橋梁擋風障參數對行車穩定性影響分析

王兆樑，練江峰，詹鎧臻，劉功毫，林 立

(1.廈門市公路事業發展中心，福建 廈門 361000；2.廈門中平公路勘察設計院有限公司，福建 廈門 361000；3.福建省風災害與風工程重點實驗室，福建 廈門 361024； 4.廈門理工學院，福建 廈門 361024)

0 引言

隨著中國國民經濟的發展與橋梁建設水平的提升[1-2]，越來越多大跨度跨海橋梁得以建設，隨著橋梁跨度的增加，風荷載對橋梁結構影響日益顯著[3]。在橋梁沒有擋風設施的條件下，橋面風速可達到來流風速的80%以上，特別在沿海地區極端氣候[4]條件下，橋面出現高速橫風概率較大，貨車等大型車輛容易發生側翻事故，橋面行駛車輛安全問題突出。目前，設置擋風障是減少橋面橫風對行駛車輛影響的最有效措施。近些年，Chen、王露等[5-6]利用風洞試驗、流體仿真等手段，發現擋風障顯著提高了橋面通行車輛穩定性，但并未系統開展擋風障參數對行車穩定性影響規律的研究；Kozmar，Guo，Chu，李波，周奇，陳寧，高劍，丁嘉杰，林曉波，蘇洋，詹鎧臻等[7-18]，在沒有車輛的橋梁模型上，測量擋風障后方橋面風場各車道的平均風速剖面圖，計算橋面等效風速來評價橋梁擋風障擋風性能，研究了橋梁擋風障高度、孔隙率等參數對橋面風速遮擋效率影響規律，然而，橋面橫風直接作用對象為橋面行駛車輛，擋風障參數對橋面行駛車輛穩定性的影響規律與橋面等效風速折減系數評價結果是否一致仍有待研究。因此，開展了橋梁擋風障孔隙率、高度、孔形等參數對于車輛行駛穩定性影響的研究，并與擋風障測速試驗研究結果進行對比，檢驗等效風速折減系數與車輛氣動力評價指標結果一致性。

1 試驗模型

模型制作除了確保模型與實際尺寸幾何相似，及控制加工尺寸誤差在2%以內之外，還選用剛度較高的材料，以保證模型須具有足夠大的剛度，避免試驗過程時出現較大振動，影響試驗精度[19]。

1.1 模型安裝平臺

將橋梁擋風障及車輛模型安裝于長為18 m的等截面箱梁平臺上，該平臺設置了3個寬為3.75 m 的車道，平臺如圖1所示。橋梁模型幾何縮尺比的選擇考慮阻塞比的影響，阻塞比ζ[19]按式(1)計算。

圖1 模型安裝平臺

(1)

式中，Am為風洞試驗段的橫截面積；Ac為試驗模型在試驗段橫截面的最大投影面積。

模型幾何縮尺比設為1∶10，其放置于試驗段的最大阻塞率為3.75%，滿足小于5%的試驗要求。

1.2 擋風障模型

模型主要參數有孔隙率、高度、孔形等。風洞試驗證明，50%孔隙率的擋風障遮擋效率既高，又不會大幅降低橋梁氣動穩定性；同時，2 m左右高度的擋風障能有效降低橋面風速[16]。故設置10組不同開孔形狀的孔隙率為40%～60%，高度為1～3 m模型如圖2所示，方案參數見表1。

圖2 擋風障模型實物圖與試驗圖

表1 擋風障模型主要參數

1.3 車輛模型

在橫向側風作用下，橋面行駛車輛容易發生側滑，特別是貨車等大型車輛可能發生側翻等事故。本次研究設計并制作了貨車模型進行風洞試驗。貨車模型采用樹脂材料制作而成，幾何模型采用與箱梁及橋梁擋風障一致的縮尺比1∶10，車輛模型參數如表2所示，車輛模型及測力試驗如圖3所示。

表2 貨車模型主要參數

圖3 車輛模型實物圖與試驗圖

2 試驗設置

2.1 試驗條件

測力試驗與測速試驗均在廈門理工學院XMUT-WT風洞進行。在實際橋梁管理中，當橋面風速達到25 m/s 時，通常采取封橋等交通管制措施以確保行車安全性，為了研究大風條件下擋風障對貨車行駛穩定性影響程度，設置實際來流風速為25 m/s工況；同時考慮沿海地區極端氣候下橋梁擋風障的阻風效果，設置35 m/s風速工況[17]。試驗風速與實際風速應滿足相似關系[19]，主要有雷諾準則與弗勞德準則，其中，對于橋梁等分離點比較明顯的鈍體結構，可以忽略雷諾數的不相似對試驗結果影響[20]。故，試驗風速取值保證弗勞德數相似，弗勞德數計算如式(2)：

(2)

式中，g為重力加速度；l為物體特征長度；v為物體運動速度。

2.2 測量位置

車輛測力試驗采用的傳感器有TFI眼鏡蛇脈動風速儀(Series100 Cobra Probe)與ATI六分量高頻天平(SI-130-10)，儀器主要參數如表3所示。

表3 傳感器參數

測速試驗采用TFI眼鏡蛇三維脈動風速儀測量第②車道中心線車輛模型高度附近處，即0～40 cm 高度的風速剖面圖；測點間隔、采樣頻率與時長分別為2.5 cm，600 Hz，60 s，測點布置如圖4所示。

圖4 測速試驗測點布置圖(單位：mm)

車輛模型安裝于橋面第②車道，為了避免試驗過程中，車輛模型與橋梁接觸帶來的誤差，將車輪與橋面保持2 mm的距離，通過定制立桿將貨車與六分力天平連接，車輛模型安裝及天平架子如圖5所示。

圖5 模型安裝示意圖

3 試驗結果分析

3.1 測力試驗結果分析

本次試驗中測得的數據主要為貨車模型的六分力，根據SAE路面汽車空氣動力學委員會發布的J1594標準[21]，乘用車空氣動力學坐標系由右手定則來確定，乘用車空氣動力學坐標系如圖6所示。SAE標準對作用在車身的六分力定義及計算公式的總結于表4。

圖6 汽車空氣動力學坐標系

表4 SAE標準對作用在車身上的六分力定義

在橫風作用下，車輛穩定性主要受氣動側力、氣動升力和側傾力矩影響[22]。因此，將測力試驗測得的氣動側力、側傾力矩、氣動升力數據按汽車空氣動力學坐標系轉換后取均值，匯總于表5、圖7。

圖7 兩種風速工況下，各方案氣動側力、氣動升力、側傾力矩對比

表5 貨車模型風洞試驗結果匯總

繪制不同參數擋風障后，貨車模型測得的氣動側力、升力及側傾力矩對比圖并進行分析。

(1)不同高度、孔隙率障條式擋風障遮擋效率分析

圖8為設置孔隙率為50%，高度分別為10，20，30 cm及高度為30 cm，孔隙率分別為60%，40%的障條方案后的測力試驗結果對比圖。由圖8可知：在不同風速橫風作用下，模型氣動側力與側傾力矩規律相近。在同一孔隙率條件下，障條擋風障后方模型側傾力矩及氣動側力隨著擋風障高度的增加而減小；風障高度增加與模型氣動側力降低呈現出非線性關系，在風障高度由0 cm增長至20 cm的過程中，貨車氣動側力降低幅值呈現加速狀態，而在高度由20 cm增長至30 cm過程中，發現氣動側力降低幅值的速度放緩，這是由于風障頂部的上方存在一定的加速區域，在風障高度較小時，貨車迎風面與該區域有重疊部分，使得貨車受到氣動側力及側傾力矩較大，而隨著擋風障高度的增加，上述加速區域與貨車重疊區域減小，貨車迎風面在該區域風壓降低，貨車受到的力與力矩隨之減小。同一高度條件下，障條擋風障后方模型側傾力矩及氣動側力隨孔隙率減小而減小，這是由于障板阻擋來流的面積隨著阻塞率的減小而增加，降低了氣動側力及側傾力矩。貨車氣動升力隨障條高度增加先上升，后下降。這是由于擋風障高度較低時，來流小部分通過障條空隙，而大部分從風障結構頂部上繞流通過后，進入到車底，使得車頂、車底壓差較小。對后方車道遮擋高度隨著風障高度增加而增加，車頂與車底壓差先增大后減小。在不同孔隙率的障條型擋風障后方車道上測得的貨車氣動升力接近，這是由于風障高度一定時，孔隙率對風速分布影響較小，貨車底部、頂部風壓變化不大，其受到氣動升力大致不變。鑒于風速對遮擋規律影響有限，計算7.91 m/s 下，不同高度方案測得氣動側力、側傾力矩、氣動升力標準偏差分別為2.65，0.66，0.44；不同孔隙率方案測得氣動側力、側傾力矩、氣動升力的標準偏差分別為1.49，0.34，0.03。這表明，擋風障后方車輛氣動側力與側傾力矩受障條式高度、孔隙率影響大，氣動升力值受高度影響大，這是由于孔隙率影響后方氣流風速而高度對后方氣流分布規律影響較大導致。

圖8 兩種風速工況下各障條方案的測力結果對比

(2) 不同高度、孔隙率圓孔擋風障遮擋效率分析

圖9為設置不同高度與孔隙率的圓孔擋風障方案后，測得的貨車模型氣動側力、升力及側傾力矩。

圖9 兩種風速工況下各圓孔方案的測力結果對比

由圖9可知：在不同風速橫風作用下，測得的貨車氣動側力與貨車側傾力矩規律相近。在孔隙率相同時，貨車側傾力矩及氣動側力隨高度增加而減小。貨車氣動側力隨高度增長而降低的幅度具有差異性，在高度由0 cm增長至30 cm過程中，呈現逐步降低的趨勢。同一高度條件下，貨車側傾力矩及氣動側力隨孔隙率增加而增加。貨車氣動升力隨圓孔擋風障高度的增加呈現出先上升，而后下降的趨勢。不同孔隙率的圓孔擋風障后方測得氣動升力接近。計算了7.91 m/s下，不同高度圓孔方案后方測得氣動側力、側傾力矩、氣動升力的標準偏差分別為2.72，0.68，0.46；不同孔隙率障條方案后方測得氣動側力、側傾力矩、氣動升力的標準偏差分別為1.27，0.28，0.04。這表明，擋風障后方車輛氣動側力與側傾力矩受圓孔式高度、孔隙率影響大，氣動升力值受高度影響大。

(3)不同開孔形狀擋風障遮擋效率分析

圖10為橋面各風障方案后，測得的貨車模型氣動側力、側傾力矩及氣動升力對比圖。

圖10 兩種風速下，障條與圓孔擋風障后方車輛模型氣動側力、側傾力矩、氣動升力對比

由圖10可知，安裝擋風障方案能有效降低貨車模型的氣動側力與側傾力矩，但是出現模型氣動升力大于裸橋工況的現象，這是由于擋風障對結構高度范圍內風場遮擋效果較好，而對模型頂部遮擋效果較差，使得車輛模型上下兩側壓差較大造成的。因此，在評價擋風障性能時，需考慮安裝擋風障后，橋面風場不同高度處壓差變化對車輛氣動升力產生的影響。整體上，圓孔擋風障方案遮擋效果優于障條式。

3.2 測力試驗結果與流場測速試驗結果比對

測速試驗得到第②車道中心線0～40 cm高度的平均風速剖面圖，根據矩形風剖面和實際風剖面壓力總和相等的原則，得到不同擋風障方案的等效風速，將其無量綱后得到折減系數，等效風速折減系數按式(3)[15]計算。

(3)

式中，Zr為風剖面高度范圍，取40 cm；u(z)為Z高度處測點的橫向風速值；u0為來流風速。兩種風速工況下各方案的風速折減系數匯總如表6所示。

表6 兩種風速工況下風速折減系數

在橋梁上設置擋風障主要目的是減少橋面側向橫風對橋面行駛車輛的影響，提升橋面車輛在大風天氣下的行駛舒適性與安全性。目前，橋梁擋風障采用橋面等效風速折減系數作為擋風性能評價指標，但橋梁擋風障對橋面行駛車輛穩定性的影響規律及其與橋面等效風速折減系數評價結果是否一致？因此，將在不同擋風障方案后方測得的車輛模型的氣動側力、傾覆力矩進行無量綱化獲得相應的折減系數，與該處的橋面等效風速折減系數進行比對，鑒于氣動升力與車輛底部與頂部局部風場關系密切，應當作為輔助評價指標，故沒有參與對比。分別將各量除以裸橋工況下測得的試驗值，得到各方案的氣動側力折減系數ηf,側傾力矩折減系數ηm，等效風速折減系數ηr，將各系數折減系數繪制于圖11。

圖11 兩種風速工況下各方案氣動側力折減系數、側傾力矩折減系數、等效風速折減系數對比

由圖11可知，在不同風速工況下，各擋風障方案的氣動側力折減系數、側傾力矩折減系數、等效風速折減系數數值接近，偏差集中于0.01～0.10；測力試驗折減系數整體偏大，這是由于測速試驗的測點位于2個擋風障立柱中心處，擋風障遮擋性能低，使得風速折減系數較大，而在測力試驗中，貨車長度大于擋風障兩個立柱的間距2 m，所以其整體折減系數比較小，這說明采用風速折減系數評價擋風障性能是偏安全的；在擋風障研究與實際設計中對擋風障性能評價時，宜考慮立柱間距與車輛長度的影響。整體上，測速試驗與測力試驗獲得的試驗結果是一致的，采用橋面等效風速評價不同擋風障整體性能的優劣是適宜的，而測速試驗可借助移側架實現同一風速下的多點、多車道測量，后續研究可在考慮了橋面風場不同高度處壓差變化對車輛氣動升力產生的影響后，繼續采用該評價方法，以提高工作效率。

4 結論

通過擋風障車輛模型風洞測力試驗結果，分析擋風障高度、孔隙率及開孔形狀等相關參數對車輛行駛穩定性的影響規律，與擋風障測速試驗結果對比，得到如下結論：

(1)安裝橋梁擋風障后，車輛氣動側力及側傾力矩隨來流風速的增加而增加，在不同風速來流條件下，氣動側力及側傾力矩變化規律一致。

(2)安裝擋風障后，測得車輛模型氣動側力及側傾力矩隨著擋風障高度增加而減小，隨著擋風障的孔隙率增加而變大；車輛氣動升力隨擋風障高度增加先增加后減小，而與擋風障孔隙率關系不明顯。

(3)圓孔擋風障提升車輛穩定性的效果優于障條式擋風障。

(4)采用等效風速折減系數作為擋風障整體效率的評價指標效率更高；然而，需要考慮安裝擋風障后，橋面風場不同高度處壓差變化對車輛氣動升力產生的影響。

文中探究了橫風作用下，橋梁擋風障參數對于橋面行駛車輛穩定性影響規律，對比橋梁擋風障車輛測力試驗與流場測速試驗結果，驗證遮擋效果評價指標的一致性，然而未考慮加裝擋風障對橋梁結構本身產生的影響，針對具體橋梁風致作用下各擋風障參數對橋梁的氣動特性影響規律仍有待進一步研究。