平潭海峽公鐵兩用大橋行車安全防風(fēng)控制及風(fēng)屏障設(shè)計(jì)

苗潤(rùn)池 李龍安

中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430056

1 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋布設(shè)在平潭海峽北口，是新建福平鐵路、長(zhǎng)平高速公路的關(guān)鍵性控制工程。大橋起于長(zhǎng)樂(lè)市松下鎮(zhèn)，經(jīng)人嶼島，依次跨越元洪航道、鼓嶼門水道和大小練島水道，大橋全長(zhǎng)約16.322 km。其中元洪航道橋主跨為532 m公鐵兩用鋼桁梁斜拉橋（圖1），采取公路在上層、鐵路在下層的公鐵合建方式，上層設(shè)計(jì)為100 km/h的六車道高速公路，下層設(shè)計(jì)為200 km/h的雙線Ⅰ級(jí)鐵路。

圖1 元洪航道橋（單位：m）

平潭海峽公鐵兩用大橋所在的平潭海峽是世界三大風(fēng)口海域之一，具有風(fēng)大、浪高、水深、流急等特點(diǎn)，氣象條件十分復(fù)雜。橋址區(qū)域?qū)俚湫偷暮Ｑ笮约撅L(fēng)氣候，年平均6級(jí)以上大風(fēng)307 d，7級(jí)以上大風(fēng)216 d，8級(jí)以上大風(fēng)121 d，橋址處設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為44.8 m/s［1］。由于鐵路列車運(yùn)營(yíng)對(duì)風(fēng)較為敏感，在公路和鐵路橋面的運(yùn)行安全性和舒適性受橋址處大風(fēng)天氣的影響較大［2］。如何既確保大橋行車安全，又保障大橋最大限度地滿足交通運(yùn)營(yíng)需求，是平潭海峽公鐵兩用大橋行車安全防風(fēng)控制的關(guān)鍵。

2 行車安全防風(fēng)控制

2.1 總體目標(biāo)

大風(fēng)可能會(huì)導(dǎo)致汽車和列車經(jīng)過(guò)橋梁時(shí)發(fā)生傾覆。平潭海峽公鐵兩用大橋上行駛的車型復(fù)雜，且有13 km完全暴露在海洋環(huán)境之中，大風(fēng)天氣對(duì)海上橋梁交通的影響比陸地嚴(yán)重，應(yīng)針對(duì)大風(fēng)天氣采取相應(yīng)的行車安全防風(fēng)控制措施。結(jié)合設(shè)計(jì)車速、車輛類型、通行能力要求、行車安全和舒適性要求、所能實(shí)施的交通管理措施和工程結(jié)構(gòu)措施等綜合因素，制定平潭海峽公鐵兩用大橋橋面行車安全防風(fēng)控制總體目標(biāo)，具體如下：

1）確保公路橋面的行車條件不低于兩岸陸地的行車條件，須要滿足U公路橋面≤U兩岸陸地=25 m/s。

2）確保鐵路橋面的行車條件不低于兩岸陸地的行車條件，須要滿足U鐵路橋面≤U兩岸陸地=30 m/s。

2.2 橋面行車安全風(fēng)速換算

為了滿足橋面行車安全防風(fēng)控制目標(biāo)，方便運(yùn)營(yíng)管理，需要將橋面行車安全風(fēng)速進(jìn)行換算，最終轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的氣象站風(fēng)速。共需進(jìn)行三次轉(zhuǎn)換。

1）將橋面風(fēng)速U橋面換算為同等高度處的自然風(fēng)速Uz（即橋面的來(lái)流風(fēng)速），可通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)或CFD（Computational Fluid Dynamics）數(shù)值計(jì)算得到。以平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋?yàn)槔瑫憾蛎骘L(fēng)速為同等高度處自然風(fēng)速的λ倍，即U橋面=λUz。

2）將同等高度處的自然風(fēng)速Uz換算為橋址處10 m高度風(fēng)速Us10。該換算采用指數(shù)模型Uz=Us10（Z/10）α。其中：Z為構(gòu)件計(jì)算高度；α為平均風(fēng)速剖面的指數(shù)。以平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋?yàn)槔瑯蛑穮^(qū)風(fēng)速剖面特性屬于A類，α=0.1，公路橋面高度為75.5 m，鐵路橋面高度為62.8 m，則有

3）將橋址處10 m高度風(fēng)速Us10換算為氣象站的風(fēng)速U氣象。該換算方法是在橋址處設(shè)置同步觀測(cè)站進(jìn)行一年以上的同步觀測(cè)，找出橋址處與氣象站的相關(guān)函數(shù)。平潭海峽公鐵兩用大橋氣象環(huán)境研究專題報(bào)告［3］中指出，將平潭海峽長(zhǎng)嶼、蘇澳、白青、嶼頭、松下自動(dòng)氣象觀測(cè)站逐日風(fēng)觀測(cè)資料與平潭氣象站同步資料進(jìn)行相關(guān)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)工程所在地平潭海峽的平均風(fēng)速明顯大于島內(nèi)［4］，區(qū)域氣象站的10 min平均風(fēng)速最大值是平潭氣象站的1.4～1.5倍左右，各站極大風(fēng)速是平潭氣象站的1.2～1.4倍，各站的相關(guān)系數(shù)均在0.85以上，相關(guān)性非常好。因此，橋址處10 m高度風(fēng)速Us10取氣象站的風(fēng)速U氣象的1.4倍，即Us10=1.4U氣象。

平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋橋面行車安全風(fēng)速最終換算為氣象站風(fēng)速的關(guān)系式為

平潭海峽公鐵兩用大橋平潭氣象站的數(shù)據(jù)接近兩岸陸地的風(fēng)速。因此，根據(jù)橋面行車安全防風(fēng)控制總體目標(biāo)要求，以鐵路橋面為例，可以得到

要使等式成立，則λ≤0.594。對(duì)于需要設(shè)置風(fēng)屏障的橋梁，λ是設(shè)置風(fēng)屏障后橋面風(fēng)速折減系數(shù)（定義為橋面等效風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速之比），是風(fēng)屏障設(shè)計(jì)參數(shù)的一個(gè)重要指標(biāo)，決定了橋面行車安全防風(fēng)控制總體目標(biāo)能否達(dá)到要求。

3 風(fēng)屏障設(shè)計(jì)及全尺模型試驗(yàn)

3.1 風(fēng)屏障設(shè)計(jì)

風(fēng)屏障在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境中能為列車創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)低風(fēng)速的局部環(huán)境，有效減小車輛的風(fēng)荷載，提高車輛在橫風(fēng)作用下的安全性，能有效解決車輛側(cè)向風(fēng)安全性［5］。典型的風(fēng)屏障設(shè)計(jì)為縱橫相間的柵欄或多孔板。風(fēng)洞試驗(yàn)顯示風(fēng)屏障的透風(fēng)率是決定風(fēng)屏障減風(fēng)率的主要參數(shù)，其次是風(fēng)屏障的高度［6］。

風(fēng)屏障為附屬設(shè)施，整體剛度較弱［7］，對(duì)于海上強(qiáng)風(fēng)環(huán)境，風(fēng)屏障整體剛度需要加強(qiáng)。因此，平潭海峽公鐵兩用大橋采用拉索加強(qiáng)型抑風(fēng)風(fēng)屏障。該風(fēng)屏障由立柱、抑風(fēng)板、連接件、拉索、基座等組成（圖2）。其特點(diǎn)為在風(fēng)屏障縱向設(shè)置多道預(yù)應(yīng)力拉索，形成整體錨固體系，提高風(fēng)屏障整體剛度，加強(qiáng)風(fēng)屏障整體穩(wěn)定性。抑風(fēng)板為開(kāi)有不同直徑的多孔板，斷面形式見(jiàn)圖3。其中：L為長(zhǎng)度；E為寬度；J為厚度；t為板厚。多孔型抑風(fēng)板具有良好的減風(fēng)效果和較小的風(fēng)阻效應(yīng)，可在滿足橋面風(fēng)速折減率的同時(shí)最大限度地減少風(fēng)阻效應(yīng)。風(fēng)屏障高度、透風(fēng)率等參數(shù)根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)確定［8］。

圖2 拉索加強(qiáng)型抑風(fēng)風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)

圖3 抑風(fēng)板斷面形式

3.2 風(fēng)屏障全尺模型試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)是研究風(fēng)屏障防風(fēng)效果的一種重要手段，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)可以進(jìn)行流場(chǎng)與氣動(dòng)力的測(cè)試，但一般采用縮尺模型［9］。對(duì)于多孔板等復(fù)雜形狀風(fēng)屏障進(jìn)行縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，需要采用等效透風(fēng)率的方法，簡(jiǎn)化風(fēng)屏障的整體外形和局部外形，此時(shí)風(fēng)屏障不能完全滿足幾何相似性，這會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。考慮實(shí)測(cè)方法的困難，有必要進(jìn)行全尺風(fēng)屏障模型的風(fēng)洞試驗(yàn)，研究風(fēng)屏障的防風(fēng)效果［10］。

針對(duì)平潭海峽公鐵兩用大橋的多孔型風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)，采用全尺1∶1風(fēng)屏障節(jié)段模型（圖4），在XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞中系統(tǒng)測(cè)試了風(fēng)屏障氣動(dòng)力及其后方的流場(chǎng)分布，基于等效風(fēng)速和風(fēng)荷載對(duì)防風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖4 風(fēng)屏障模型及風(fēng)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)中來(lái)流風(fēng)速為10 m/s。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，風(fēng)屏障的整體阻力系數(shù)為0.792。軌道中心的平均風(fēng)速見(jiàn)表1。其中，測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)10位于1倍風(fēng)屏障高度H范圍內(nèi)，測(cè)點(diǎn)10～測(cè)點(diǎn)16位于2H范圍內(nèi)。可知：在風(fēng)屏障背風(fēng)側(cè)，測(cè)點(diǎn)10～測(cè)點(diǎn)14范圍內(nèi)出現(xiàn)了較為明顯的剪切層，剪切層高度在1.1H～1.6H；測(cè)點(diǎn)1～測(cè)點(diǎn)10范圍內(nèi)軌道中心處平均風(fēng)速明顯降低，說(shuō)明風(fēng)屏障起到了很好的防風(fēng)減風(fēng)效果。

表1 軌道中心處平均風(fēng)速 m·s-1

根據(jù)風(fēng)屏障防護(hù)高度范圍內(nèi)的受力等效原則，得到風(fēng)屏障基于側(cè)向力等效和基于傾覆力矩等效的風(fēng)速折減系數(shù)，見(jiàn)表2。可知，若偏安全按最不利工況取值，λ=0.31＜0.594，滿足橋面行車安全防風(fēng)控制總體目標(biāo)要求。

表2 風(fēng)屏障風(fēng)速折減系數(shù)

通過(guò)全尺1∶1風(fēng)屏障模型風(fēng)洞試驗(yàn)，平潭海峽公鐵兩用大橋全橋范圍內(nèi)均設(shè)置風(fēng)屏障，風(fēng)屏障樣式統(tǒng)一采用拉索加強(qiáng)型抑風(fēng)風(fēng)屏障，開(kāi)孔形式為多孔型。風(fēng)洞試驗(yàn)通過(guò)對(duì)透風(fēng)率為30%～50%和風(fēng)屏障高度為2.5～4.5 m進(jìn)行研究，最終確定鐵路橋面風(fēng)屏障參數(shù)為透風(fēng)率36.5%，風(fēng)屏障高度4.2 m。

4 鐵路橋面運(yùn)營(yíng)管理辦法

平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路橋面列車設(shè)計(jì)速度為200 km/h，由于橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，大風(fēng)天氣多，鐵路行車安全運(yùn)營(yíng)受強(qiáng)風(fēng)作用影響較大，必須制定合理的運(yùn)營(yíng)管理辦法［11］。根據(jù)行車安全防風(fēng)控制總體目標(biāo)，給出平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路列車行車安全防風(fēng)限速的規(guī)定，見(jiàn)表3。

表3 鐵路列車行車安全防風(fēng)限速的規(guī)定

根據(jù)鐵路橋面行車安全換算風(fēng)速及風(fēng)屏障模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，可以得到鐵路橋面行車安全風(fēng)速與地面安全行車風(fēng)速，見(jiàn)表4。

表4 鐵路橋面行車安全風(fēng)速與兩岸陸地行車風(fēng)速對(duì)比

由表4可知：①對(duì)于6～8級(jí)大風(fēng)天氣，兩岸陸地列車可以正常運(yùn)行，對(duì)于沒(méi)有采用防風(fēng)措施的鐵路橋面需要進(jìn)行限速管理甚至停運(yùn)；②對(duì)于9～10級(jí)大風(fēng)天氣，當(dāng)兩岸陸地列車采用限速管理時(shí)，對(duì)于沒(méi)有采用防風(fēng)措施的鐵路列車已經(jīng)不能運(yùn)行。

綜上，平潭海峽公鐵兩用大橋采用拉索加強(qiáng)型抑風(fēng)風(fēng)屏障防風(fēng)控制后，對(duì)于6～9級(jí)大風(fēng)天氣，鐵路列車仍可以正常運(yùn)行，橋面等效風(fēng)速可以降低2～3個(gè)風(fēng)速等級(jí)，不僅保證了強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車行車安全，而且保障了交通運(yùn)營(yíng)需求，是非常有效的防風(fēng)措施。

平潭海峽公鐵兩用大橋2020年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，橋梁風(fēng)屏障對(duì)行車安全防風(fēng)控制起到了關(guān)鍵作用，值得推廣應(yīng)用。

5 結(jié)論

1）根據(jù)拉索加強(qiáng)型抑風(fēng)風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，針對(duì)多孔抑風(fēng)板類型風(fēng)屏障，采用全尺1∶1模型風(fēng)洞試驗(yàn)，最終確定鐵路橋面風(fēng)屏障參數(shù)為透風(fēng)率36.5%，風(fēng)屏障高度4.2 m，風(fēng)速折減系數(shù)為0.31。

2）根據(jù)行車安全防風(fēng)控制總體目標(biāo)，提出了平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路橋面運(yùn)營(yíng)管理辦法。采用風(fēng)屏障后，對(duì)于6～9級(jí)大風(fēng)天氣，鐵路列車仍可以正常運(yùn)行，橋面等效風(fēng)速可以降低2～3個(gè)風(fēng)速等級(jí)。