力洋港大橋橋面行車風環境風洞試驗研究

周玉娟，陳方東，沈旭東，郭震山

（1.寧波市高等級公路建設指揮部，浙江 寧波 315000；2.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006；3.同濟大學，上海市 200092）

力洋港大橋橋面行車風環境風洞試驗研究

周玉娟1，陳方東2，沈旭東2，郭震山3

（1.寧波市高等級公路建設指揮部，浙江 寧波 315000；2.浙江省交通規劃設計研究院，浙江 杭州 310006；3.同濟大學，上海市 200092）

通過風洞試驗研究了在設置防撞欄和風障兩種情況下力洋港大橋橋面風速分布情況。試驗結果表明，在設置了風障后，消除了橋面2～4.5 m高度范圍內橋面高風速區，有效降低了橋面側向風速，使得大橋橋面具有了比其接線高速公路更為優良的側風行車安全性。

橋面行車風環境；防撞欄，風障；風洞試驗；橋面等效風速；側風折減系數

0 引言

我國東南部沿海地區經常受到臺風侵襲，東南沿海高速公路中跨越江海等的大跨度橋梁經常會因為橋面風速過大而封閉交通，與此同時，整條高速公路其它路段由于路面風速并未達到封閉交通的標準而可以繼續通行。這樣，高速公路中的大跨度橋梁就成為整條高速公路通行的瓶頸。本文以甬臺溫高速復線工程中力洋港大橋為工程背景，研究了大橋橋面風速與其引線高速公路風速的關系，確定了橋面所需的減風效果系數，并通過風洞試驗方法對增加風障前后的橋面減風效果進行了測試，驗證了選定風障的減風效果。研究結果表明，通過在橋面的合適位置增加適當高度、透風率的風障可以明顯改善大跨度橋梁表面的行車風環境、降低橋面側風風速，使之達到與其接線高速公路相同的大風天氣通行能力。

1 工程概況

力洋港大橋是浙江省甬臺溫高速復線三門灣大橋及接線工程中的控制工程，跨越寧波地區的三門灣海域。主橋方案為主跨120 m的四跨連續梁雙薄壁連續剛構橋，跨徑布置為70 m+120 m+ 120 m+70 m=380 m。主橋縱向對稱軸處主梁設計標高為37.6 m，見圖1。主梁由兩幅對稱箱梁構成，每幅主梁寬度16.25 m，兩幅主梁間距0.5 m，全寬33.0 m；每幅主梁均采用變高度設計，三個薄壁墩頂主梁高度為7.5 m，120 m跨跨中截面高度和70 m跨過渡墩截面高度均為3.2 m，見圖2。

每幅主梁上設3車道，共6車道，主梁最外側布置兩條緊急停車帶。緊急停車帶寬度3 m，車道寬度為3.75 m。車道具體位置及布置情況見圖2，緊急停車帶和車道序號都是自來風方向開始。橋面系設計有兩種方式：

（1）不設風障布置，在兩幅主梁的兩側設置4道防撞欄，見圖2。防撞欄結構尺寸見圖3，混凝土墻體總高度為142 cm，頂端到橋面高度為100 cm。

（2）在兩幅主梁的外側安裝風障，內側采用防撞欄，見圖4。風障結構尺寸見圖5。風障由下部混凝土墻體和上部4條水平障條構成，總高度為3 264 mm，風障障條最頂端距離橋面3 084 mm。風障下部混凝土墻體與原防撞欄下部混凝土墻體相同，總透風率為31%，除去混凝土墻部分（混凝土墻頂端到水平障條頂端2 088 mm高度范圍內）透風率為46%。

2 橋面行車風環境評估基本原則

通常情況下跨海大橋為了滿足通航等需求，主橋必須具有足夠的通航凈空，因此主橋及與其連接的部分引橋設計高程遠遠高于與其相連接的地面道路的標高。按照《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01—2004)[1]，大氣邊界層中平均風速剖面（即：平均風速隨離開地表高度的變化規律）可用下述冪函數率表示：

式中：a為冪函數指數；z為離開地表高度，Zr為參考高度，Vr和Vz分別為參考高度處的參考風速和高度z處的風速。

圖1 力洋港大橋主橋總體布置（單位：m）

圖2 120 m跨根部、跨中主梁斷面圖（單位：cm）

圖3 防撞欄尺寸圖（單位：cm）

圖4 風障安裝位置示意圖（單位：cm）

圖5 風障結構尺寸圖（單位：mm）

根據式（1），主橋、引橋和地面道路等不同部位的標高相差越多，其風速也就相差越大。然而，在不考慮橋梁振動的情況下，對于某一輛以恒定速度行駛的確定車輛，其在整條道路不同位置上的抗風能力基本是一樣的，因此，橋面行車風環境評估以及風障設計一般可按下述基本原則進行：汽車在橋面上的安全通行能力接近其在接線地面道路上的安全通行能力。上述基本原則可稱為“全線等效側向風速一致性原則”，在本文中，將被進一步具體化為：橋面各車道上方4.5 m范圍內的等效風速不高于橋位處10 m高度處的風速。

3 橋面等效風速

當側向風吹過橋梁斷面時，橋面系構件（如欄桿，防撞欄等）和主梁斷面本身都會對周圍一定范圍內的氣流產生干擾，研究表明均勻側向風流經橋梁斷面后在橋面以上將形成一定厚度的附面層，其風剖面形式類似于自然界地表附近的風剖面，橋面附近的側向風速沿垂直方向的分布與式(1)所示的風剖面有一定區別，沿橋面橫向的分布也是很不均勻的，同一高度處越靠近主梁斷面前緣（上風側）側向風速越大。

由于橋面以上側向風速的大小隨著離開橋面的距離而變化，變化規律也因主梁斷面和橋梁系構件不同而不同，為了衡量橋面側向風速的大小，根據總風壓相等的原則定義橋面等效風速為：

式中：z’為離開橋面的高度；Hr為等效風速計算高度，與車輛在橋面上行駛時受側向風影響的高度范圍向對應。當研究不同車輛在給定橋梁上的通行風速限值時，通常對于大型車輛（大客車或集裝箱貨車）和小轎車Hr可分別取4.5 m和2.0 m。當研究改善橋面行車風環境的風障措施時，一般需要按大型車輛來考慮，即可統一取，Hr=4.5 m。

4 側風折減系數

由于車輛側風受風面的中心距離橋面也有一定的高度，以常見大型集裝箱貨車為例，其重心大約距離地面高度為1.5 m，因此將橋面以上1.5 m的位置作為研究橋面側風向風速的基準高度H，將基準高度處按式（1）計算的風速稱為基準高度風速，即：

式中：參考高度取為10 m；Vs10為橋位處10 m高度10min平均風速；h為橋面到地表（水面或地面）的距離；α為風剖面指數，根據浙江省氣候中心提供的《沿海高速公路（臺州段）氣象專題研究報告》[2]：本工程平均風剖面冪函數指數 α取為0.158。

一般情況下，受橋梁主梁斷面和橋面系構件的影響后，橋面等效風速會小于基準高度風速，即橋梁的主梁本身、欄桿等橋面系構件都具有一定的擋風作用，使得橋面以上一定高度范圍內的總風壓小于橋梁上游來流風壓，因此將橋面等效風速和基準風速的比值定義為橋面一定高度范圍內的側風折減系數，即：

側風折減系數反映了橋梁主梁斷面和橋面附屬構件對來流阻滯或遮擋作用的大小，值越小，阻滯或遮擋作用就越大。

5 大橋橋面行車風環境目標減風效果的確定

從行車安全角度出發，橋面上的側風折減系數應小于該橋位處的允許值。因此為改善大橋橋面行車風環境，使其具有與接線高速公路相近等效風速和安全通行能力，就必須在大橋（包括主橋和引橋）上安裝風障（wind barriers）系統減小橋面風速。假定引線高速公路與大橋連接段具有與大橋相同的風參數，那么，橋面基準高度H處側風折減系數的允許值[ηV]可根據前述橋面行車風環境評估來確定，即：

根據力洋港大橋主橋設計高程及地面高程數據，計算得到了如表1所示的主橋幾個關鍵控制點處所需的允許側風折減系數。由表1可知，若主橋上設置的標準風障可以達到0.812的側風折減系數，則該主橋將具有與其接線相同的等效平均風速，即大橋主橋在大風天氣下具有與其接線高速公路相同的通行能力和安全通行風速。

表1 允許側風折減系數

6 大比例模型風洞試驗情況

力洋港大橋橋面行車風環境風洞試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室的TJ-3大型邊界層風洞中進行。該風洞是一座豎向回流式閉口低速風洞，試驗段尺寸為15 m寬、2 m高、14 m長，其規模在同類邊界層風洞中居世界第二位。并列的7臺風扇由直流電機驅動，每臺電機額定功率為45 kW。空風洞最高風速可達17.6 m/s，流場性能良好，試驗區空風洞流場的速度不均勻性小于2%、湍流度小于2%、平均氣流偏角小于0.2°。

如圖1所示，力洋港大橋為4跨主梁變高度連續薄壁剛構橋，因此橋面風環境沿縱橋向分布是連續變化的。考慮到結構的對稱性，研究中選擇了其中120 m跨徑進行橋面風環境測試。為考慮兩端主梁及雙薄壁墩等結構對測試橋面風環境的影響，提高試驗段橋面風環境模擬的精確性，在模型設計中還制作了70 m跨、臨近120 m跨的一半長度60 m、雙薄壁墩及橋臺等結構。試驗中所模擬的力洋港大橋主橋結構范圍見圖6。

圖6 試驗模擬結構范圍及測試截面位置（單位：cm）

模型采用三維剛體模型，幾何縮尺比取為1: 40。整座模型長度6.25 m，包含風障高度約為1.02 m，兩幅主梁每幅寬度均為0.406 m，間距0.012 5 m。為提高模型的剛度，模型特別采用類似全橋氣動彈性模型的制作方式，由芯棒和外衣兩部分組成。在兩幅主梁及雙薄壁墩內部均采用厚度約2 mm的鋁合金方管制作的芯棒，外衣則有3 mm厚度有機玻璃板制成，外衣和芯棒之間采用剛性連接。外衣完全模擬結構外形，而剛度較大的芯棒則可以讓整個模型具有足夠剛度支撐起整個結構，同時在氣流作用下不會發生變形和振動，從而保證了測試的精確性。

橋面系模擬了兩種情況，一是原橋面系，即在兩幅主梁的兩側各設置防撞欄。二是增設主橋標準風障，即在兩幅主梁的外側設置風障，內側設置防撞欄。防撞欄、風障等橋面系采用ABS工程塑料或有機玻璃，由電腦雕刻制作。

7 防撞欄工況下橋面風環境風洞試驗結果[3]

對5號墩頂（S1）和跨中（S2）截面全部車道風環境進行了測試。測試中各車道測點均位于該車道上風側邊緣處。表2為試驗得到的三個截面各車道距橋面2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范圍的側風折減系數。圖7為兩截面各車道風速系數隨高度變化剖面圖。

表2 墩頂及跨中截面各車道側風折減系數（防撞欄）

圖7 S1、S2截面各車道風速系數剖面（防撞欄）

由風洞試驗結果可知：

（1）S1和S2三個截面，對應2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范圍的側風折減系數在橋面各車道從上風側到下風側變化規律不同。由于力洋港大橋以4.5 m高度為橋面等效風速計算標準，因此應以位于上風側的車道1為橋面側風行車最不利車道。

（2）跨中S2截面各車道側風折減系數大于墩頂S1截面相應車道側風折減系數，這表明主梁高度對于橋面側風折減系數影響較大，對于力洋港大橋主梁截面而言，主梁高度越低，寬高比越大，則橋面側風折減系數越大，橋面側風行車安全性越低。

（3）在同一車道處，2.0 m、4.5 m到5.0 m三種高度范圍內的側風折減系數依次增大，這表明在橋面上，小型轎車的行車安全性要明顯好于其它大型車輛。

（4）來流受阻擋并繞過防撞欄下部的混凝土墻，在混凝土墻體上方一定高度范圍內形成高流速區，而且主梁高度越大，混凝土墻遮擋區域內風速越低，高于遮擋區后氣流速度變化越快。這一現象在上風側三車道范圍內非常明顯，墩頂S1截面車道1～車道3在2.25 m高度范圍內風速系在0.1左右，高度超過2.25 m后側向風速迅速變大，在3.25 m時達到最高，約為來流風速的1.2倍。跨中S2截面由于主梁高度較小，風速突變現象僅在車道1時比較明顯。

（5）在防撞欄橋面系情況下，混凝土墻體對1.5～2.0 m高度以下范圍內側風阻擋明顯，橋面最不利車道風速系數低0.2；但會在2.0～3.25 m高度范圍內形成一個風速突變區，3.25～5.0 m高度范圍內風速約為來流的1.2倍。其有效遮擋區域高度在2.0 m左右，對于大型車輛側風行車安全性較為不利。

（6）在防撞欄橋面系情況下，S2截面車道1、2和3側風折減系數大于側風折減系數0.812，不滿足“全線等效側向風速一致性原則”的要求。

8 風障工況下橋面風環境風洞試驗結果[3]

對5號墩頂（S1）和跨中（S2）截面全部車道風環境進行了測試。測試中各車道測點均位于該車道上風側邊緣處。表3為試驗得到的三個截面各車道距橋面2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范圍的側風折減系數。圖8為兩截面各車道風速系數隨高度變化剖面圖。

表3 墩頂及跨中截面各車道側風折減系數（防撞欄）

圖8 S1、S2截面各車道風速系數剖面（風障）

由風洞試驗結果可知：

（1）S1和S2三個截面，對應2.0 m高度范圍的側風折減系數在橋面各車道都低于0.2，從上風側到下風側變化規律不明顯；對應4.5 m和5.0 m兩個高度范圍的側風折減系數在上風側3車道依次減小，下風側3車道則依次增大，呈現主梁外側車道大于內側車道，且車道1最大的規律。由于力洋港大橋以4.5 m高度為橋面等效風速計算標準，因此應以位于上風側的車道1為橋面側風行車最不利車道。

（2）跨中S5截面各車道側風折減系數大于墩頂S1和S9截面相應車道側風折減系數，這表明主梁高度對于橋面側風折減系數影響較大，對于力洋港大橋主梁截面而言，主梁高度越低，寬高比越大，則橋面側風折減系數越大，橋面側風行車安全性越低。

（3）在同一車道處，2.0 m、4.5 m到5.0 m三種高度范圍內的側風折減系數依次增大，這表明在橋面上，小型轎車的行車安全性要明顯好于其它大型車輛。

（4）在設置了風障后，在距橋面5 m高度范圍內，各車道處側向風速都有了明顯降低。跨中S2截面在4.25 m，墩頂S1截面在4.75 m高度范圍的側向風速都小于來流風速，結果表明風障的遮擋效果可以達到4.5 m左右，覆蓋了一般大型車輛的高度，主橋標準風障的高度選擇是合理的，可以起到明顯的減風效果。

（5）在設置了風障之后，跨中S1和墩頂S2截面各車道側風折減系數都小于側風折減系數0.812，滿足“全線等效側向風速一致性原則”的要求。

9 結語

（1）力洋港大橋側風控制標準可按照“全線等效側向風速一致性原則”來確定：為使汽車在橋面上的等效側向風速接近地面道路上的等效側向風速，應當使得橋面各車道上方4.5 m范圍內的等效風速不高于橋址位處10.0 m高度處的風速。

（2）防撞欄的有效遮擋高度在2.0 m左右；主梁高度較高的墩頂截面橋面風速小于主梁高度較小的跨中截面；從上風側到下風側6個車道，對應4.5 m高度范圍的側風折減系數會依次降低，最不利車道均為車道1；5號墩頂及跨中截面車道1的4.5 m高度范圍側風折減系數分別為 0.715和0.856。跨中截面上風側三車道均不滿足“全線等效側向風速一致性原則”。

（3）設置風障工況后，力洋港大橋120 m主跨跨中和5號墩頂截面橋面全部6個車道風環境測試結果表明：風障的有效遮擋高度在5.0 m左右；主梁高度較高的墩頂截面橋面風速小于主梁高度較小的跨中截面；對應4.5 m和5.0 m兩個高度范圍的側風折減系數在上風側3車道依次減小，下風側3車道則依次增大，呈現主梁外側車道大于內側車道，且車道1最大的規律。5號墩頂及跨中截面車道1的4.5 m高度范圍側風折減系數分別為0.296和0.521。滿足“全線等效側向風速一致性原則”。

（4）通過設置風障可以有效降低力洋港大橋橋面側風風速，使得大橋橋面風速降低到與其引線高速公路相近的水平，從而實現“全線等效側向風速一致性原則”的目標，避免大橋成為影響高速公路大風天氣下通行能力的制約因素。

[1]JTG/T D60-01-2004,公路橋梁抗風設計規范[S].

[2]浙江省氣候中心.沿海高速公路（臺州段）氣象專題研究報告[R].2013.

[3]郭震山.力洋港大橋橋面行車風環境風洞試驗研究[R].同濟大學土木工程防災國家重點實驗室研究報告 SLDRCE WT201601,2016.

河北擬再建三條地鐵對接北京

近日，河北省發改委發布《河北省軌道交通發展“十三五”規劃》，《規劃》提出將就高速鐵路、普通鐵路和城市軌道同時發力，基本實現環京津縣市與京津中心城區0.5～1 h通勤圈。《規劃》還提出研究建設亦莊至廊坊、大興至固安、房山至涿州等3條地鐵聯通北京。屆時，京冀市民有望通過地鐵往來。河北環京縣市將率先體驗到京津冀一體化的便利。

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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，高級工程師，從事高等級公路建設設計科研管理工作。