平潭海峽公鐵兩用大橋行車安全防風控制及風屏障設計

苗潤池 李龍安

中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，武漢 430056

1 工程概況

平潭海峽公鐵兩用大橋布設在平潭海峽北口，是新建福平鐵路、長平高速公路的關鍵性控制工程。大橋起于長樂市松下鎮，經人嶼島，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，上層設計為100 km/h的六車道高速公路，下層設計為200 km/h的雙線Ⅰ級鐵路。

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口海域之一，具有風大、浪高、水深、流急等特點，氣象條件十分復雜。橋址區域屬典型的海洋性季風氣候，年平均6級以上大風307 d，7級以上大風216 d，8級以上大風121 d，橋址處設計基本風速為44.8 m/s［1］。由于鐵路列車運營對風較為敏感，在公路和鐵路橋面的運行安全性和舒適性受橋址處大風天氣的影響較大［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營需求，是平潭海峽公鐵兩用大橋行車安全防風控制的關鍵。

2 行車安全防風控制

2.1 總體目標

大風可能會導致汽車和列車經過橋梁時發生傾覆。平潭海峽公鐵兩用大橋上行駛的車型復雜，且有13 km完全暴露在海洋環境之中，大風天氣對海上橋梁交通的影響比陸地嚴重，應針對大風天氣采取相應的行車安全防風控制措施。結合設計車速、車輛類型、通行能力要求、行車安全和舒適性要求、所能實施的交通管理措施和工程結構措施等綜合因素，制定平潭海峽公鐵兩用大橋橋面行車安全防風控制總體目標，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 橋面行車安全風速換算

為了滿足橋面行車安全防風控制目標，方便運營管理，需要將橋面行車安全風速進行換算，最終轉換為相應的氣象站風速。共需進行三次轉換。

1）將橋面風速U橋面換算為同等高度處的自然風速Uz（即橋面的來流風速），可通過節段模型風洞試驗或CFD（Computational Fluid Dynamics）數值計算得到。以平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋為例，暫定橋面風速為同等高度處自然風速的λ倍，即U橋面=λUz。

2）將同等高度處的自然風速Uz換算為橋址處10 m高度風速Us10。該換算采用指數模型Uz=Us10（Z/10）α。其中：Z為構件計算高度；α為平均風速剖面的指數。以平潭海峽公鐵兩用大橋元洪航道橋為例，橋址區風速剖面特性屬于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高度風速Us10換算為氣象站的風速U氣象。該換算方法是在橋址處設置同步觀測站進行一年以上的同步觀測，找出橋址處與氣象站的相關函數。平潭海峽公鐵兩用大橋氣象環境研究專題報告［3］中指出，將平潭海峽長嶼、蘇澳、白青、嶼頭、松下自動氣象觀測站逐日風觀測資料與平潭氣象站同步資料進行相關對比分析，發現工程所在地平潭海峽的平均風速明顯大于島內［4］，區域氣象站的10 min平均風速最大值是平潭氣象站的1.4～1.5倍左右，各站極大風速是平潭氣象站的1.2～1.4倍，各站的相關系數均在0.85以上，相關性非常好。因此，橋址處10 m高度風速Us10取氣象站的風速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速最終換算為氣象站風速的關系式為

平潭海峽公鐵兩用大橋平潭氣象站的數據接近兩岸陸地的風速。因此，根據橋面行車安全防風控制總體目標要求，以鐵路橋面為例，可以得到

要使等式成立，則λ≤0.594。對于需要設置風屏障的橋梁，λ是設置風屏障后橋面風速折減系數（定義為橋面等效風速與來流風速之比），是風屏障設計參數的一個重要指標，決定了橋面行車安全防風控制總體目標能否達到要求。

3 風屏障設計及全尺模型試驗

3.1 風屏障設計

風屏障在強風環境中能為列車創造一個相對低風速的局部環境，有效減小車輛的風荷載，提高車輛在橫風作用下的安全性，能有效解決車輛側向風安全性［5］。典型的風屏障設計為縱橫相間的柵欄或多孔板。風洞試驗顯示風屏障的透風率是決定風屏障減風率的主要參數，其次是風屏障的高度［6］。

風屏障為附屬設施，整體剛度較弱［7］，對于海上強風環境，風屏障整體剛度需要加強。因此，平潭海峽公鐵兩用大橋采用拉索加強型抑風風屏障。該風屏障由立柱、抑風板、連接件、拉索、基座等組成（圖2）。其特點為在風屏障縱向設置多道預應力拉索，形成整體錨固體系，提高風屏障整體剛度，加強風屏障整體穩定性。抑風板為開有不同直徑的多孔板，斷面形式見圖3。其中：L為長度；E為寬度；J為厚度；t為板厚。多孔型抑風板具有良好的減風效果和較小的風阻效應，可在滿足橋面風速折減率的同時最大限度地減少風阻效應。風屏障高度、透風率等參數根據風洞試驗確定［8］。

圖2 拉索加強型抑風風屏障結構

圖3 抑風板斷面形式

3.2 風屏障全尺模型試驗

風洞試驗是研究風屏障防風效果的一種重要手段，通過風洞試驗可以進行流場與氣動力的測試，但一般采用縮尺模型［9］。對于多孔板等復雜形狀風屏障進行縮尺模型風洞試驗時，需要采用等效透風率的方法，簡化風屏障的整體外形和局部外形，此時風屏障不能完全滿足幾何相似性，這會導致試驗結果的準確性降低。考慮實測方法的困難，有必要進行全尺風屏障模型的風洞試驗，研究風屏障的防風效果［10］。

針對平潭海峽公鐵兩用大橋的多孔型風屏障結構，采用全尺1∶1風屏障節段模型（圖4），在XNJD-3工業風洞中系統測試了風屏障氣動力及其后方的流場分布，基于等效風速和風荷載對防風效果進行評價。

圖4 風屏障模型及風場測點布置

試驗中來流風速為10 m/s。根據風洞試驗測試結果，風屏障的整體阻力系數為0.792。軌道中心的平均風速見表1。其中，測點1～測點10位于1倍風屏障高度H范圍內，測點10～測點16位于2H范圍內。可知：在風屏障背風側，測點10～測點14范圍內出現了較為明顯的剪切層，剪切層高度在1.1H～1.6H；測點1～測點10范圍內軌道中心處平均風速明顯降低，說明風屏障起到了很好的防風減風效果。

表1 軌道中心處平均風速 m·s-1

根據風屏障防護高度范圍內的受力等效原則，得到風屏障基于側向力等效和基于傾覆力矩等效的風速折減系數，見表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控制總體目標要求。

表2 風屏障風速折減系數

通過全尺1∶1風屏障模型風洞試驗，平潭海峽公鐵兩用大橋全橋范圍內均設置風屏障，風屏障樣式統一采用拉索加強型抑風風屏障，開孔形式為多孔型。風洞試驗通過對透風率為30%～50%和風屏障高度為2.5～4.5 m進行研究，最終確定鐵路橋面風屏障參數為透風率36.5%，風屏障高度4.2 m。

4 鐵路橋面運營管理辦法

平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路橋面列車設計速度為200 km/h，由于橋址區風環境復雜，大風天氣多，鐵路行車安全運營受強風作用影響較大，必須制定合理的運營管理辦法［11］。根據行車安全防風控制總體目標，給出平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路列車行車安全防風限速的規定，見表3。

表3 鐵路列車行車安全防風限速的規定

根據鐵路橋面行車安全換算風速及風屏障模型風洞試驗結果，可以得到鐵路橋面行車安全風速與地面安全行車風速，見表4。

表4 鐵路橋面行車安全風速與兩岸陸地行車風速對比

由表4可知：①對于6～8級大風天氣，兩岸陸地列車可以正常運行，對于沒有采用防風措施的鐵路橋面需要進行限速管理甚至停運；②對于9～10級大風天氣，當兩岸陸地列車采用限速管理時，對于沒有采用防風措施的鐵路列車已經不能運行。

綜上，平潭海峽公鐵兩用大橋采用拉索加強型抑風風屏障防風控制后，對于6～9級大風天氣，鐵路列車仍可以正常運行，橋面等效風速可以降低2～3個風速等級，不僅保證了強風環境下列車行車安全，而且保障了交通運營需求，是非常有效的防風措施。

平潭海峽公鐵兩用大橋2020年開通運營以來，橋梁風屏障對行車安全防風控制起到了關鍵作用，值得推廣應用。

5 結論

1）根據拉索加強型抑風風屏障結構特點，針對多孔抑風板類型風屏障，采用全尺1∶1模型風洞試驗，最終確定鐵路橋面風屏障參數為透風率36.5%，風屏障高度4.2 m，風速折減系數為0.31。

2）根據行車安全防風控制總體目標，提出了平潭海峽公鐵兩用大橋鐵路橋面運營管理辦法。采用風屏障后，對于6～9級大風天氣，鐵路列車仍可以正常運行，橋面等效風速可以降低2～3個風速等級。