不同風攻角下跨海大橋塔區橋面風環境及屏蔽措施研究

摘要：跨海大橋常存在常遇風速較高且塔區橋面風環境復雜等問題，為了改善塔區橋面風環境，基于舟岱通道跨海長橋，通過1∶30剛性模型風洞試驗得到0°、±3°、±5°風攻角下塔區橋面行車區間的風速分布，并在橋面欄桿上設置風屏障，對各風攻角下風屏障的屏蔽作用進行了研究。試驗結果表明風屏障在不同風攻角下均能有效地改善對于距橋面3.88 m高度以下的風速；同時相比于迎風側車道，風屏障對于背風側車道風速的影響更大。本研究可為跨海大橋塔區行車安全的評估提供依據。

關鍵詞：橋塔遮風效應； 風洞試驗； 大尺度剛性模型； 風屏障

中國分類號：U441+.2A

［定稿日期］2022-04-15

［基金項目］國家自然科學基金（項目編號：51678508、51778547）

［作者簡介］陳晨（1998—），女，碩士，研究方向為橋梁抗風與抗震。

0 引言

隨著我國沿海地區經濟的發展，為了滿足交通出行、通航能力等要求，修建過海通道以及跨海大橋被作為常用手段。但跨海大橋所處地理位置往往決定其處于來流風較大的不利風環境中，對于離海高度較大的主梁橋面，常遇風速通常較高，尤其位于橋塔區域附近，橋塔的存在會引起附近區域流場的劇烈變化，從而導致通行車輛發生側偏、側滑、側翻等事故［1-3］，嚴重影響車輛運行的平穩性與安全性［4-7］。因而對塔區橋面風環境改善措施的研究有著重要的意義。

現階段國內外學者都對橋塔區域內橋塔的遮風效應做出了部分研究。Argentini等［8］通過風洞試驗測量了公路高欄板車通過橋塔時車身的風荷載和壓力的突變，研究對比了塔區有無風屏障對車輛氣動效應的影響。Charuvisit［9-10］通過風洞試驗測量出了車輛通過橋塔時車身的氣動力，研究結果表明在橫風作用下，橋塔繞流會影響到車輛的氣動力參數。李磊等［11］通過測力試驗研究了車輛的氣動力變化，得出當車輛進入橋塔區域時，側向力系數與側向力矩系數等參數的大幅度變化使得車輛行駛的安全性降低。艾輝林等［12］采取數值風洞技術研究橋塔區域的風場，并對橋面風環境進行評估。李永樂等［13-14］采用CFD軟件進行數值模擬得出橋塔遮風效應對塔區橋面風環境的影響，并對比得出橋塔的遮風效應對迎風側的影響大于背風側。李小珍等［15］以滬通長江大橋這一鋼桁梁斜拉橋為背景進行風洞試驗，得出橋塔遮風效應會威脅列車的行車安全，未考慮橋塔遮風效應的分析結果是偏不安全的等結論。王達磊等［16］通過測力風洞試驗研究某分離鋼箱梁斜拉橋橋塔附近橋面風環境，獲得橫風下車輛經過有無風屏障的橋塔附近時汽車的氣動力特性，得到風屏障可以顯著減小汽車的側力系數和橫擺力矩系數、風屏障可提高該橋塔附近汽車的側向穩定性等結論。魏恩來［17］以大跨度鋼箱梁懸索橋為例，采用CFD軟件研究了橫風作用和斜風作用下橋塔對橋面風環境的影響，在橋塔附近設置漸變式風屏障，并探討風屏障對橋塔區域風環境的影響。鄭史雄等［18］采用CFD數值模擬與風洞試驗分析對比，獲得車輛經過某雙塔斜拉橋橋塔時的氣動參數變化，得出橋塔遮風效應影響范圍約為3倍塔柱寬度，在10°～20°風偏角下流場變化更為劇烈等結論。于群力等［19］采用數值模擬研究了橋塔附近區域及橋面風環境的流場分布。葛光輝等［20］以甌江大跨公鐵兩用懸索橋為工程背景，以快速譜分析模擬風場，建立并以全過程迭代法求解風-車-橋耦合系統運動平衡方程，分析計算了不同車速與風速下橋塔遮風效應對車輛橋梁動力響應的影響，得出風速和橋塔寬度越大，車輛的動力響應越大，而橋梁動力響應受橋塔遮風效應影響很小等結論。

綜上所述，現階段主要采取風洞試驗方法與CFD數值模擬對塔區橋面風環境進行研究。然而數值模擬存在湍流下計算精確性不足，需要運用經驗公式對其進行修正和補充等問題，同時橋塔引起的繞流效應也會影響到數值模擬結果的準確性。較數值計算方法，風洞試驗方法周期長、花銷大，并且需要精密復雜的設備儀器，常用的風速測量儀器為皮托管或補償式微壓計，但此類儀器在橋塔遮擋處的風速測量誤差較大。同時對于帶有攻角來流下的塔區橋面風環境研究較少，考慮到不同風攻角下，塔區橋面風環境以及相應的風屏障等措施屏蔽效果均會發生變化，因此需要就不同風攻角下的塔區風環境進行研究，并提出有效的措施用以改善塔區風環境，保障橋梁在運營期間的正常使用以及行車安全性。

考慮到TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀的風速參考點置于儀器內部，于橋塔后方的風速測量精度較高，故本次研究采用TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀進行風速的測量。本文以舟岱通道大橋為背景，通過1∶30大尺度剛性節段模型風洞試驗對不同風攻角下的塔區橋面流場分布進行測試，并考察不同風攻角下風屏障的屏蔽作用，為跨海大橋塔區的安全通車提供風場數據支撐。

1 1∶30塔區風場試驗

1.1 工程背景

舟岱通道大橋采用三塔雙索面鋼箱梁斜拉橋方案，具體孔跨布置為（78+187+550+550+187+78） m=1 630 m，橋塔為鉆石型橋塔，塔高180 m，塔寬9 m，橋塔立面如圖1所示。

橋面為雙向4車道布置，主梁寬34 m，高3.5 m，主梁標準橫斷面見圖2。其中欄桿高度為1.5 m（圖3），所設置的風屏障高度為2.365 m，放置于欄桿頂部，具體如圖4所示。

鐵路與公路陳晨， 蒲詩雨， 李強， 等： 不同風攻角下跨海大橋塔區橋面風環境及屏蔽措施研究

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1.2 試驗設置

風洞試驗在XNJD-3風洞（寬22.5 m，高4.5 m）中進行，采用幾何縮尺比1∶30的大節段模型，主梁長8.36 m，高1.13 m，風洞阻塞度僅為2.31%，符合規范要求。風洞試驗現場見圖5。橋面有雙向4車道，為考察不同車道位置對車輛氣動參數變化的影響，對橫橋向測試點進行編號，由迎風側到背風側依次為1～6號。縱橋向的測試點見圖6，距離橋塔中心線向跨中方向每隔12.099 m布置測點。豎向測點在每個測點上測量風速剖面，共設8個點，高度范圍從0.96～7.68 m。以橋塔中心3個方向測點的坐標如表1所示。

本次試驗在0°風偏角下的7.5 m/s風速來流中進行，依次對0°、±3°以及±5°風攻角下無風屏障與有風屏障狀態下的各測點進行風速測量，從而獲得橋塔區域附近橋面的風場數據。

2 塔區橋面風速分布規律研究

2.1 平均風速和等效平均風速的定義

試驗中每個工況中各點位的測試數據均為15 360個，為便于比較，根據側向氣動力等效原則定義等效橋面平均風速見式（1）。

式中：Zr表示汽車所處的高度范圍，取Zr=3.5 m；Ueff為等效橋面風速；U（Z）表示橋面不同高度處的側向來流風速。

為定量評價風屏障對于各個車道的平均風速的作用大小，可采用等效平均風速進行對比分析。等效平均風速是指計算F點與G點平均風速的均值。因為F點和G點都已超出了橋塔影響范圍，測量的風速不被橋塔遮風效應所影響，可以用該數據探討風屏障對風速的屏蔽作用。

2.2 橋面風速分布云圖

為分析橋塔對橋面風速影響的空間效應，繪制各個風攻角下橋面的風速變化云圖，如圖7～圖9所示，可以發現橋面風速最大值都出現在距離橋塔中心線約3倍橋塔寬處（24 m）的迎風側位置處，且最大可達到來流風速的1.3倍（10 m/s）以上，并且伴隨著風速突變現象，說明橋塔周圍的流場較為復雜，橋塔對其附近的風場有明顯的遮風現象。同時當橋面與橋塔中心相距超過60 m后，其風速穩定在7.5 m/s（來流風速）左右，橋面風速幾乎不再受橋塔的影響，可以發現橋塔的遮風效應影響范圍大致為6.7倍橋塔寬。

對比可以發現不同車道下，橋塔的遮風效應范圍呈現顯著不同，0°、+3°與+5°風攻角下，背風側車道風速始終小于迎風側車道風速。-3°與-5°風攻角下，橋塔的遮風效應在背風側和迎風側車道上影響相等。

2.3 橫橋向車道和高度的影響

通過風洞試驗得到0°風攻角下成橋態工況的橋面風速變化曲線（圖10）可以發現，各車道的橋面風速都滿足迅速增至峰值后逐漸降低趨于平緩的趨勢，塔區橋面的最大風速出現在縱橋向距離橋塔中心24.2 m測試點處，其中橫橋向車道3的橋面風速最大。由圖11可以發現成橋態下橋面風速的分布沿高度變化幅度不大。

3 各風攻角下風屏障對來流屏蔽效應研究

3.1 0°風攻角

為了減小塔區橋面存在的風速突變問題，本文通過設置風屏障對該處的風環境進行改善，0°風攻角下設置風屏障后塔區橋面的風速變化云圖（圖12），可以發現，在相同風速（7.5 m/s）來流下，相比原成橋態，設置風屏障后橋面風速整體顯著降低。

為了量化風屏障對橋面各處風速的降低作用，將成橋態與設置風屏障后各車道的平均風速進行了對比，具體如圖13所示，可以發現較迎風側的一、二、三車道，風屏障對背風側四、五、六車道的風速屏蔽效果更加顯著。通過對比各個車道橋面風速峰值的降幅，可以發現在0°風攻角下，風屏障對于車道四的屏蔽效果最好，風速峰值降幅達到61%，風速降幅平均為64%；對于車道一的屏蔽效果最差，風速峰值降幅只有2%，風速降幅平均為5.5%。

將距離橋塔中心24.2 m處各車道風速峰值沿高度（圖11、圖14）的變化進行對比可以發現，無風屏障成橋態的橋面風速最大值都不低于7.5 m/s，即來流風速大小。設置風屏障后，除車道一之外其余車道的橋面風速相較無風屏障都有明顯的降低，并且5個車道在6 m高度以內都符合風速沿高度降低而降低的趨勢。其中車道三的橋面風速變化最大，降低了53%，風速變化幅度最小的車道一僅有2.5%的降幅。

由表2可看出在0°風攻角下，風屏障對背風側3個車道（四、五、六車道）的屏蔽效果大于迎風側3個車道（一、二、三車道）。風屏障和欄桿高度3.865 m，分析可知，風屏障在其自身高度以內（0～3.84 m）屏蔽效果最有效；在1～1.5倍高度區間內（4～6 m），屏蔽效果次之；超過風屏障1.5倍高度（6 m）后，風屏障對迎風側車道風速無屏蔽作用，但對背風側3個車道有明顯的屏蔽效果。

3.2 正風攻角

大量研究表明，風攻角對于風屏障的來流屏蔽效應有著顯著的影響，本文通過對+3°與+5°風攻角下成橋態與設置風屏障后各車道的平均風速進行對比，對正風攻角下風屏障對塔區風環境的改善作用進行研究。

+3°風攻角下各工況試驗結果如圖15所示，風屏障對于車道一～五的縱橋向風速都有不同程度的屏蔽效果，但是對于車道六的縱橋向風速卻有放大效果。將各個車道的縱橋向風速峰值的降幅進行對比，可以發現風屏障對于車道三的屏蔽效果最好，風速峰值降幅達到59%，風速降幅平均為65%；對于車道五的屏蔽效果最差，風速峰值降幅只有20%，風速平均降低了17%；對于車道六的風速平均反而增加了24%。

對比+3°風攻角下各車道橋面風速在距離橋塔中心線24.2 m處沿高度變化數據（圖16）可以發現，添加風屏障之后，除車道六之外其他車道的橋面豎向風速相較與無風屏障都有明顯的降低。車道四風速受風屏障影響最大，平均降低了44.1%；風屏障對于車道一風速屏蔽程度最小，風速僅降低了19%；車道六在2.88 m以下的風速與無風屏障相比平均增長了68.6%，但在2.88 m以上的風速平均降低了33.7%。

在+3°風攻角工況下，風屏障對各個車道均有影響。其中在0～3.84 m以內對于迎風側車道風速屏蔽效果好，在3.84 m以上范圍內對背風側車道風速的屏蔽效果好。

+5°風攻角下各工況試驗結果如圖17所示，可以發現風屏障對于車道四的縱橋向風速峰值屏蔽效果最好，風速峰值降幅達到67.3%，風速降幅平均為59.3%；對于車道六的屏蔽效果最差，風速峰值降幅只有37%，風速平均降低了11%，并且在距離橋塔中心線96.792 m以外范圍的豎向風速平均增加了16%。

對比+5°風攻角下各車道橋面風速在距離橋塔中心線24.2 m處沿高度變化數據（圖18）可以發現，添加風屏障之后，所有車道沿高度分布的橋面風速都有大幅度的降低。車道四的風速受風屏障影響最大，平均降低了53.6%，風屏障對于車道六風速屏蔽程度最小，橋面風速僅降低了30.7%。迎風側車道一、車道二、車道三在0～3.84 m內風速降低幅度大，分別平均降低了58.6%、63.2%和68%。由此可得出，在+5°風攻角下，風屏障對于迎風側3個車道低高度的風速屏蔽效果最好。

由圖18（b）可知，高度在0～3.84 m時所有車道的豎向風速均不隨高度的改變而發生變化，在3.84～5.76 m范圍內各車道風速均隨高度的增加而發生增大。

對比表3、表4可知，在正風攻角工況下，風屏障對于迎風側車道風速的屏蔽作用大致滿足沿高度增高而降低的規律，風屏障對車道六3.84 m以下高度的風速并沒有屏蔽效果，反而有放大風速作用。對于車道三、車道四和車道五風速的屏蔽作用均大于其他車道，在3.84 m高度下風屏障對于迎風側車道的屏蔽作用大于背風側車道，在3.84 m高度以上風屏障對于背風側車道的屏蔽作用大于迎風側車道。對比可得，風屏障在+5°攻角下的效果比在+3°攻角更好。

3.3 負風攻角

-3°風攻角下成橋態與設置風屏障后各車道平均風速對比如圖19所示，可以發現-3°風攻角下風屏障對于背風側車道的風速屏蔽效果較好，對迎風側車道的風速影響較小。其中風屏障對于車道六的縱橋向風速峰值屏蔽效果最好，風速峰值降幅達到68.2%，風速降幅平均為51.8%；對于車道一的屏蔽效果最差，風速峰值降幅只有3%，風速平均降低了5.5%。

對比-3°風攻角下各車道橋面風速在距離橋塔中心線24.2 m處沿高度變化數據（圖20）可以發現，添加風屏障之后，背風側3個車道的橋面風速都有大幅度的降低，而迎風側3個車道的橋面風速變化不明顯。車道六的風速受風屏障影響最大，橋面風速平均降低了59.1%，風屏障對于車道一風速屏蔽程度最小，橋面風速僅降低了3.3%。

-5°風攻角下各工況試驗結果如圖21所示，可以發現在-5°攻角下，風屏障對于車道六的縱橋向風速峰值屏蔽效果最好，風速峰值降幅達到60.7%，風速降幅平均為54.3%；對于車道一的屏蔽效果最差，風速峰值降幅只有0.3%，風速平均降低了7.4%。

對比-5°風攻角下各車道橋面風速在距離橋塔中心線24.2 m處沿高度變化數據（圖22）可以發現，添加風屏障之后，背風側車道在距離橋塔24.2 m處的橋面風速都有大幅度的降低，而迎風側車道的橋面風速變化不明顯。車道六的風速受風屏障影響最大，橋面風速平均降低了56%，風屏障對于車道一風速屏蔽程度最小，橋面風速僅降低了1.3%。

對比表5、表6可知，在負風攻角下，風屏障對于背風側車道的屏蔽效果比迎風側車道更有效，對于迎風側車道風速變化的幅度可以忽略不計。并且在負攻角下，風屏障的屏蔽作用沿高度變化幅度并不大。對比表格可得，較-5°風攻角，風屏障在-3°風攻角下對來流的屏蔽作用更佳。

4 結論

（1） 塔區風場復雜，橋塔遮風效應影響范圍大致可達到6.7倍橋塔寬處，同時可使橋面最大風速增大至來流風速的1.3倍。并且在0°與正風攻角下，橋塔對背風側車道風速的影響范圍大于迎風側車道。

（2） 風洞試驗研究表明，在0°、±3°與±5°風攻角下，風屏障均對塔區附近橋面風速的突變有明顯地降低作用，并能有效降低整體橋面風速，有效改善塔區橋面風環境。

（3） 各風攻角下，風屏障均對背風側車道四處的來流屏蔽效果最佳，在0°與負風攻角下，風屏障對背風側車道的屏蔽效果大于迎風側車道；在正攻風角下，風屏障對于迎風側車道的屏蔽作用大于背風側車道。

（4） 風屏障在0°風攻角下0～3.88 m高度范圍內屏蔽效果最有效；在正風攻角下對迎風側的0～3.88 m高度范圍與背風側大于3.88 m高度范圍屏蔽效果最有效。但同時風屏障對于所有工況下迎風側車道5.76 m高度以上的來流風速屏蔽效果均較小。

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