橋梁風障擋風性能的試驗研究

李　波, 張　劍, 楊慶山(.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京　00044； 2.結構風工程與城市風環境北京市重點實驗室，北京　000444)

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橋梁風障擋風性能的試驗研究

李波1,2, 張劍1, 楊慶山1,2(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京100044； 2.結構風工程與城市風環境北京市重點實驗室，北京1000444)

摘要：通過測速風洞試驗，得到了孔隙率、障條寬度對橋梁風障擋風性能的影響規律，并對橋梁風障的模擬方法及其擋風性能評價參數進行了研究。試驗結果表明，風障有效擋風高度約為2.0H(H為風障高度)，在1.0H范圍內，風速降低較多，在1.0H高度處，流場湍流度達到最大。孔隙率對風障擋風性能影響較大，隨著孔隙率的增大，風障下游風速增大，湍流度減小。障條寬度對風障擋風性能影響較小，相同孔隙率時，障條寬度對風障下游湍流度的影響可以忽略。按壓力等效定義的風速折減系數較好反映了風速的變化規律，能夠來用定量評價風障的擋風效果。

關鍵詞：風障；擋風；橋梁；風洞試驗；孔隙率；障條寬度

橋梁是現代交通運輸系統中的重要組成部分，在國民經濟與社會發展中占有極其重要的地位[1]。風是大跨度橋梁結構設計的主要控制性載荷，由于抗風設計不合理風致橋梁破壞事故屢見不鮮；另一方面，因高風速而禁止車輛通行更是影響橋梁運營的瓶頸問題，造成了巨大的經濟損失[2-4]。經過數十年的不懈努力，橋梁風致振動理論已經逐步完善起來，千米跨度范圍內的各類橋梁均有較為成熟的措施用來保證橋梁的抗風性能。因此，改善橋梁(特別是大跨橋梁)的使用功能越來越受到研究者和設計人員的關注。

橋梁風障是設置于橋梁兩側，用于降低風速、防止車輛側翻，保證車輛在側風作用下行車安全的橋梁附屬結構。通過加設風障能夠降低橋面風速、增加橋面行車舒適性、是改善橋梁使用功能的一種主要手段。一般情況，橋梁大多采用“鋼立柱+障條”的條式風障(見圖1)，其中，立柱起支撐作用，障條起擋風作用，通過調節障條的寬度、間距以及數量控制風障的擋風效果。英國賽文橋、香港青馬大橋、中國杭州灣大橋均是通過風障提高橋梁運行效率的成功案例[5- 7]。

圖1　橋梁風障Fig.1 Wind barrieron the bridge

由于橋梁的安全是關注的焦點，已有研究往往是針對某個實際工程，采用數值模擬的方法分析風障的擋風性能，并未就橋梁風障的模擬方法及其對下游流場的影響進行專門研究[8-9]。基于上述情況，本文將采用風洞試驗的方法，對上述問題進行研究，為進一步研究風障遮擋下的列車氣動力特征提供參考。

1試驗介紹

1.1試驗模型及測試方法

本次試驗在北京交通大學風洞實驗室高速試驗段完成，該風洞(見圖2)為雙試驗段回流式閉口風洞，風洞洞體平面尺寸為41.0 m×18.8 m，其中，高速試驗段尺寸為：3.0 m×2.0 m×15.0 m，低速試驗段尺寸為：5.2 m×2.5 m×14.0 m。經第三方校核，風洞風場品質優秀。

圖2　北京交通大學風洞試驗室Fig.2 Wind tunnel laboratory in Beijing Jiaotong University

選取實際工程中最常采用的雙向八車道、箱型主梁大跨度橋梁為研究對象(見圖3)，制作用于橋梁風障擋風性能研究的橋梁剛性節段模型，該模型與實際橋梁保持幾何相似，幾何縮尺比1∶75，模型參數如表1所示。模型制作完成后，通過連接件將模型固定到風洞高速試驗段的外支架上，確保在試驗過程中模型不發生振動[10-12]。安裝完畢后，橋梁截斷模型位于風洞橫截面中間，有效避免了風洞底板邊界層的影響。

圖3　橋梁主梁斷面(mm)Fig.3 Cross section of bridge girder(mm)

為了方便測得橋面風場，采用間距為20 mm的鋼針制作排管(頂部兩排間距分別增大至40 mm和60 mm)。試驗中將鋼針與電子掃描閥相連，測得測點處動壓，然后通過風速與風壓的關系轉化得到測點處的風速。為了驗證排管的測量精度，在正式試驗前，將排管安裝在風洞地面上，測得風速沿高度分布，同時，通過皮托管測得相同高度處來流的風速值，兩種方法測得的風速如表1所示。可以看出兩種方法測量得到的風速誤差小于3%，這說明排管能夠用于橋面風場的測量。

表1　風速測量結果

1.2試驗工況與風障參數

風障高度雖然是影響其擋風效能的主要參數，但在實際工程中，風障高度一般是固定的。因此，本次試驗中風障高度均3 m，主要研究風障孔隙率、所用障條寬度對其擋風性能的影響，試驗工況及障條參數如表2所示。

表2　風障參數

為了準確模擬開孔類物質的氣動性能，除滿足幾何相似外，其縮尺模型與原型還需滿足下面準則[13]：

1) 孔隙率ε相同

2) 板厚t與等效水力直徑Dh之比相同

其中，氣流流經障條式風障可近似為無限寬(寬度?高度)的平行板間流動，其等效水力直徑Dh取為2倍的板間距[14]。因此，為了滿足上述準則需要選擇合適的障條板厚度。根據試算，本次試驗所用障條板厚取為1.3 mm，試驗用風障如圖4所示。

圖4　風障模型圖Fig.4 Wind barrier model

1.3有效性驗證

Maruyama[15]通過風洞試驗和數值模擬的方法對防風柵下游風場進行了研究，其中，所用到的試驗裝置如圖5所示。該試驗通過架空平臺避免風洞底板邊界層的影響，和本文采用的外支架抬高模型作用相同。

采用相同裝置，圖6給出了本文得到的60%孔隙率的風障下，距離風障3H處的平均風速剖面與Maruyama 測得的相同工況對比結果，圖中，H表示風障高度，h表示測點距橋面高度，U表示來流平均風速，u表示測點處平均風速。可以看出，兩者測量得到的無量綱風速比沿高度分布基本相同。

圖5　風洞試驗中的風障Fig.5 Arrangement of a wind breaks in wind tunnel

圖6　風速比分布對比Fig.6 Comparison of distribution of ratio of wind velocity

2風障孔隙率的影響

本次風洞試驗測試了障條寬度為300 mm，孔隙率分別為0%、40%、50%、60%、100%(即無風障)時，橋面風場的分布，根據風障下游平均風速的分布，說明風障孔隙率對其擋風性能的影響。

圖7給出了第三車道無量綱風速比沿高度的分布。可以看出，不同孔隙率的風障都能起到一定的擋風作用。全封閉風障(孔隙率0%)對風速的遮擋影響高度最大，達到3H；設置一定孔隙率(40%～60%)后，風障對風速的影響高度降至2H。值得注意的是，當風障為全封閉時，在1.5H高度范圍內，風速很小，且隨著高度的增加，風速基本保持不變。但在該高度以上，風速隨高度的增加而急劇增加，在3H高度處，風速增大至1.08U，相對于無風障狀態，風速有所增大。

圖7　風速比分布Fig.7 Distribution of ratio of wind velocity

參照轎車、中型卡車、集裝箱車三種典型車輛的高度，分別取1H、1.5H、2H處的風速比，觀察其在50%孔隙率的風障下風速沿車道橫向分布，如圖8所示。圖中，縱軸表示相對風速，橫軸x表示測點與風障的橫向距離。

圖8　風速比沿車道分布Fig.8 Distribution of relative wind velocity along the lane

可以看出，隨著高度的增大，各個車道的風速也是逐漸增大的。在距離橋面2H處，風速沿縱向變化較小，且在下游車道處的風速基本接近來流風速，這說明，此時風速基本已不受風障的影響。不同高度處，風速沿橋面都是先降低后逐漸增大，風速在第五車道處達到了最小值。對于三類車輛而言，50%孔隙率的風障對轎車的擋風效果最好，且在第五車道處風速能夠達到最小。

圖9給出了不同高度處，8個車道最大風速比分布圖。可以看出，對全橋而言，不同孔隙率風障的有效遮擋高度均為H，在該區域內，全封閉風障風速比能下降至0.25U，隨著孔隙率的增加，有效遮擋區域內的風速逐漸增加。當孔隙率達到60%時，風速比增至0.82U。

圖9　風速比極值分布Fig.9 Distribution of the maximum of relative wind velocity

根據實際風速剖面可以計算出相應的等效風速，其計算原理是將實際風剖面等效為矩形，等效原則為實際風剖面和矩形風剖面的壓力總和相等。定義無量綱化后的矩形等效風速為風速折減系數，可按下式進行計算：

(1)

式中，r為風速折減系數，hr表示所選風剖面高度，本文取3.0H，u(h)表示高度h處測得的風速。

表3給出了在不同孔隙率的風障遮擋下，一至五車道的風速折減系數。可以看出，風速折減系數較好反映了風速的變化規律，能夠定量表示風障在不同位置處的擋風效果。

表3　風速折減系數分布

圖10給出了第三車道湍流度沿高度的分布。可以看出，全封閉風障(孔隙率0%)對湍流度的影響高度最大，達到3H；設置一定孔隙率(40%～60%)后，湍流度影響高度降至2H，并且，隨著孔隙率的增大，湍流度變小。值得注意的是，不同孔隙的風障，湍流度都在1H高度達到最大。

圖10　湍流度分布Fig.10 Distribution of Turbulence Intensity

圖11給出了不同高度處，8個車道最大湍流度分布圖。可以看出，對全橋而言，湍流度也是在1H高度處達到最大。同樣高度處，湍流度大致隨著孔隙率的增大而減小。

圖11　湍流度極值分布Fig.11 Distribution of the maximum of turbulence intensity

3風障障條寬度的影響

圖12給出了風障孔隙率為50%，不同障條寬度時，第三車道無量綱風速比沿高度的分布。

可以看出，風速在1H高度范圍內有一定差異，但在該高度以上，各工況時測得的風速基本相同。這說明，相同孔隙率時，障條寬度對風障擋風效率的影響不大。

圖12　風速比分布Fig.12 Distribution of ratio of wind velocity

圖13給出了在不同障條寬度時，第三車道湍流度沿高度的分布。

圖13　湍流度分布Fig.13 Distribution of turbulence intensity

可以看出，孔隙率相同時，僅在1H高度處，障條寬度對湍流度有一定影響，其它位置處，障條寬度對湍流度的影響也不大。這說明，相同孔隙率時，障條寬度對風障下游湍流度的影響可以忽略。

4結論

本文通過風洞試驗，研究了風障孔隙率以及障條寬度對橋面風速、湍流度的影響。主要結論如下：

(1) 在風洞模擬風障的擋風性能時，除幾何尺度相似外，風障的孔隙率、厚度也要按要求進行相似比設計。

(2) 孔隙率對橋梁風障的擋風性能影響較大，障條寬度影響較小。隨著孔隙率的增大，風障下游風速增大，湍流度減小。

(3) 風障有效擋風高度約為2.0H(H為風障高度)，在1.0H范圍內，風速降低較多，但在1.0H高度處，流場湍流度達到最大。

(4) 按壓力等效定義的風速折減系數能夠用來定量評價風障的擋風效果。

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Experimental study on windbreak performance of wind barriers on bridge

LIBo1,2,ZHANGJian1,YANGQing-shan1,2(1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing’s Key Laboratory of Structural Wind Engineering and Urban Wind Environment, Beijing 100044, China)

Abstract:Wind tunnel velocity tests have been carried out to investigate the windbreak performance of wind barriers on bridges considering different barrier porosities and widths, the wind barrier wind tunnel simulation method and evaluation parameter of windbreak performances are discussed in the paper.Test results show that the shielding region of wind barriers is about 2.0H (H is the height of wind barrier) and that wind speed decreases significantly when the height is below 1.0H.The turbulence intensity of the downstream flow on the wind barrier reaches the maximum at a height of 1.0H.Windbreak performance depends on porosity of wind barrier, wind speed will rise and turbulence intensity decreases with increasing porosity.Barrier width seems to have no relationship with windbreak performance; when porosity is the same, the effect of barrier width can be ignored.The wind speed reduction coefficient can be used to evaluate windbreak performance, which is defined by pressure equivalence.

Key words:wind barrier; windbreak; bridge; wind tunnel test; porosity; width of barrier

中圖分類號:TU973.212

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.08.013

收稿日期：2015-09-29修改稿收到日期：2015-11-05

基金項目：國家自然科學基金項目(51378060);高等學校學科創新引智計劃(B13002)

第一作者 李波 男，博士，副教授，1978年生

E-mail：libo_77@163.com