风洞试验时，需要采用等效透风率的方法，简化风屏障的整体外形和局部外形，此时风屏障不能完全满足几何相似性，这会导致试验结果的准确性降低。考虑实测方法的困难，有必要进行全尺风屏障模型的风洞试验，研究风屏障的防风效果［10］。

针对平潭海峡公铁两用大桥的多孔型风屏障结构，采用全尺1∶1风屏障节段模型（图4），在XNJD-3工业风洞中系统测试了风屏障气动力及其后方的流场分布，基于等效风速和风荷载对防风效果进行评价。

图4 风屏障模型及风场测点布置

试验中来流风速为10 m/s。根据风洞试验测试结果，风屏障的整体阻力系数为0.792。轨道中心的平均风速见表1。其中，测点1～测点10位于1倍风屏障高度H范围内，测点10～测点16位于2H范围内。可知：在风屏障背风侧，测点10～测点14范围内出现了较为明显的剪切层，剪切层高度在1.1H～1.6H；测点1～测点10范围内轨道中心处平均风速明显降低，说明风屏障起到了很好的防风减风效果。