不同風(fēng)偏角對(duì)跨海大橋塔區(qū)風(fēng)環(huán)境及風(fēng)障屏蔽作用的影響研究

基于舟岱通道跨海長(zhǎng)橋，通過(guò)1∶30剛性模型風(fēng)洞試驗(yàn)得到0°、10°與20°風(fēng)偏角下施工態(tài)、成橋態(tài)塔區(qū)橋面行車區(qū)間的風(fēng)速分布，并在成橋態(tài)基礎(chǔ)上設(shè)置風(fēng)屏障，研究了欄桿與風(fēng)屏障對(duì)塔區(qū)來(lái)流的屏蔽作用。試驗(yàn)結(jié)果表明欄桿并不能有效降低橋面來(lái)流風(fēng)速，而風(fēng)屏障在不同風(fēng)偏角下均能有效提高對(duì)橋面來(lái)流的屏蔽效果，且對(duì)于背風(fēng)側(cè)車道的屏蔽效果較迎風(fēng)側(cè)車道更好。

塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境； 大比例尺剛性模型； 欄桿； 風(fēng)屏障

U441.2A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-02-07

［作者簡(jiǎn)介］趙文斌（1995—），男，碩士，主要研究方向?yàn)榇罂缍葮蛄嚎癸L(fēng)。

0" 引言

近年來(lái)，我國(guó)跨海大橋建造逐漸增多，已建成的有2007年杭州灣跨海大橋、2010年膠州灣跨海大橋、2017年港珠澳大橋等，還有在建的黃茅海大橋、六橫公路大橋等，見(jiàn)證了我國(guó)跨海大橋的發(fā)展。但由于海平面地勢(shì)開(kāi)闊，跨海大橋橋面基準(zhǔn)高度較高，基本風(fēng)速較地面更大，尤其位于橋塔附近，橋塔繞流對(duì)同行車輛影響較大，導(dǎo)致其發(fā)生側(cè)偏、側(cè)滑、側(cè)翻等事故［1-3］，嚴(yán)重影響橋面行車的舒適性與安全性［4-6］。因此對(duì)塔區(qū)橋面行車區(qū)域風(fēng)環(huán)境的改善措施研究有重要意義。

目前關(guān)于橋塔對(duì)橋塔附近范圍內(nèi)來(lái)流風(fēng)速的影響已有部分研究。Charuvisit等［7］通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了車輛響應(yīng)模擬，并研究了風(fēng)障對(duì)車輛響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)風(fēng)障有效地減小了側(cè)加速度和偏航角加速度等響應(yīng)。Yu， Mengge等［8］利用車輛動(dòng)態(tài)仿真軟件Simpack對(duì)車輛進(jìn)行建模，將同一車輛的非定常風(fēng)荷載應(yīng)用于車輛模型，研究車輛的動(dòng)力響應(yīng)行為。Charuvisit等［9］ 在風(fēng)洞試驗(yàn)中利用比例模型考慮各種參數(shù)如風(fēng)速和風(fēng)向，車輛與橋塔的類型，討論并闡明了地面車輛在大側(cè)風(fēng)作用下通過(guò)橋塔尾流時(shí)的氣動(dòng)力瞬態(tài)特性。Argentini等［10］采用風(fēng)洞試驗(yàn)方法對(duì)1∶40比例模型的氣動(dòng)載荷和表面壓力分布進(jìn)行了測(cè)量。塔附近的風(fēng)屏蔽產(chǎn)生了橫向力和傾覆力矩的變化。結(jié)果表明當(dāng)車輛處于塔的尾跡處時(shí)，氣動(dòng)荷載會(huì)被放大。于立群等［11］以車輛不發(fā)生側(cè)滑為指標(biāo)，對(duì)比普通高速公路與跨海大橋的安全行車風(fēng)速，得出跨海大橋安全行車風(fēng)速較低的結(jié)論。鄭史雄等［12］利用CFD數(shù)值模擬計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，發(fā)現(xiàn)橋塔附近區(qū)域車輛阻力系數(shù)與力矩系數(shù)發(fā)生突變，且不同車道的響應(yīng)不同。曾加?xùn)|［13］利用風(fēng)洞試驗(yàn)確定了不同風(fēng)攻角與風(fēng)偏角下橋塔對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境的影響范圍，橋塔附近區(qū)域的風(fēng)速較高，變化較其他區(qū)域更快。陳寧［14］建立了風(fēng)車橋耦合振動(dòng)分析模型并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究風(fēng)屏障的透風(fēng)率對(duì)車輛安全行駛風(fēng)速的影響。陳曉東［15］以西堠門(mén)大橋?yàn)楣こ瘫尘埃ㄟ^(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了橋塔附近橋面的風(fēng)速分布。盧曉偉等［16］基于舟岱大橋風(fēng)洞試驗(yàn)確定橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)達(dá)到6.6倍橋塔寬度，且研究了防撞欄桿對(duì)橋面風(fēng)速分布的影響。澣子龍等［17］研究了防撞欄桿對(duì)塔區(qū)橋面行車平均風(fēng)速與行車安全性的影響。魏恩來(lái)［18］利用數(shù)值風(fēng)洞模擬的方法分析橋塔的遮風(fēng)范圍，并研究了不同種類風(fēng)屏障對(duì)遮風(fēng)效應(yīng)的影響。艾輝林［19］、陳艾榮等［20］數(shù)值模擬橋梁裸梁、裸梁僅布置欄桿、設(shè)置風(fēng)屏障三種工況下橋塔附近橋面的風(fēng)速分布，表明風(fēng)屏障有利于降低塔區(qū)橋面的平均風(fēng)速。龐加斌等［21］分析杭州灣跨海大橋與蘇通長(zhǎng)江公路大橋橋面行車安全性得出大跨度橋梁橋塔附近對(duì)行車安全的影響最為嚴(yán)重。李小珍等［22］通過(guò)滬通長(zhǎng)江大橋風(fēng)洞試驗(yàn)，利用風(fēng)-車-線-橋耦合振動(dòng)模型，分析橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)對(duì)列車安全的影響，結(jié)果表明橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響移動(dòng)列車的安全。葛光輝等［23］以甌江北口過(guò)江通道為算例，以快速譜分析模擬風(fēng)場(chǎng)，建立橋塔寬度與車輛長(zhǎng)度之間的變量關(guān)系，得出橋塔寬度越大，對(duì)列車的影響越大的結(jié)論。黃斌等［24］以海壇海峽大橋?yàn)楣こ瘫尘埃瑴y(cè)量了不同風(fēng)向角下不同風(fēng)屏障的風(fēng)剖面，得到風(fēng)屏障能有效改善跨海大橋風(fēng)環(huán)境的結(jié)論。李永樂(lè)等［25］采取數(shù)值模擬的方法對(duì)大跨度橋梁橋塔區(qū)域風(fēng)速分布進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明橋塔附近區(qū)域風(fēng)速突變明顯，影響行車安全性。

綜上，目前主要采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)的方法對(duì)跨海大橋橋塔遮風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行研究。之前的研究中已有考慮到風(fēng)屏障對(duì)塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的改善作用，然而對(duì)于帶有風(fēng)偏角來(lái)流工況下的研究較少。在不同風(fēng)偏角下，橋塔的繞流效應(yīng)與欄桿、風(fēng)屏障等措施的屏蔽效果會(huì)發(fā)生變化，從而引起塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的改變。因此需要對(duì)不同風(fēng)偏角下的塔區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究，并提出相應(yīng)的措施來(lái)降低塔區(qū)橋面風(fēng)速，用以保障橋梁在運(yùn)營(yíng)期間的正常使用與行車安全性。

本文以舟岱通道大橋?yàn)楸尘埃ㄟ^(guò)1∶30大尺度剛性節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)分別對(duì)施工態(tài)、成橋態(tài)、成橋態(tài)加風(fēng)屏障三種工況下不同風(fēng)偏角下的塔區(qū)橋面風(fēng)場(chǎng)分布進(jìn)行測(cè)量，研究欄桿與風(fēng)障對(duì)塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境的改善作用，為后續(xù)跨海大橋塔區(qū)風(fēng)場(chǎng)環(huán)境研究提供數(shù)據(jù)支撐。

1" 1∶30塔區(qū)風(fēng)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1" 項(xiàng)目概況

舟岱通道大橋采用三塔雙索面鋼箱梁斜拉橋方案，全長(zhǎng)1 630 m，橋塔高180 m，塔寬9 m，橋塔立面如圖1所示。

橋面為雙向四車道布置，主梁寬34 m，高3.5 m，主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖2。其中欄桿高度為1.5 m，所設(shè)置的風(fēng)屏障高度為2.365 m，放置于欄桿頂部，具體如圖3所示。

1.2" 試驗(yàn)設(shè)置

風(fēng)洞試驗(yàn)在XNJD-3風(fēng)洞（寬22.5 m，高4.5 m）中進(jìn)行，采用幾何縮尺比1∶30的模型，主梁長(zhǎng)8.36 m（實(shí)橋區(qū)域250.8 m），高1.13 m。施工態(tài)與成橋態(tài)試驗(yàn)見(jiàn)圖4與圖5。

由于TFI眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x相較于補(bǔ)償式微壓計(jì)測(cè)量精度更高，故本次研究采用TFI眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x進(jìn)行風(fēng)速的測(cè)量。

各測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，豎直方向從0.96至7.68，每隔0.96 m設(shè)置一個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)1～8），測(cè)量風(fēng)速剖面。

本次試驗(yàn)的來(lái)流風(fēng)速為7.5 m/s，在0°、10°、20°風(fēng)偏角下對(duì)橋梁施工態(tài)、成橋態(tài)（設(shè)置防撞欄桿無(wú)風(fēng)屏障）、設(shè)置風(fēng)屏障等工況進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)風(fēng)速測(cè)量，從而獲得橋塔區(qū)域附近橋面的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

工程結(jié)構(gòu)趙文斌， 王濤， 李強(qiáng)： 來(lái)流風(fēng)偏角對(duì)跨海大橋塔區(qū)風(fēng)環(huán)境及風(fēng)障屏蔽作用的影響研究

試驗(yàn)中每個(gè)工況中各點(diǎn)位的測(cè)試數(shù)據(jù)均為15 360個(gè)，為便于比較，根據(jù)側(cè)向氣動(dòng)力等效原則等效橋面風(fēng)速見(jiàn)式（1）。

Ueff=1Zr∫Zr0U（Z）dz（1）

式中：Zr表示汽車所處高度范圍，取Zr=3.5 m；Ueff為等效橋面風(fēng)速；U（Z）為橋面不同高度處的側(cè)向來(lái)流風(fēng)速。

2" 各偏角下成橋態(tài)與施工態(tài)風(fēng)速分布規(guī)律研究

2.1" 0°風(fēng)偏角

本文研究了成橋狀態(tài)欄桿對(duì)塔區(qū)橋面來(lái)流風(fēng)速的影響。0°風(fēng)偏角下塔區(qū)橋面風(fēng)速分布云圖如圖7所示，可以發(fā)現(xiàn)橋面最大風(fēng)速處在距橋塔中心線24 m處，約為來(lái)流風(fēng)速的1.3倍，且施工態(tài)與成橋態(tài)的風(fēng)速分布區(qū)別不大。

施工態(tài)與成橋態(tài)各車道平均風(fēng)速見(jiàn)圖8，可看出1～4車道施工態(tài)與成橋態(tài)平均風(fēng)速變化不大，5、6車道成橋態(tài)風(fēng)速降低明顯，其中6車道成橋態(tài)最高風(fēng)速比施工態(tài)降低33.8%。

2.2" 10°風(fēng)偏角

為分析風(fēng)偏角對(duì)塔區(qū)橋面風(fēng)速的影響，本文設(shè)置了10°和20°風(fēng)偏角來(lái)研究風(fēng)偏角對(duì)成橋態(tài)與施工態(tài)塔區(qū)橋面風(fēng)速的影響規(guī)律。10°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與施工態(tài)塔區(qū)橋面風(fēng)速分布云圖如圖9所示。根據(jù)風(fēng)速分布云圖可以看出在遠(yuǎn)離橋塔（60～100 m）的背風(fēng)側(cè)區(qū)域成橋態(tài)平均風(fēng)速要小于施工態(tài)，其余區(qū)域區(qū)別不大。10°風(fēng)偏角下施工態(tài)與成橋態(tài)各車道的平均風(fēng)速如圖10所示。可以看出在10°偏角時(shí)1～4道距橋塔中心0～48 m區(qū)域內(nèi)施工態(tài)的平均風(fēng)速要低于成橋態(tài)，5道6道在36 m以外區(qū)域成橋態(tài)平均風(fēng)速低于施工態(tài)。2車道平均風(fēng)速升高23%，6車道平均風(fēng)速降低22.5%。說(shuō)明在10°偏角下欄桿對(duì)于塔區(qū)來(lái)流并不全是有利作用，對(duì)于1～4車道是不利作用。

2.3" 20°風(fēng)偏角

20°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與施工態(tài)塔區(qū)橋面風(fēng)速分布云圖見(jiàn)圖11。20°風(fēng)偏角下施工態(tài)與成橋態(tài)各車道的平均風(fēng)速見(jiàn)圖12。20°與10°偏角的風(fēng)速分布規(guī)律相同，欄桿均是對(duì)遠(yuǎn)離橋塔的背風(fēng)側(cè)起有利作用，對(duì)靠近橋塔區(qū)域起不利作用。20°風(fēng)偏角下成橋態(tài)各車道平均風(fēng)速比施工都提高，表現(xiàn)在1～4車道靠近橋塔區(qū)域（0～36 m），5、6車道遠(yuǎn)離橋塔區(qū)域（36～108 m）內(nèi)。1-4車道最高風(fēng)速平均提升64.8%，6道影響較5道顯著，成橋態(tài)風(fēng)速比施工態(tài)提高42.6%。

3" 各風(fēng)偏角下風(fēng)屏障對(duì)來(lái)流屏蔽效應(yīng)研究

3.1" 0°風(fēng)偏角

研究表明，設(shè)置風(fēng)屏障可以降低橋面風(fēng)速，本文通過(guò)設(shè)置風(fēng)屏障來(lái)研究各偏角下風(fēng)屏障對(duì)塔區(qū)來(lái)流風(fēng)速的影響。設(shè)置風(fēng)屏障后0°風(fēng)偏角塔區(qū)橋面的風(fēng)速分布云圖如圖13所示，可以發(fā)現(xiàn)，在相同風(fēng)速（7.5 m/s）來(lái)流下，相比原成橋態(tài)與施工態(tài)，橋面風(fēng)速明顯降低。

為了量化風(fēng)屏障對(duì)橋面各處風(fēng)速的降低作用，將成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后各車道的平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)圖14，可發(fā)現(xiàn)較迎風(fēng)側(cè)的1～3車道，背風(fēng)側(cè)4～6車道在設(shè)置風(fēng)屏障后平均風(fēng)速明顯降低。其中4車道風(fēng)速降低效果最好，最高風(fēng)速降低達(dá)到48.7%，1車道的降幅最小，只有2.3%。

圖15列舉了距橋塔24.2 m處0°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后距橋塔24.2 m處各車道沿高度變化的風(fēng)速分布，無(wú)風(fēng)屏障橋面平均風(fēng)速沿高度變化較小，除6車道外，其余風(fēng)速均高于來(lái)流風(fēng)速。設(shè)置風(fēng)屏障后，4、5、6車道的橋面風(fēng)速大幅下降，且所有車道在6 m以內(nèi)風(fēng)速隨著高度的增高而上升。車道4的風(fēng)速降幅最大，平均降幅達(dá)到62%，車道一風(fēng)速幾乎無(wú)影響，僅下降1%。

表1可知0°風(fēng)偏角下距橋塔24.2 m處成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后沿高度方向的等效風(fēng)速變化率。風(fēng)屏障對(duì)背風(fēng)側(cè)4～6車道的改善效果比迎風(fēng)側(cè)更明顯。在0～3.84 m高度范圍各車道屏蔽效果最好；隨著高度增加，屏蔽效果逐漸降低，對(duì)迎風(fēng)側(cè)車道影響甚微，但對(duì)背風(fēng)側(cè)3車道屏蔽效果顯著。

3.2" 10°風(fēng)偏角

在10°風(fēng)偏角下欄桿對(duì)塔區(qū)來(lái)流風(fēng)速有不利作用，本文通過(guò)對(duì)10°風(fēng)偏角下設(shè)置風(fēng)屏障前后橋面的平均風(fēng)速進(jìn)行對(duì)比，研究10°風(fēng)偏角下風(fēng)屏障對(duì)塔區(qū)風(fēng)環(huán)境影響（圖16）。

10°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示，風(fēng)屏障對(duì)各車道均有不同的屏蔽效果，具體表現(xiàn)為對(duì)1道平均風(fēng)速降低較少，對(duì)2道、3道靠近橋塔側(cè)區(qū)域內(nèi)有顯著屏蔽效果，24.2 m處3道降低約69.2%（5.91 m/s）；背風(fēng)側(cè)車道（4～6道）平均風(fēng)速降低明顯，其中4道降低最為顯著，最高風(fēng)速降了63.2%（5.44 m/s）。

對(duì)比成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后10°風(fēng)偏角下距離橋塔中心線24.2 m處各車道豎向風(fēng)速分布，添加風(fēng)屏障之后，背風(fēng)側(cè)4～6車道風(fēng)速顯著降低，迎風(fēng)側(cè)1～3車道在3.84 m高度以下風(fēng)速有明顯降低。3.84 m高度以上車道四風(fēng)速受風(fēng)屏障影響最大，平均降低了40.7%。

10°風(fēng)偏角下，設(shè)置風(fēng)屏障后在0～3.84 m高度以內(nèi)迎風(fēng)側(cè)車道風(fēng)速有明顯降低，在3.84 m高度以上背風(fēng)側(cè)車道風(fēng)速屏蔽效果明顯，但對(duì)0～3.84 m以內(nèi)對(duì)背風(fēng)側(cè)車道平均風(fēng)速有所提高（表2）。

3.3" 20°風(fēng)偏角

20°風(fēng)偏角下成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后橋面風(fēng)速分布見(jiàn)圖18，同10°風(fēng)偏角一樣，20°風(fēng)偏角下也是4道風(fēng)速降低最顯著，最高風(fēng)速降幅達(dá)65.7%；對(duì)1～3車道的屏蔽效果較弱，2車道平均風(fēng)速降低15.7%，對(duì)4～6車道有明顯屏蔽作用。

成橋態(tài)與設(shè)置風(fēng)屏障后20°風(fēng)偏角下距離橋塔中心線24.2 m處各車道的豎向風(fēng)速分布如圖19所示，設(shè)置風(fēng)屏障后，各車道風(fēng)速均有影響。其中，迎風(fēng)側(cè)1～3車道平均風(fēng)速顯著降低，背風(fēng)側(cè)4～6車道的在橋面高度3.84 m以上平均風(fēng)速降低較為顯著，而在0～3.84 m高度范圍內(nèi)變化較小。3.84 m以上高風(fēng)速區(qū)間車道4的風(fēng)速降低最為顯著，平均降低了70.28%（表3）。

4" 結(jié)論

綜上，結(jié)論：

（1）在0°、10°、20°風(fēng)偏角下，成橋態(tài)僅對(duì)背風(fēng)側(cè)兩車道平均風(fēng)速有明顯降低作用。在其余車道距橋塔中心0～48 m區(qū)域內(nèi)，成橋態(tài)平均風(fēng)速要明顯高于施工態(tài)，欄桿起對(duì)屏蔽來(lái)流風(fēng)速不利作用。

（2）各風(fēng)偏角下，設(shè)置風(fēng)屏障對(duì)所有車道來(lái)流均有明顯的屏蔽效果。其中，背風(fēng)側(cè)三車道平均風(fēng)速降低最為顯著。對(duì)迎風(fēng)側(cè)三車道在靠近橋塔區(qū)域0～48 m范圍內(nèi)平均風(fēng)速大幅降低，48m以外區(qū)域屏蔽效果較弱。

（3）在0°風(fēng)偏角下，風(fēng)屏障對(duì)背風(fēng)側(cè)三車道豎向風(fēng)速分布降低效果明顯，車道4豎向風(fēng)速降幅最大。在10°、20°風(fēng)偏角下，迎風(fēng)側(cè)三車道在0～3.88 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速降低較為明顯；在3.84 m以上高度范圍內(nèi)背風(fēng)側(cè)三車道屏蔽效果較迎風(fēng)側(cè)顯著。

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