福州長門特大橋北引橋風(fēng)障設(shè)計和抗風(fēng)研究

■洪錦祥

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計院，福州 350004）

1 引言

福州長門特大橋是福州繞城高速公路東南段的控制性工程，大橋位于閩江下游，瀕臨入海口處，在福州市連江縣長門村和瑯岐島之間跨越閩江，受通航凈空要求，橋面設(shè)計較高。由于大氣邊界層存在的梯度風(fēng)效應(yīng)，大橋橋面高度的風(fēng)速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地面接線高速公路的風(fēng)速。當(dāng)?shù)孛娼泳€處風(fēng)速還低于橋梁規(guī)范規(guī)定的安全通行風(fēng)速時，大橋橋面處的風(fēng)速就已達到或超過了安全通行風(fēng)速。這就意味著大橋和接線具有不同的大風(fēng)通行能力，大橋?qū)⒊蔀橐粋€制約整條福州繞城高速公路東南段的關(guān)鍵點。

受主橋標(biāo)高和地形限制，大橋北引橋橋面同樣較高，為充分發(fā)揮長門特大橋瑯岐島生命通道的重要作用，本文以福州長門特大橋北引橋為研究對象，通過流體動力學(xué)理論，對引橋的橋面風(fēng)環(huán)境進行分析，在大跨度橋梁的引橋上首次使用風(fēng)障降低橋面風(fēng)速，提高了引橋橋面?zhèn)蕊L(fēng)行車安全性，使其具有與接線相同或更高的通行能力。同時，通過節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗，對引橋主梁斷面的氣動力三分力系數(shù)進行了研究。

2 工程概況

長門特大橋主橋為主跨550m的雙塔雙索面斜拉橋，南端與隧道相連，僅有北引橋，長514m，橋跨布置為35+40+35+10×40m（圖1所示），上部采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁（橫斷面布置如圖2所示），左、右線橋間距由50cm到1100cm連續(xù)變化。主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為：雙向六車道，設(shè)計速度 100 km/h，設(shè)計荷載公路－I級，設(shè)計基本風(fēng)速39.7m/s[1]。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 橫斷面布置圖（單位：cm）

3 風(fēng)障減風(fēng)效果目標(biāo)

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[2]，大氣邊界層中平均風(fēng)速剖面（即平均風(fēng)速隨離開地表高度的變化規(guī)律）：

其中，α為地表粗糙度系數(shù)（根據(jù)文獻[1]，長門特大橋橋址區(qū)地表類別為A～B類之間，取0.15）；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(fēng)速和高度z處的風(fēng)速。

側(cè)向風(fēng)在流經(jīng)橋面時會形成一定厚度的附面層，即距離橋面一定高度范圍內(nèi)，不同高度的風(fēng)速是不同的[3]，其變化規(guī)律也因主梁斷面和橋梁系構(gòu)件不同而不同，為了衡量橋面?zhèn)认蝻L(fēng)速的大小，根據(jù)總風(fēng)壓相等的原則定義橋面等效風(fēng)速為：

其中，z′為離開橋面的高度；Hr為等效風(fēng)速計算高度，與車輛在橋面上行駛時受側(cè)向風(fēng)影響的高度范圍相對應(yīng)。當(dāng)研究改善橋面行車風(fēng)環(huán)境的風(fēng)障措施時，一般按大型車輛考慮，Hr取4.5m。

受主橋標(biāo)高和地形限制，大橋北引橋橋面遠(yuǎn)高于與其相連接的接線高速公路的標(biāo)高，由式（1）橋面處風(fēng)速要大大高于接線的風(fēng)速。因此，為改善橋面行車風(fēng)環(huán)境，使其具有與接線高速公路相近等效風(fēng)速，就必須安裝風(fēng)障系統(tǒng)減小橋面風(fēng)速。

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(fēng)能力基本是一樣的，因此，本橋風(fēng)障設(shè)計時考慮橋面與其接線路面的等效側(cè)向風(fēng)速相同，則認(rèn)為汽車在兩處具有相同的側(cè)風(fēng)行車安全性。具體設(shè)計和抗風(fēng)研究時：（1）由于橋址處地表類別介于A和B類之間，因此接線路面風(fēng)速偏安全取橋址處5m高度風(fēng)速；（2）橋面各車道上方4.5m范圍內(nèi)的等效風(fēng)速不高于橋址處5m高度風(fēng)速。

為反映設(shè)置風(fēng)障后的減風(fēng)效果目標(biāo)，將橋面等效風(fēng)速Veq和基準(zhǔn)高度風(fēng)速VH的比值定義為橋面一定高度范圍內(nèi)的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)ηv：

其中，Vs10為橋址處基本風(fēng)速；H為基準(zhǔn)高度。由于車輛側(cè)風(fēng)受風(fēng)面的中心距離橋面有一定的高度，以常見大型集裝箱貨車為例，其重心大約距離地面高度為1.5m，因此將橋面以上1.5m的位置作為研究橋面?zhèn)蕊L(fēng)向風(fēng)速的基準(zhǔn)高度。

其中，h為橋面到地表（水面或地面）的距離。

根據(jù)橋面設(shè)計標(biāo)高和地面標(biāo)高，計算得到了左、右線橋在各橋墩處所需的允許側(cè)風(fēng)折減系數(shù)，列于表1。由表1可知，當(dāng)設(shè)置風(fēng)障后引橋的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)小于0.694，則引橋橋面等效平均風(fēng)速將低于接線路面平均風(fēng)速，即引橋在大風(fēng)天氣下具有與其接線相同或更高的通行能力。

4 風(fēng)障設(shè)計

經(jīng)過多輪CFD分析計算，并考慮到美學(xué)、施工方便等因素，最終確定的北引橋風(fēng)障為在原有引橋混凝土防撞欄的基礎(chǔ)上修改設(shè)計。下部結(jié)構(gòu)仍為防撞欄，上部為國內(nèi)首次采用的曲線式鋼立柱加標(biāo)準(zhǔn)鋼制矩形風(fēng)障條。北引橋風(fēng)障布置如圖3所示，曲線式立柱安裝在混凝土防撞護欄上，縱橋向間距1.5m，立面上風(fēng)障條由七根標(biāo)準(zhǔn)矩形擋風(fēng)橫條組成，上部透風(fēng)率60%，立柱和風(fēng)障條均采用Q345C鋼材。

5 橋面風(fēng)環(huán)境CFD分析

采用Fluent軟件對橋面風(fēng)環(huán)境進行數(shù)值模擬分析，采用k-εRNG紊流模型和三角形網(wǎng)格，圖4、圖5分別為安裝風(fēng)障前、后的CFD計算模型。其中，B為兩幅主梁的總寬；D為兩幅主梁的間距，計算時取最小值 50cm、平均值575cm和最大值1100cm。計算模型忽略了縱橋向非連續(xù)分布的附屬結(jié)構(gòu)，如風(fēng)障的立柱等。分析時，計算區(qū)域的計算截面重心至上、下邊界距離均為10B，計算截面形心至左、右邊界距離分別為10B和20B；計算區(qū)域的頂部和底部都設(shè)為無摩擦墻面邊界條件，上游設(shè)為速度入口邊界條件，下游設(shè)為壓強出口邊界條件，主梁和表面都設(shè)為無滑移墻面邊界條件。計算速度入口邊界條件采用均勻流Vx=20m/s，Vy=0m/s；出口壓強為大氣壓。

表1 左、右線橋各橋墩處允許側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

圖3 風(fēng)障布置圖（單位：cm）

圖4 無風(fēng)障工況CFD計算模型（單位：cm）

圖5 有風(fēng)障工況CFD計算模型（單位：cm）

圖6～8所示，分別為安裝風(fēng)障前，主梁不同間距，橋面附近區(qū)域的相對流速及流線圖。可以看出：由于防撞欄的透風(fēng)率為零，氣流在繞過形狀較鈍的主梁后，在上風(fēng)側(cè)橋面上方形成較大范圍的高流速區(qū)，下風(fēng)側(cè)靠近橋面處風(fēng)速有一定的增大；主梁間距增大后，上風(fēng)側(cè)橋面風(fēng)速分布情況變化不大。

圖9～11所示，則分別為安裝風(fēng)障后，主梁不同間距，橋面附近區(qū)域的相對流速及流線圖。可以看出：安裝風(fēng)障后，橋面上方的流速有較大降低，低風(fēng)速區(qū)的高度有一定擴大；主梁間距增大后，橋面風(fēng)速分布依然保持穩(wěn)定，變化不大。

圖6 安裝風(fēng)障前相對流速和流線圖（D=50cm）

圖7 安裝風(fēng)障前相對流速和流線圖（D=575cm）

圖8 安裝風(fēng)障前相對流速和流線圖（D=1100cm）

圖9 安裝風(fēng)障后相對流速和流線圖（D=50cm）

圖10 安裝風(fēng)障后相對流速和流線圖（D=575cm）

圖11 安裝風(fēng)障后相對流速和流線圖（D=1100cm）

圖12所示為主梁間距50cm時，安裝風(fēng)障前，橋面各車道上風(fēng)側(cè)邊緣處風(fēng)剖面圖。可以看出：安裝風(fēng)障前，車道1橋面上方2.8m高度以上平均風(fēng)速均高于來流風(fēng)速；上風(fēng)側(cè)三個車道的遮擋區(qū)范圍均小于3.5m；其余3個車道在4.5m高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速都低于來流風(fēng)速。

圖12 安裝風(fēng)障前各車道平均風(fēng)速剖面（D=50cm）

圖13所示為兩幅主梁間距50cm時，安裝風(fēng)障后，橋面各車道上風(fēng)側(cè)邊緣處風(fēng)剖面圖。可以看出：安裝風(fēng)障后，除車道1橋面上方約4.25m高度以上平均風(fēng)速均高于來流風(fēng)速外，其余5條車道在4.5m高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速都低于來流風(fēng)速，即風(fēng)障遮擋區(qū)高度在4.5m以上。

由于篇幅關(guān)系，未給出兩幅主梁間距575cm和1100cm時，安裝風(fēng)障前、后，各車道的風(fēng)剖面圖。但分析表明，主梁間距增大對遮擋區(qū)范圍影響不大。

表2和表3給出了安裝風(fēng)障前后橋面各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)的計算結(jié)果，表中H為等效風(fēng)速計算高度，*代表此等效風(fēng)速的風(fēng)向與來流風(fēng)向相反。從表2和表3可以看出：安裝風(fēng)障前，雖然防撞欄對來流風(fēng)有一定的為遮擋作用，但其遮擋作用有限，橋面部分車道的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)超過了允許值0.694；安裝風(fēng)障后，風(fēng)障的遮擋效果顯著，橋面各車道的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)都小于允許值。

圖13 安裝風(fēng)障后各車道平均風(fēng)速剖面（D=50cm）

表2 安裝風(fēng)障前各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

表3 安裝風(fēng)障后各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

上述的CFD分析表明，北引橋的風(fēng)障設(shè)計合理，安裝風(fēng)障后，達到了減風(fēng)效果的目標(biāo)，引橋在大風(fēng)天氣下具有與其接線相同或更高的通行能力。

6 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗

安裝風(fēng)障后，北引橋的行車風(fēng)環(huán)境得到了改善，但斷面形狀發(fā)生了改變，風(fēng)障具有遮擋作用，可能引起橋梁風(fēng)荷載的增加，有必要通過節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗，得到主梁氣動靜力三分力系數(shù)的整體狀態(tài)，用于風(fēng)荷載的計算，指導(dǎo)設(shè)計。

節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家實驗室TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進行。根據(jù)實橋主梁斷面尺寸和風(fēng)洞試驗段尺寸以及直接試驗法的要求，主梁節(jié)段模型的縮尺比取1/55。試驗時，分別對不同主梁間距D（50、575 和 1100cm），-10～10 度風(fēng)攻角下，成橋和施工（無護撞欄和風(fēng)障）狀態(tài)，上、下風(fēng)側(cè)主梁的三分力系數(shù)進行測試。圖14所示為成橋狀態(tài)的主梁測力模型 （D=575cm）。

圖14 成橋運營狀態(tài)主梁測力模型（D=575cm）

表4～6分別給出了-3、0和3度風(fēng)攻角下，主梁斷面三分力系數(shù)。C_H、C_V和C_M分別為橫向力、豎向力和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。可以看出：上風(fēng)側(cè)橋的橫向力和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)遠(yuǎn)大于下風(fēng)側(cè)橋；隨兩幅主梁間距的增大，下風(fēng)側(cè)橋的橫向力、豎向力和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)均隨之增大，而半風(fēng)側(cè)橋的橫向力系數(shù)基本穩(wěn)定；由于風(fēng)障、防撞欄等橋面系的遮擋作用，成橋狀態(tài)時下風(fēng)側(cè)橋橫向力系數(shù)較施工狀態(tài)小；上風(fēng)側(cè)橋的豎向力系數(shù)在成橋狀態(tài)隨主梁間距的增大而增大，而施工狀態(tài)則隨主梁間距的增大而減小。

表4 風(fēng)攻角-3度時主梁斷面三分力系數(shù)

表5 風(fēng)攻角0度時主梁斷面三分力系數(shù)

表6 風(fēng)攻角+3度時主梁斷面三分力系數(shù)

7 結(jié)語

通過長門特大橋北引橋橋面風(fēng)環(huán)境CFD分析和節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗，發(fā)現(xiàn)：

（1）采取減風(fēng)措施前，橋面部分車道的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)大于允許值。為發(fā)揮長門特大橋瑯岐島生命通道的重要作用，在北引橋應(yīng)安裝合理風(fēng)障，改善行車風(fēng)環(huán)境，提高橋面安全通行風(fēng)速。

（2）設(shè)計所采用的風(fēng)障設(shè)置方案，能將橋面各車道的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)控制在允許值以內(nèi)，橋面等效平均風(fēng)速將低于接線路面平均風(fēng)速，北引橋在大風(fēng)天氣下具有與其接線相同或更高的通行能力。

（3）通過節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗，得到了主梁氣動靜力三分力系數(shù)的整體狀態(tài)，可用于北引橋的設(shè)計計算，并可供類似橋梁設(shè)計參考。

[1]國家海洋局閩東海洋環(huán)境監(jiān)測中心站.長門特大橋橋位氣象觀測及風(fēng)參數(shù)研究專題技術(shù)報告[R].2010.

[2]JTG/T D60—01—2004,公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范（S）.

[3]周奇,朱樂東,郭震山.曲線風(fēng)障對橋面風(fēng)環(huán)境影響的數(shù)值模擬［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報,2010（10）:38-44.