不同結構參數下橋梁風障阻風性能試驗

詹鎧臻， 林曉波， 楊亞林， 練江峰， 侯海濤， 劉功毫， 胡磊， 林立

(1. 廈門市公路事業發展中心， 福建 廈門 361000； 2. 福州大學土木工程學院， 福建 福州 350108； 3. 廈門理工學院風災害與風工程福建省重點實驗室， 福建 廈門 361024； 4. 廈門中平公路勘察設計院有限公司， 福建 廈門 361000)

0 引言

21世紀世界橋梁工程的發展進入了跨海連島時代[1]， 許多長大跨海橋梁得以興建. 由于受到海洋氣候影響， 橋面經常出現高速橫風， 在大風天氣， 橋梁的橋面側風會使車輛偏移其正常行駛軌跡甚至導致車輛側翻， 對橋面行車安全造成嚴重的影響[2-5]. 為減少橋上橫風對車輛的影響， 保證橋上行車安全， 目前， 國內外大跨度橋梁如港珠澳大橋、 青馬大橋、 杭州灣跨海大橋、 泉州灣跨海大橋、 寧波象山港大橋、 法國米約高架橋、 英國賽文二橋等均在橋面安裝風障[6]. 橋梁擋風障阻風效率主要受高度與孔隙率等結構參數影響[7-8]， 參數設置的合理與否， 不僅影響橋上行車的安全性和舒適性， 同時影響橋梁建設的投資成本. 許多學者同時也開展了橋梁擋風障對橋梁及車橋系統的氣動特性研究[9-11]， 研究結果均表明， 設計合理的擋風障， 可以改善橋梁風環境， 提高行車安全標準風速.

國內外橋梁主要針對障條式擋風障的障條形式等參數開展擋風障實際應用與研究， 對其阻風效率、 風阻形式、 相關關鍵參數影響規律的研究及比對工作較少. 本研究將采用風洞模型流場測速試驗的手段， 分析板挖圓孔及障條式擋風障遮擋效率相關關鍵參數及其影響規律.

1 試驗條件

圖1 XMUT-WT風洞實驗室全景圖

風洞試驗是全世界公認的研究風工程最有效的方法， 風洞試驗需要滿足模型與原型的幾何相似、 運動相似和動力相似[12]. 本次風洞試驗的環境如圖1所示， 試驗模型置于低速試驗段， 低速試驗段長×寬×高為25 m × 6 m × 3.6 m.

影響流體運動的作用力主要是黏滯力、 重力等. 分別以符號T、G和I代表黏滯力、 重力和慣性力， 則有：

(1)

式中： 下標p代表實際構件； 下標m代表模型.

由相似關系可以得到弗勞德準則等相似準則， 其表征慣性力(I)與重力(G)之比， 其中，

G=ρgl3;I=ρl2v2

(2)

式中：ρ為空氣密度(g·cm-3)；g為重力加速度(m·s-2)；l為物體特征長度(m)；v為物體運動速度(m·s-1).

討論復合材料補片種類的不同對修復效果的作用，分別采用硼/環氧樹脂、碳/環氧樹脂和玻璃纖維材料的補片對損傷結構進行再制造膠粘修復。圖7給出復合材料補片種類對修復效果的作用，圖8所示為補片種類作為變量時裂紋尖端半橢圓中心角α為0°和90°處對應的修復效果。

2 試驗設計

2.1 試驗模型

考慮到橋梁會對擋風障的前后風場產生一定的影響， 為使試驗條件更加貼近實際情況， 將橋梁擋風障放置于橋梁模型上進行試驗. 試驗段橋梁長度為1.8 m， 截面采用箱梁形式. 為探究不同擋風障在距迎風面不同位置處車道的阻風效率， 設置了3個車道. 此外， 橋梁模型幾何縮尺比的選擇考慮阻塞比[13]的影響， 阻塞比為：

(3)

式中：Ac為風洞試驗段的橫截面積(m2)；Am為試驗模型在試驗段橫截面的最大投影面積(m2).

考慮到試驗模型放置于風洞試驗室迎風面的空氣阻塞率為3%～5%， 本模型的橋梁箱梁和擋風障模型的幾何縮尺比為1∶10， 擋風障模型參數如表1所示.

表1 擋風障模型主要參數統計表

2.2 測點布置

風洞實驗室中模型及傳感器安裝完成實景圖如圖2所示. 試驗在風速精度為±0.5 m·s-1， 型號為Series100 Cobra Probe 的TFI眼鏡蛇脈動風速儀上進行， 測量橋面各車道中心線一定高度范圍內的平均風速剖面. 設置采樣頻率為600 Hz, 各測點采樣時長為60 s. 考慮到橋面行駛車輛寬度基本上不會超過4.5 m， 本次試驗測量各個車道中心線(共3個車道)0～45 cm高度測點的風速， 以此獲得各車道上的風速風剖面. 各車道測點從2.5 cm高度開始， 每隔2.5 cm設置一點， 共18個測點. 測點分布及傳感器布置如圖3、 圖4所示.

圖2 眼鏡蛇脈動風速儀安裝實景圖

圖3 測點布置圖(單位: mm)

圖4 傳感器布置圖

3 試驗結果分析

3.1 平均風速剖面圖

將不同風速工況下各擋風障后方， 3車道中心線上方各測點風速值連線， 得到0～45 cm高度范圍內的平均風速剖面圖， 分析高度與孔隙率對擋風障阻風效率的影響規律.

1) 不同高度障條擋風障阻風性能分析. 裸橋及安裝不同高度障條式擋風障后， 各車道上測得的平均風速剖面圖如圖5所示. 由圖5可知， 擋風障遮擋效率隨障條式擋風障高度增加而增加， 不同來流風速下， 不同高度方案后方風速折減規律一致. 車道1處， 不同高度的障條擋風障在其結構高度范圍內有較好的阻風效果， 當測點高度大于結構高度時， 其風速迅速上升， 并分別在20.0、 22.5、 42.5 cm高度處與來流風速接近， 其后高度存在加速效應. 各高度擋風障在車道1離地面高度較低的車輛升力影響敏感區域即貼地層區域出現測點風速大于裸橋工況的現象， 與風障頂部相比， 在貼層區域風更難從風障頂部位置繞流通過， 因此該位置擋風障內外風壓比裸橋工況更大， 不利于車輛行駛穩定性.

圖5 兩種風速工況下不同高度障條擋風障各車道平均風速剖面圖

2) 不同孔隙率障條擋風障阻風性能分析. 裸橋及安裝不同孔隙率障條式擋風障后， 各車道上測得的平均風速剖面圖如圖6所示. 障條式擋風障阻風效率隨著孔隙率的減小而增加. 不同來流風速下， 不同孔隙率擋風障后方風速折減規律相似. 由圖6(a)、 (b)、 (d)、 (e)可知， 孔隙率由60%降低為50%過程中， 擋風障遮擋效果的改善程度明顯大于孔隙率由50%降低為40%的過程. 這表明當擋風障高度為定值時， 存在一個合理的孔隙率， 即孔隙率取為該值的擋風障的阻風效果優于孔隙率較大的擋風障； 而與孔隙率值較小的擋風障相比， 其阻風效果在近地面較優， 在一定高度范圍內與小孔隙率擋風障差別較小， 故其整體阻風效果與小孔隙率擋風障接近. 不同孔隙率的障條式擋風障在車道1、 車道2貼近地面高度的遮擋效果較差.

圖6 兩種風速工況下不同孔隙率障條擋風障各車道平均風速剖面圖

圖7 兩種風速工況下不同高度板挖圓孔擋風障各車道平均風速剖面圖

4) 不同孔隙率板挖圓孔擋風障阻風性能分析. 裸橋及安裝不同孔隙率板挖圓孔擋風障后， 各車道上測得的平均風速剖面圖如圖8所示.

圖8 兩種風速工況下不同孔隙率板挖圓孔擋風障各車道平均風速剖面圖

由圖8可見， 不同孔隙率擋風障有效遮擋高度接近， 在車道1、 車道2、 車道3上分別為35、 40、 40 cm， 這表明板挖圓孔擋風障對其后方各車道上整體遮擋效率隨著孔隙率減小而降低， 而其對擋風障有效遮擋高度影響有限. 不同孔隙率板挖圓孔擋風障方案對其后方各車道的遮擋效果隨著來流風速增加并未發生明顯變化.

3.2 風速折減系數

風速折減系數是評價橋梁擋風障阻風效果的重要指標， 能直觀對比不同擋風障的阻風效率， 從而發現擋風障高度、 孔隙率等參數對橋梁擋風障的阻風效果的影響程度， 為實際工程應用提供參考. 通過每一工況下風洞試驗得到的各個車道中心線0～45 cm高度范圍內的平均風速剖面圖， 根據矩形風剖面和實際風剖面壓力總和相等的等效原則， 得到不同擋風障方案(包括無風障工況)橋面各個車道的等效風速. 將等效風速無量綱后即可得到風速折減系數， 各車道的風速折減系數[17]可由下式計算.

(4)

式中：zr為橋梁風剖面的實際高度范圍， 一般不超過4.5 m， 因此， 本文計算等效橋面風速時， 取zr=4.5 m；u(z)為各個行車道在z高度處的橫向風速值；u0為來流風速.

通過式(4)可以評價不同橋梁擋風障方案的阻風效果. 風速折減系數越小， 擋風障的阻風效果越好.

1) 障條擋風障不同高度、 孔隙率下阻風性能分析. 不同高度、 孔隙率障條擋風障3個車道的等效風速折減系數對比圖如圖9所示. 障條擋風障的風速折減系數隨著擋風障高度的增加而減小， 隨著孔隙率的減小而減小. 在車道1、 車道2上， 風障高度從10 cm增加到20 cm， 對風速折減系數產生的影響明顯小于風障高度從20 cm增加到30 cm的值， 這可能是由于風障頂部的上方高度存在加速區域， 在風障高度較小時， 此區域或部分區域包含在風速折減系數的計算區域內， 使得風速折減系數較大， 而隨著擋風障高度的增加， 上述加速區域或部分區域超出計算范圍， 風速折減系數隨之減小. 通過對比孔隙率由60%降低至50%及50%降低至40%的過程中， 除了車道1之外， 其余車道的風速折減系數在前一過程的變化明顯大于后一過程. 這表明， 當障條擋風障距離車道一定距離后， 其孔隙率存在一個適宜值， 該孔隙率值的擋風障與更小孔隙率值擋風障阻風效率接近. 擋風障對3個車道的遮擋效率由高到低依次為： 車道3、 車道2、 車道1.

圖9 兩種風速工況下障條方案各車道風速折減系數對比圖

2) 板挖圓孔擋風障不同高度、 孔隙率下阻風性能分析. 不同高度、 孔隙率板挖圓孔擋風障各車道的等效風速折減系數對比圖如圖10所示. 板挖圓孔擋風障的風速折減系數隨著擋風障高度增加而減小， 隨著孔隙率減小而減小. 在高度由10 cm增加至20 cm過程中， 風速折減系數減小幅度小于高度由20 cm增加為30 cm過程中的值. 表明存在適宜高度， 當擋風障大于這一高度時， 擋風障高度對提升阻風效率作用有限. 在孔隙率由60%降低至40%的過程中， 各車道上的風速折減系數與孔隙率呈現非線性關系， 尤其對于風速折減系數較大的車道1與車道2， 風速折減系數隨著孔隙率變化的速率在靠近40%的一端明顯加快. 這是由于板挖圓孔擋風障在該的孔隙率在該取值段附近存在適宜孔隙率， 在擋風障高度一定時， 采用該最優孔隙率或更小值設計的擋風障的遮擋效果接近. 通過對比不同車道的風速折減系數， 發現隨著板挖圓孔擋風障高度的增加， 其相鄰車道間的風速折減系數差值變大. 擋風障對3個車道的遮擋效率由高到低依次為： 車道3、 車道2、 車道1.

圖10 兩種風速工況下圓孔方案各車道風速折減系數對比圖

4 結語

基于擋風障模型流場測速試驗結果， 分析板挖圓孔和障條式擋風障遮擋效率相關關鍵參數及其影響規律， 得到如下結論：

1) 安裝橋梁擋風障后， 橋面附近區域的平均風速隨來流風速的增加而增加. 在不同風速工況下， 跨海橋梁擋風障后方的有效遮擋區域一致.

2) 安裝擋風障后， 橋面風速明顯降低， 阻風效果最好為30 cm高、 40%孔隙率圓孔方案， 在車道2、 3上該方案風速折減系數僅為裸橋工況17%～18%. 有效遮擋區域高度隨著擋風障高度增加而增加， 區域內風速隨著擋風障的孔隙率增加而變大.

3) 擋風障在貼地層區域阻風效率隨著高度增加而降低， 板挖圓孔擋風障對貼地層遮擋效率高于障條式擋風障. 障條式擋風障在貼地層區域風速較大， 尤其是車道1貼地層出現局部風速加速現象， 甚至擴大了貼地層加速現象的范圍影響到車道2.

4) 擋風障對橋面三個車道的遮擋效率從高到低依次為： 車道3、 車道2、 車道1. 小孔隙率板挖圓孔擋風障對車道1遮擋效率最高.