基于大比例尺风洞试验的塔区桥面风速抑制措施研究

2023-06-29蒲诗雨陈晨李强

四川建筑 2023年1期

蒲诗雨陈晨李强

跨海大桥的塔区风环境复杂，导致此区域行车安全性问题非常突出，研究塔区桥面的风速分布规律和塔区风环境的改善措施具有重要意义。以某特大跨海斜拉桥为工程背景，通过1∶30大比例尺主梁-桥塔节段模型風洞试验测试了塔区桥面行车区间的侧向平均风速分布。试验结果表明：桥塔的存在一方面使塔柱正后方出现遮风效应，桥塔中心线处风速仅为来流风速的0.1倍；另一方面使来流绕塔柱分流，在靠近桥塔两侧出现风速加速区，风速在距离桥塔中心线3倍桥塔宽度处达到峰值（1.3倍来流风速）。为了减小该风速变化对行车安全的影响，测试了防撞栏杆与风障对来流风速的屏蔽作用，试验结果表明：安装防撞栏杆和风障均能使塔区风速变化更加平缓，但沿横桥向与桥面高度方向，防撞栏杆+风障对来流风速的屏蔽作用与屏蔽范围均显著优于防撞栏杆。安装防撞栏杆和风障可大幅度提高塔区处的行车安全性。

塔区桥面风环境；风洞试验；大尺度节段模型；风障

U441+.2 A

［定稿日期］2021-12-21

［基金项目］国家自然科学基金（项目编号：51678508、51778547）

［作者简介］蒲诗雨（1998—），女，硕士，研究方向为桥梁抗风；陈晨（1998—），女，硕士，研究方向为桥梁抗风；李强（1998—），男，硕士，研究方向为桥梁抗风。

跨海大桥的桥位处地势开阔，桥面高程高，因此与大陆桥梁相比，其桥面高度处常遇风速更大。由于桥塔绕流影响，车辆在跨海大桥桥面行驶过程中，当通过一个桥塔区域时，要经历一次风荷载剧烈减小和一次风荷载剧烈增大的变化过程，从而发生侧倾、侧滑和侧偏量过大问题，这将严重影响行车的安全性和舒适性［1-5］。风致行车安全事故不仅会引发交通堵塞，还会造成人员伤亡和经济损失，因而近年来越来越多的专家学者开始关注此类问题［6-8］。研究强风作用下的塔区桥面风环境改善措施对跨海大桥行车安全性具有重要意义［9-11］。

目前已有少部分国内外专家学者对桥塔遮风效应进行了研究。Charuvist等［12-13］将多种车型和多种桥塔形式组合，在不同风速和风向条件下进行缩尺模型风洞试验，总结了强风作用下车辆通过塔区的空气动力特征。Argentini等［14］通过实验测试了车辆经过塔区时的表面压力变化情况，研究发现桥塔的遮风效应会使车辆的气动力参数发生复杂变化。Kwon等［15］基于CarSim和TruckSim软件计算结果提出了评估车祸临界风速的方法——车辆事故指数，并通过风洞试验发现风障能有效降低来流风速。Kozmar［16］利用粒子图像测速（PIV）技术和皮托管进行风洞试验，研究了高架桥上风栅的防护效果，并发现风垂直入射角的改变会引发风障后风力不稳定现象，而风水平入射角的改变对风障后流场特性的影响不明显。陈艾荣等［17-18］以杭州湾跨海大桥为研究对象运用数值风洞技术，总结了塔区风环境分布特征。庞加斌等［8］结合桥位风速观测资料建立了桥面行车高度等效风速概率模型，并提出了行车安全的概率评估方法。于群力等［19］运用数值分析方法对车桥模型进行了流场分析。陈晓东［20］采用电子压力扫描阀和测压耙对西堠门大桥塔区模型进行了风洞试验，通过分析不同工况下塔区风环境以实现风障的优化设计。曾加冬［21］对嘉绍大桥运用计算流体力学CFD方法模拟了塔区绕流流场的三维分布，并通过风洞试验得出桥面行车风环境的分布规律。李永乐等［22-24］采用CFD方法对大跨度悬索桥塔区桥面风环境进行了仿真分析，并研究发现防撞护栏有利于车辆的行车安全。郑史雄等［25］利用CFD数值模拟计算分析了沪通长江大桥主航道桥的塔区流场分布，并通过大尺度阶段模型风洞试验，研究了列车经过桥塔区域过程中的气动参数变化。

目前对于塔区桥面风环境的研究主要有2种方法：风洞试验方法和CFD数值计算方法。风洞试验方法周期长、花销大，且需要精密复杂的设备仪器。目前已经开展过的塔区风环境测试实验，如嘉绍大桥塔区模型风洞试验、西堠门大桥塔区模型风洞试验等，均采用皮托管或补偿式微压计标定桥面风场，此类仪器在桥塔遮挡处的风速测量误差较大。因此，目前专家学者多采用CFD数值计算方法研究桥面风场［26-29］。但是在CFD分析过程中需要运用经验公式对湍流的计算进行修正和补充，这极大地限制了数值计算的准确性。

为提高研究精度，此次塔区桥面风环境测试风洞试验采用TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪。与皮托管和补偿式微压计相比，这种仪器的风速参考点置于仪器内部，风速测量误差更小。此次测试试验采用大尺寸模型且在西南交通大学XNJD-3风洞（宽22.5 m，高4.5 m）中完成，实验模型的风洞阻塞度仅为2.31%，有效地减小了风洞试验的阻塞效应，进一步提高了实验精度。本文以某特大三塔单箱梁斜拉桥为工程背景，分别测试了施工态、成桥态、加风障成桥态3种工况的塔区桥面行车区间侧向风速分布，对比分析了防撞护栏和风障对塔区桥面风环境的屏蔽效果。

1 塔区桥面风环境风洞试验

1.1 项目概况

某跨海大桥为三塔双索面钢箱梁斜拉桥，主跨550 m，全长1 630 m，桥面宽34 m（双向4车道），钢箱梁高3.5 m。该桥为钻石型桥塔，塔高180 m。主梁标准断面、桥塔立面如图1所示，外侧防撞护栏和内侧防撞护栏构造分别如图2、图3所示，风障构造如图4所示。

1.2 大尺度节段模型风洞试验

本次实验的目的是研究桥塔绕流对桥面风环境的影响，基于实验测得的塔区风环境分布特征，为塔区的行车安全提供有用的建议。

某特大跨海斜拉桥桥面行车风环境试验采用1∶30大尺度主梁—桥塔节段模型进行测试，风洞试验现场如图5所示。此大尺度局部刚性节段模型模拟了塔区范围内的加劲梁和桥塔，模拟的实桥区域长为250.8 m，桥塔迎风面宽度为9 m。

将塔区测试节段放置于均匀流风场中，测量距离桥塔中心线不同位置处、沿桥面横向行车区间不同位置处的风速。

本次实验采用的是精度较高的测试仪器——TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪。在试验时，保持风洞实验室风机稳转速情况下，通过改变TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪在桥面上的位置，测出塔区桥面各测点不同高度处的风速。

本次实验的风速定为7.5 m/s，风偏角和风攻角均为0°，分别测试了施工态（裸梁）、成桥态（有防撞护栏无风障）、加风障成桥态（有防撞护栏有风障）3种不同工况下的风速分布。3种工况的风洞实验如图6～图8所示。每种工况下测点的布置情况如图9、图10所示。双向4条行车道从桥塔中心算起共设有6×8=48个测点。编号和对应的实桥坐标位置分别为：

横桥向：

上游（车道1：Y=-7.374 m，车道2：Y=-5.499 m，车道3：Y =-3.624 m）

下游（车道4：Y = 3.624 m，车道5：Y = 5.499 m，车道6：Y = 7.374 m）

纵桥向：

S道：X=0 m A道：X =12.099 m

B道：X =24.198 mC道：X =36.297 m

D道：X =48.396 mE道：X =60.495 m

F道：X =96.897 mG道：X =108.996 m

在每个测点上测量风速剖面，共设8个点，高度范围从0.96～7.68 m，高度坐标分别为0.96 m、1.92 m、2.88 m、3.84 m、4.8 m、5.76 m、6.72 m、7.68 m。

试验中每个工况中各点位的测试数据均为15 360个，为便于比较，根据侧向气动力等效原则定义等效桥面风速如式（1）所示：

Ueff=1Zr∫Zr0U（Z）dz（1）

式中：Zr表示汽车所处的高度范围，取Zr=3.5 m；Ueff为等效桥面风速；U（Z）表示桥面不同高度处的侧向来流风速。

2 塔区桥面风速分布规律

在均匀来流风速为7.5 m/s、0°风攻角、0°风偏角的条件下，讨论施工态（裸梁）、成桥态（有防撞护栏无风障）、加风障成桥态（有防撞护栏有风障）3种不同工况下塔区风速分布特点。

由图11～图13可知，在3种工况下，塔区风环境均表现出明显的空间分布特点。如图14所示，在纵桥方向上，塔柱对来流风速有极强的屏蔽效果，桥塔处的桥面风速极低，大约在1 m/s；而沿着远离桥塔的方向，桥面风速会急剧上升，在距离桥塔中心线27 m（3倍桥塔宽度）附近处达到峰值，数值为来流风速的1.3倍；之后继续沿着远离桥塔的方向，桥面风速会缓慢降低并趋于稳定。这是因为桥塔的存在一方面使塔柱正后方出现遮风效应，风速较低；另一方面使来流绕塔柱分流，气流互相挤压，在靠近桥塔两侧出现风速加速区。塔柱的屏蔽效果在纵桥方向上存在一定的影响范围。这个影响范围主要集中在桥塔中心线两侧各45 m（5倍桥塔宽度）范围内，在63 m（7倍桥塔宽度）位置处可以忽略桥塔对来流风速的影响。安装防撞护栏和风障对塔柱遮风效应的影响范围几乎没有影响。

如图15～图17所示，在横桥方向上，桥面风速在4车道达到最大，在迎风侧1车道达到最小。安装防撞护栏和风障对横桥向风速分布影响很大。在高度方向上，裸梁施工态的塔区风速分布与高度几乎无关；安装防撞护栏和风障后，靠近桥面处风速显著降低，随着高度上升，风速逐渐增加并趋于稳定。

3 防撞护栏、风障的屏蔽效果分析

基于施工态（裸梁）、成桥态（有防撞护栏无风障）、加风障成桥态（有防撞护栏有风障）3种情况下的桥面等效风速，计算来流风速的变化率，以比较防撞栏杆和风障对来流的屏蔽效果。

由于F点与G点超出桥塔遮风效应的影响范围，流场相对稳定，测量精度较高，可作为屏蔽效果的评价数据点。在这里引用等效平均风速来描述桥面风速，设各车道等效平均风速如式2所示：

等效平均风速=（F点等效风速+G点等效风速）2（2）

防撞护栏、风障的降低风速效果用风速变化率来考虑。风速变化率定义为当前措施的等效平均风速减去未安装该措施的等效平均风速之后再除以后者。负号表示对风速有抑制作用，正号表示对风速有激励作用。

由图14可知，防撞护栏和风障对来流风速有明显的抑制效果。与施工态相比，防撞栏杆能将迎风侧1车道等效平均风速降低62%左右，将背风侧6车道处等效平均风速降低23%左右。与只安装防撞栏杆相比，风障能将迎风侧1车道等效平均风速降低36%左右，将背风侧6车道处等效平均风速提升5%左右。风障虽略微提高了成桥态背风侧6车道的等效平均风速，但大大降低了1车道～5车道的等效平均风速，因此风障对桥面来流风速有较好的抑制作用。相较于施工态（裸梁）断面，安装防撞护栏和风障情况后桥面各车道等效平均风速变化率如表1所示。由图15～图17可知，防撞护栏主要对迎风侧1车道、2车道来流风速有较强抑制作用，风障主对迎风侧1～4车道的来流风速均有较强抑制作用。風障在横桥向的抑制范围更广。

由图14可知，在纵桥方向上，设置防撞栏杆和风障不仅能够降低桥面等效风速，同时能够显著降低桥面峰值风速，使桥塔两侧风速加速区的风速变化梯度减小，这将导致车辆在桥面行驶的横向偏移量变小，避免与相邻车道的车辆发生事故。

对比图18、图19可知，在防撞栏杆高度（1.5 m）以下的距离桥面0.96 m高度处，沿纵桥向全长，防撞栏杆均对来流风速有显著的抑制效果，与无防撞栏杆0.96 m高度处平均风速相比，有防撞栏杆0.96 m高度处平均风速降低了79%。在距离桥面1.92 m高度处，虽然已经超过护栏的高度，但防撞栏杆对来流风速的抑制效果仍然很明显。随着高度上升，防撞栏杆的抑制效果逐渐减弱，为无防撞栏杆7.68 m高度处平均风速相比，有防撞栏杆7.68 m高度处平均风速降低了23%。安装防撞栏杆情况下沿高度方向的平均风速变化率如表2所示。

对比图19、图20可知，在防撞栏杆+风障高度（1.5 m+2.365 m=3.865 m）以下的距离桥面0.96 m、1.92 m、2.88 m、3.84 m高度处，沿纵桥向全长，风障均对来流风速有明显的抑制效果，与无风障0.96 m高度处平均风速相比，有风障0.96 m高度处平均风速降低了38%。在距离桥面4.8 m高度处，虽然已经超过风障的高度，但防撞栏杆对来流风速的抑制效果仍然很明显。随着高度上升，风障的抑制效果变化不大，有风障7.68 m高度处平均风速大约为无风障7.68 m高度处平均风速的37%。安装风障情况下沿高度方向的平均风速变化率如表2所示。

综上所述，防撞栏杆和风障对来流风速具有显著的屏蔽效果。在横桥向上，防撞护栏主要对迎风侧1车道、2车道来流风速有较强抑制作用，风障主对迎风侧1车道、2车道、3车道、4车道来流风速有较强抑制作用。在纵桥向上，施工态等效风速>成桥态等效风速>加风障成桥态等效风速；施工态风速变化梯度>成桥态风速变化梯度>加风障成桥态风速变化梯度。在高度方向上，防撞护栏在栏杆高度以下有显著的抑制效果，防撞栏杆的抑制效果随着高度上升逐渐减弱；在防撞护栏上安装风障后，对来流风速的抑制效果更加明显，且风障的抑制效果随着高度上升变化不大。

4 结论

经过塔区桥面风环境风洞试验，研究了塔区风速分布规律，分析了防撞护栏、风障的屏蔽效果，可得出几点结论：

（1）塔区风环境均表现出明显的空间分布特点。在纵桥方向上，桥塔的存在一方面使塔柱正后方出现遮风效应，风速较低；另一方面使来流绕塔柱分流，在靠近桥塔两侧出现风速加速区，在距离桥塔中心线3倍桥塔宽度处达到峰值，数值为来流风速的1.3倍。在横桥方向上，桥面风速在4车道达到最大，在迎风侧1车道达到最小。在高度方向上，针对不同桥面设施布置情况（裸梁施工态，防撞栏杆成桥态，防撞栏杆+风障成桥态），风速分布差异较大。

（2）防撞栏杆和风障对来流风速均具有显著的屏蔽效果。与施工态相比，防撞栏杆能将迎风侧1车道等效平均风速降低62%；与只安装防撞栏杆相比，风障能将迎风侧1车道等效平均风速降低36%。

（3）相较于仅安装防撞栏杆，沿横桥向，设置风障后来流风速的屏蔽区域明显增大，桥面风速显著降低区域由1～2车道扩大至1～4车道，沿桥面高度方向，风障的设置显著提高了屏蔽来流风速的高度范围，且对超过风障高度（3.865 m）40%处的桥面风速仍具有显著的抑制效果。

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