福州長門特大橋北引橋風障設計和抗風研究

■洪錦祥

（福建省交通規(guī)劃設計院，福州 350004）

1 引言

福州長門特大橋是福州繞城高速公路東南段的控制性工程，大橋位于閩江下游，瀕臨入海口處，在福州市連江縣長門村和瑯岐島之間跨越閩江，受通航凈空要求，橋面設計較高。由于大氣邊界層存在的梯度風效應，大橋橋面高度的風速遠遠高于地面接線高速公路的風速。當?shù)孛娼泳€處風速還低于橋梁規(guī)范規(guī)定的安全通行風速時，大橋橋面處的風速就已達到或超過了安全通行風速。這就意味著大橋和接線具有不同的大風通行能力，大橋將成為一個制約整條福州繞城高速公路東南段的關鍵點。

受主橋標高和地形限制，大橋北引橋橋面同樣較高，為充分發(fā)揮長門特大橋瑯岐島生命通道的重要作用，本文以福州長門特大橋北引橋為研究對象，通過流體動力學理論，對引橋的橋面風環(huán)境進行分析，在大跨度橋梁的引橋上首次使用風障降低橋面風速，提高了引橋橋面?zhèn)蕊L行車安全性，使其具有與接線相同或更高的通行能力。同時，通過節(jié)段模型測力風洞試驗，對引橋主梁斷面的氣動力三分力系數(shù)進行了研究。

2 工程概況

長門特大橋主橋為主跨550m的雙塔雙索面斜拉橋，南端與隧道相連，僅有北引橋，長514m，橋跨布置為35+40+35+10×40m（圖1所示），上部采用預應力混凝土連續(xù)T梁（橫斷面布置如圖2所示），左、右線橋間距由50cm到1100cm連續(xù)變化。主要技術標準為：雙向六車道，設計速度 100 km/h，設計荷載公路－I級，設計基本風速39.7m/s[1]。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 橫斷面布置圖（單位：cm）

3 風障減風效果目標

根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[2]，大氣邊界層中平均風速剖面（即平均風速隨離開地表高度的變化規(guī)律）：

其中，α為地表粗糙度系數(shù)（根據(jù)文獻[1]，長門特大橋橋址區(qū)地表類別為A～B類之間，取0.15）；z為離開地表高度；zr為參考高度；Vr和Vz分別為參考高度處的參考風速和高度z處的風速。

側向風在流經(jīng)橋面時會形成一定厚度的附面層，即距離橋面一定高度范圍內，不同高度的風速是不同的[3]，其變化規(guī)律也因主梁斷面和橋梁系構件不同而不同，為了衡量橋面?zhèn)认蝻L速的大小，根據(jù)總風壓相等的原則定義橋面等效風速為：

其中，z′為離開橋面的高度；Hr為等效風速計算高度，與車輛在橋面上行駛時受側向風影響的高度范圍相對應。當研究改善橋面行車風環(huán)境的風障措施時，一般按大型車輛考慮，Hr取4.5m。

受主橋標高和地形限制，大橋北引橋橋面遠高于與其相連接的接線高速公路的標高，由式（1）橋面處風速要大大高于接線的風速。因此，為改善橋面行車風環(huán)境，使其具有與接線高速公路相近等效風速，就必須安裝風障系統(tǒng)減小橋面風速。

在不考慮橋梁振動的情況下，對于某一輛以恒定速度行駛的確定車輛，其在整條道路不同位置上的抗風能力基本是一樣的，因此，本橋風障設計時考慮橋面與其接線路面的等效側向風速相同，則認為汽車在兩處具有相同的側風行車安全性。具體設計和抗風研究時：（1）由于橋址處地表類別介于A和B類之間，因此接線路面風速偏安全取橋址處5m高度風速；（2）橋面各車道上方4.5m范圍內的等效風速不高于橋址處5m高度風速。

為反映設置風障后的減風效果目標，將橋面等效風速Veq和基準高度風速VH的比值定義為橋面一定高度范圍內的側風折減系數(shù)ηv：

其中，Vs10為橋址處基本風速；H為基準高度。由于車輛側風受風面的中心距離橋面有一定的高度，以常見大型集裝箱貨車為例，其重心大約距離地面高度為1.5m，因此將橋面以上1.5m的位置作為研究橋面?zhèn)蕊L向風速的基準高度。

其中，h為橋面到地表（水面或地面）的距離。

根據(jù)橋面設計標高和地面標高，計算得到了左、右線橋在各橋墩處所需的允許側風折減系數(shù)，列于表1。由表1可知，當設置風障后引橋的側風折減系數(shù)小于0.694，則引橋橋面等效平均風速將低于接線路面平均風速，即引橋在大風天氣下具有與其接線相同或更高的通行能力。

4 風障設計

經(jīng)過多輪CFD分析計算，并考慮到美學、施工方便等因素，最終確定的北引橋風障為在原有引橋混凝土防撞欄的基礎上修改設計。下部結構仍為防撞欄，上部為國內首次采用的曲線式鋼立柱加標準鋼制矩形風障條。北引橋風障布置如圖3所示，曲線式立柱安裝在混凝土防撞護欄上，縱橋向間距1.5m，立面上風障條由七根標準矩形擋風橫條組成，上部透風率60%，立柱和風障條均采用Q345C鋼材。

5 橋面風環(huán)境CFD分析

采用Fluent軟件對橋面風環(huán)境進行數(shù)值模擬分析，采用k-εRNG紊流模型和三角形網(wǎng)格，圖4、圖5分別為安裝風障前、后的CFD計算模型。其中，B為兩幅主梁的總寬；D為兩幅主梁的間距，計算時取最小值 50cm、平均值575cm和最大值1100cm。計算模型忽略了縱橋向非連續(xù)分布的附屬結構，如風障的立柱等。分析時，計算區(qū)域的計算截面重心至上、下邊界距離均為10B，計算截面形心至左、右邊界距離分別為10B和20B；計算區(qū)域的頂部和底部都設為無摩擦墻面邊界條件，上游設為速度入口邊界條件，下游設為壓強出口邊界條件，主梁和表面都設為無滑移墻面邊界條件。計算速度入口邊界條件采用均勻流Vx=20m/s，Vy=0m/s；出口壓強為大氣壓。

表1 左、右線橋各橋墩處允許側風折減系數(shù)

圖3 風障布置圖（單位：cm）

圖4 無風障工況CFD計算模型（單位：cm）

圖5 有風障工況CFD計算模型（單位：cm）

圖6～8所示，分別為安裝風障前，主梁不同間距，橋面附近區(qū)域的相對流速及流線圖。可以看出：由于防撞欄的透風率為零，氣流在繞過形狀較鈍的主梁后，在上風側橋面上方形成較大范圍的高流速區(qū)，下風側靠近橋面處風速有一定的增大；主梁間距增大后，上風側橋面風速分布情況變化不大。

圖9～11所示，則分別為安裝風障后，主梁不同間距，橋面附近區(qū)域的相對流速及流線圖。可以看出：安裝風障后，橋面上方的流速有較大降低，低風速區(qū)的高度有一定擴大；主梁間距增大后，橋面風速分布依然保持穩(wěn)定，變化不大。

圖6 安裝風障前相對流速和流線圖（D=50cm）

圖7 安裝風障前相對流速和流線圖（D=575cm）

圖8 安裝風障前相對流速和流線圖（D=1100cm）

圖9 安裝風障后相對流速和流線圖（D=50cm）

圖10 安裝風障后相對流速和流線圖（D=575cm）

圖11 安裝風障后相對流速和流線圖（D=1100cm）

圖12所示為主梁間距50cm時，安裝風障前，橋面各車道上風側邊緣處風剖面圖。可以看出：安裝風障前，車道1橋面上方2.8m高度以上平均風速均高于來流風速；上風側三個車道的遮擋區(qū)范圍均小于3.5m；其余3個車道在4.5m高度范圍內的平均風速都低于來流風速。

圖12 安裝風障前各車道平均風速剖面（D=50cm）

圖13所示為兩幅主梁間距50cm時，安裝風障后，橋面各車道上風側邊緣處風剖面圖。可以看出：安裝風障后，除車道1橋面上方約4.25m高度以上平均風速均高于來流風速外，其余5條車道在4.5m高度范圍內的平均風速都低于來流風速，即風障遮擋區(qū)高度在4.5m以上。

由于篇幅關系，未給出兩幅主梁間距575cm和1100cm時，安裝風障前、后，各車道的風剖面圖。但分析表明，主梁間距增大對遮擋區(qū)范圍影響不大。

表2和表3給出了安裝風障前后橋面各車道側風折減系數(shù)的計算結果，表中H為等效風速計算高度，*代表此等效風速的風向與來流風向相反。從表2和表3可以看出：安裝風障前，雖然防撞欄對來流風有一定的為遮擋作用，但其遮擋作用有限，橋面部分車道的側風折減系數(shù)超過了允許值0.694；安裝風障后，風障的遮擋效果顯著，橋面各車道的側風折減系數(shù)都小于允許值。

圖13 安裝風障后各車道平均風速剖面（D=50cm）

表2 安裝風障前各車道側風折減系數(shù)

表3 安裝風障后各車道側風折減系數(shù)

上述的CFD分析表明，北引橋的風障設計合理，安裝風障后，達到了減風效果的目標，引橋在大風天氣下具有與其接線相同或更高的通行能力。

6 節(jié)段模型風洞試驗

安裝風障后，北引橋的行車風環(huán)境得到了改善，但斷面形狀發(fā)生了改變，風障具有遮擋作用，可能引起橋梁風荷載的增加，有必要通過節(jié)段模型測力風洞試驗，得到主梁氣動靜力三分力系數(shù)的整體狀態(tài)，用于風荷載的計算，指導設計。

節(jié)段模型測力風洞試驗在同濟大學土木工程防災國家實驗室TJ-2大氣邊界層風洞中進行。根據(jù)實橋主梁斷面尺寸和風洞試驗段尺寸以及直接試驗法的要求，主梁節(jié)段模型的縮尺比取1/55。試驗時，分別對不同主梁間距D（50、575 和 1100cm），-10～10 度風攻角下，成橋和施工（無護撞欄和風障）狀態(tài)，上、下風側主梁的三分力系數(shù)進行測試。圖14所示為成橋狀態(tài)的主梁測力模型 （D=575cm）。

圖14 成橋運營狀態(tài)主梁測力模型（D=575cm）

表4～6分別給出了-3、0和3度風攻角下，主梁斷面三分力系數(shù)。C_H、C_V和C_M分別為橫向力、豎向力和扭轉力矩系數(shù)。可以看出：上風側橋的橫向力和扭轉力矩系數(shù)遠大于下風側橋；隨兩幅主梁間距的增大，下風側橋的橫向力、豎向力和扭轉力矩系數(shù)均隨之增大，而半風側橋的橫向力系數(shù)基本穩(wěn)定；由于風障、防撞欄等橋面系的遮擋作用，成橋狀態(tài)時下風側橋橫向力系數(shù)較施工狀態(tài)小；上風側橋的豎向力系數(shù)在成橋狀態(tài)隨主梁間距的增大而增大，而施工狀態(tài)則隨主梁間距的增大而減小。

表4 風攻角-3度時主梁斷面三分力系數(shù)

表5 風攻角0度時主梁斷面三分力系數(shù)

表6 風攻角+3度時主梁斷面三分力系數(shù)

7 結語

通過長門特大橋北引橋橋面風環(huán)境CFD分析和節(jié)段模型測力風洞試驗，發(fā)現(xiàn)：

（1）采取減風措施前，橋面部分車道的側風折減系數(shù)大于允許值。為發(fā)揮長門特大橋瑯岐島生命通道的重要作用，在北引橋應安裝合理風障，改善行車風環(huán)境，提高橋面安全通行風速。

（2）設計所采用的風障設置方案，能將橋面各車道的側風折減系數(shù)控制在允許值以內，橋面等效平均風速將低于接線路面平均風速，北引橋在大風天氣下具有與其接線相同或更高的通行能力。

（3）通過節(jié)段模型測力風洞試驗，得到了主梁氣動靜力三分力系數(shù)的整體狀態(tài)，可用于北引橋的設計計算，并可供類似橋梁設計參考。

[1]國家海洋局閩東海洋環(huán)境監(jiān)測中心站.長門特大橋橋位氣象觀測及風參數(shù)研究專題技術報告[R].2010.

[2]JTG/T D60—01—2004,公路橋梁抗風設計規(guī)范（S）.

[3]周奇,朱樂東,郭震山.曲線風障對橋面風環(huán)境影響的數(shù)值模擬［J］.武漢理工大學學報,2010（10）:38-44.