基于大比例尺風洞試驗的塔區橋面風速抑制措施研究

蒲詩雨 陳晨 李強

跨海大橋的塔區風環境復雜，導致此區域行車安全性問題非常突出，研究塔區橋面的風速分布規律和塔區風環境的改善措施具有重要意義。以某特大跨海斜拉橋為工程背景，通過1∶30大比例尺主梁-橋塔節段模型風洞試驗測試了塔區橋面行車區間的側向平均風速分布。試驗結果表明：橋塔的存在一方面使塔柱正后方出現遮風效應，橋塔中心線處風速僅為來流風速的0.1倍；另一方面使來流繞塔柱分流，在靠近橋塔兩側出現風速加速區，風速在距離橋塔中心線3倍橋塔寬度處達到峰值（1.3倍來流風速）。為了減小該風速變化對行車安全的影響，測試了防撞欄桿與風障對來流風速的屏蔽作用，試驗結果表明：安裝防撞欄桿和風障均能使塔區風速變化更加平緩，但沿橫橋向與橋面高度方向，防撞欄桿+風障對來流風速的屏蔽作用與屏蔽范圍均顯著優于防撞欄桿。安裝防撞欄桿和風障可大幅度提高塔區處的行車安全性。

塔區橋面風環境； 風洞試驗； 大尺度節段模型； 風障

U441+.2 A

［定稿日期］2021-12-21

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

［作者簡介］蒲詩雨（1998—），女，碩士，研究方向為橋梁抗風；陳晨（1998—），女，碩士，研究方向為橋梁抗風；李強（1998—），男，碩士，研究方向為橋梁抗風。

跨海大橋的橋位處地勢開闊，橋面高程高，因此與大陸橋梁相比，其橋面高度處常遇風速更大。由于橋塔繞流影響，車輛在跨海大橋橋面行駛過程中，當通過一個橋塔區域時，要經歷一次風荷載劇烈減小和一次風荷載劇烈增大的變化過程，從而發生側傾、側滑和側偏量過大問題，這將嚴重影響行車的安全性和舒適性［1-5］。風致行車安全事故不僅會引發交通堵塞，還會造成人員傷亡和經濟損失，因而近年來越來越多的專家學者開始關注此類問題［6-8］。研究強風作用下的塔區橋面風環境改善措施對跨海大橋行車安全性具有重要意義［9-11］。

目前已有少部分國內外專家學者對橋塔遮風效應進行了研究。Charuvist等［12-13］將多種車型和多種橋塔形式組合，在不同風速和風向條件下進行縮尺模型風洞試驗，總結了強風作用下車輛通過塔區的空氣動力特征。Argentini等［14］通過實驗測試了車輛經過塔區時的表面壓力變化情況，研究發現橋塔的遮風效應會使車輛的氣動力參數發生復雜變化。Kwon等［15］基于CarSim和TruckSim軟件計算結果提出了評估車禍臨界風速的方法——車輛事故指數，并通過風洞試驗發現風障能有效降低來流風速。Kozmar［16］利用粒子圖像測速（PIV）技術和皮托管進行風洞試驗，研究了高架橋上風柵的防護效果，并發現風垂直入射角的改變會引發風障后風力不穩定現象，而風水平入射角的改變對風障后流場特性的影響不明顯。陳艾榮等［17-18］以杭州灣跨海大橋為研究對象運用數值風洞技術，總結了塔區風環境分布特征。龐加斌等［8］ 結合橋位風速觀測資料建立了橋面行車高度等效風速概率模型，并提出了行車安全的概率評估方法。于群力等［19］運用數值分析方法對車橋模型進行了流場分析。陳曉東［20］采用電子壓力掃描閥和測壓耙對西堠門大橋塔區模型進行了風洞試驗，通過分析不同工況下塔區風環境以實現風障的優化設計。曾加冬［21］對嘉紹大橋運用計算流體力學CFD方法模擬了塔區繞流流場的三維分布，并通過風洞試驗得出橋面行車風環境的分布規律。李永樂等［22-24］采用CFD方法對大跨度懸索橋塔區橋面風環境進行了仿真分析，并研究發現防撞護欄有利于車輛的行車安全。鄭史雄等［25］利用CFD數值模擬計算分析了滬通長江大橋主航道橋的塔區流場分布，并通過大尺度階段模型風洞試驗，研究了列車經過橋塔區域過程中的氣動參數變化。

目前對于塔區橋面風環境的研究主要有2種方法：風洞試驗方法和CFD數值計算方法。風洞試驗方法周期長、花銷大，且需要精密復雜的設備儀器。目前已經開展過的塔區風環境測試實驗，如嘉紹大橋塔區模型風洞試驗、西堠門大橋塔區模型風洞試驗等，均采用皮托管或補償式微壓計標定橋面風場，此類儀器在橋塔遮擋處的風速測量誤差較大。因此，目前專家學者多采用CFD數值計算方法研究橋面風場［26-29］。但是在CFD分析過程中需要運用經驗公式對湍流的計算進行修正和補充，這極大地限制了數值計算的準確性。

為提高研究精度，此次塔區橋面風環境測試風洞試驗采用TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀。與皮托管和補償式微壓計相比，這種儀器的風速參考點置于儀器內部，風速測量誤差更小。此次測試試驗采用大尺寸模型且在西南交通大學XNJD-3風洞（寬22.5 m，高4.5 m）中完成，實驗模型的風洞阻塞度僅為2.31%，有效地減小了風洞試驗的阻塞效應，進一步提高了實驗精度。本文以某特大三塔單箱梁斜拉橋為工程背景，分別測試了施工態、成橋態、加風障成橋態3種工況的塔區橋面行車區間側向風速分布，對比分析了防撞護欄和風障對塔區橋面風環境的屏蔽效果。

1 塔區橋面風環境風洞試驗

1.1 項目概況

某跨海大橋為三塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，主跨550 m，全長1 630 m，橋面寬34 m（雙向4車道），鋼箱梁高3.5 m。該橋為鉆石型橋塔，塔高180 m。主梁標準斷面、橋塔立面如圖1所示，外側防撞護欄和內側防撞護欄構造分別如圖2、圖3所示，風障構造如圖4所示。

1.2 大尺度節段模型風洞試驗

本次實驗的目的是研究橋塔繞流對橋面風環境的影響，基于實驗測得的塔區風環境分布特征，為塔區的行車安全提供有用的建議。

某特大跨海斜拉橋橋面行車風環境試驗采用1∶30大尺度主梁—橋塔節段模型進行測試，風洞試驗現場如圖5所示。此大尺度局部剛性節段模型模擬了塔區范圍內的加勁梁和橋塔，模擬的實橋區域長為250.8 m，橋塔迎風面寬度為9 m。

將塔區測試節段放置于均勻流風場中，測量距離橋塔中心線不同位置處、沿橋面橫向行車區間不同位置處的風速。

本次實驗采用的是精度較高的測試儀器——TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀。在試驗時，保持風洞實驗室風機穩轉速情況下，通過改變TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀在橋面上的位置，測出塔區橋面各測點不同高度處的風速。

本次實驗的風速定為7.5 m/s，風偏角和風攻角均為0°，分別測試了施工態（裸梁）、成橋態（有防撞護欄無風障）、加風障成橋態（有防撞護欄有風障）3種不同工況下的風速分布。3種工況的風洞實驗如圖6～圖8所示。每種工況下測點的布置情況如圖9、圖10所示。雙向4條行車道從橋塔中心算起共設有6×8=48個測點。編號和對應的實橋坐標位置分別為：

橫橋向：

上游（車道1：Y=-7.374 m，車道2：Y=-5.499 m，車道3：Y =-3.624 m）

下游（車道4：Y = 3.624 m，車道5：Y = 5.499 m，車道6：Y = 7.374 m）

縱橋向：

S道：X=0 m???? A道：X =12.099 m

B道：X =24.198 mC道：X =36.297 m

D道：X =48.396 mE道：X =60.495 m

F道：X =96.897 mG道：X =108.996 m

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，高度坐標分別為0.96 m、1.92 m、2.88 m、3.84 m、4.8 m、5.76 m、6.72 m、7.68 m。

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風速如式（1）所示：

Ueff=1Zr∫Zr0U（Z）dz（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。

2 塔區橋面風速分布規律

在均勻來流風速為7.5 m/s、0°風攻角、0°風偏角的條件下，討論施工態（裸梁）、成橋態（有防撞護欄無風障）、加風障成橋態（有防撞護欄有風障）3種不同工況下塔區風速分布特點。

由圖11～圖13可知，在3種工況下，塔區風環境均表現出明顯的空間分布特點。如圖14所示，在縱橋方向上，塔柱對來流風速有極強的屏蔽效果，橋塔處的橋面風速極低，大約在1 m/s；而沿著遠離橋塔的方向，橋面風速會急劇上升，在距離橋塔中心線27 m（3倍橋塔寬度）附近處達到峰值，數值為來流風速的1.3倍；之后繼續沿著遠離橋塔的方向，橋面風速會緩慢降低并趨于穩定。這是因為橋塔的存在一方面使塔柱正后方出現遮風效應，風速較低；另一方面使來流繞塔柱分流，氣流互相擠壓，在靠近橋塔兩側出現風速加速區。塔柱的屏蔽效果在縱橋方向上存在一定的影響范圍。這個影響范圍主要集中在橋塔中心線兩側各45 m（5倍橋塔寬度）范圍內，在63 m（7倍橋塔寬度）位置處可以忽略橋塔對來流風速的影響。安裝防撞護欄和風障對塔柱遮風效應的影響范圍幾乎沒有影響。

如圖15～圖17所示，在橫橋方向上，橋面風速在4車道達到最大，在迎風側1車道達到最小。安裝防撞護欄和風障對橫橋向風速分布影響很大。在高度方向上，裸梁施工態的塔區風速分布與高度幾乎無關；安裝防撞護欄和風障后，靠近橋面處風速顯著降低，隨著高度上升，風速逐漸增加并趨于穩定。

3 防撞護欄、風障的屏蔽效果分析

基于施工態（裸梁）、成橋態（有防撞護欄無風障）、加風障成橋態（有防撞護欄有風障）3種情況下的橋面等效風速，計算來流風速的變化率，以比較防撞欄桿和風障對來流的屏蔽效果。

由于F點與G點超出橋塔遮風效應的影響范圍，流場相對穩定，測量精度較高，可作為屏蔽效果的評價數據點。在這里引用等效平均風速來描述橋面風速，設各車道等效平均風速如式2所示：

等效平均風速=（F點等效風速+G點等效風速）2（2）

防撞護欄、風障的降低風速效果用風速變化率來考慮。風速變化率定義為當前措施的等效平均風速減去未安裝該措施的等效平均風速之后再除以后者。負號表示對風速有抑制作用，正號表示對風速有激勵作用。

由圖14可知，防撞護欄和風障對來流風速有明顯的抑制效果。與施工態相比，防撞欄桿能將迎風側1車道等效平均風速降低62%左右，將背風側6車道處等效平均風速降低23%左右。與只安裝防撞欄桿相比，風障能將迎風側1車道等效平均風速降低36%左右，將背風側6車道處等效平均風速提升5%左右。風障雖略微提高了成橋態背風側6車道的等效平均風速，但大大降低了1車道～5車道的等效平均風速，因此風障對橋面來流風速有較好的抑制作用。相較于施工態（裸梁）斷面，安裝防撞護欄和風障情況后橋面各車道等效平均風速變化率如表1所示。由圖15～圖17可知，防撞護欄主要對迎風側1車道、2車道來流風速有較強抑制作用，風障主對迎風側1～4車道的來流風速均有較強抑制作用。風障在橫橋向的抑制范圍更廣。

由圖14可知，在縱橋方向上，設置防撞欄桿和風障不僅能夠降低橋面等效風速，同時能夠顯著降低橋面峰值風速，使橋塔兩側風速加速區的風速變化梯度減小，這將導致車輛在橋面行駛的橫向偏移量變小，避免與相鄰車道的車輛發生事故。

對比圖18、圖19可知，在防撞欄桿高度（1.5 m）以下的距離橋面0.96 m高度處，沿縱橋向全長，防撞欄桿均對來流風速有顯著的抑制效果，與無防撞欄桿0.96 m高度處平均風速相比，有防撞欄桿0.96 m高度處平均風速降低了79%。在距離橋面1.92 m高度處，雖然已經超過護欄的高度，但防撞欄桿對來流風速的抑制效果仍然很明顯。隨著高度上升，防撞欄桿的抑制效果逐漸減弱，為無防撞欄桿7.68 m高度處平均風速相比，有防撞欄桿7.68 m高度處平均風速降低了23%。安裝防撞欄桿情況下沿高度方向的平均風速變化率如表2所示。

對比圖19、圖20可知，在防撞欄桿+風障高度（1.5 m+2.365 m=3.865 m）以下的距離橋面0.96 m、1.92 m、2.88 m、3.84 m高度處，沿縱橋向全長，風障均對來流風速有明顯的抑制效果，與無風障0.96 m高度處平均風速相比，有風障0.96 m高度處平均風速降低了38%。在距離橋面4.8 m高度處，雖然已經超過風障的高度，但防撞欄桿對來流風速的抑制效果仍然很明顯。隨著高度上升，風障的抑制效果變化不大，有風障7.68 m高度處平均風速大約為無風障7.68 m高度處平均風速的37%。安裝風障情況下沿高度方向的平均風速變化率如表2所示。

綜上所述，防撞欄桿和風障對來流風速具有顯著的屏蔽效果。在橫橋向上，防撞護欄主要對迎風側1車道、2車道來流風速有較強抑制作用，風障主對迎風側1車道、2車道、3車道、4車道來流風速有較強抑制作用。在縱橋向上，施工態等效風速>成橋態等效風速>加風障成橋態等效風速；施工態風速變化梯度>成橋態風速變化梯度>加風障成橋態風速變化梯度。在高度方向上，防撞護欄在欄桿高度以下有顯著的抑制效果，防撞欄桿的抑制效果隨著高度上升逐漸減弱；在防撞護欄上安裝風障后，對來流風速的抑制效果更加明顯，且風障的抑制效果隨著高度上升變化不大。

4 結論

經過塔區橋面風環境風洞試驗，研究了塔區風速分布規律，分析了防撞護欄、風障的屏蔽效果，可得出幾點結論：

（1）塔區風環境均表現出明顯的空間分布特點。在縱橋方向上，橋塔的存在一方面使塔柱正后方出現遮風效應，風速較低；另一方面使來流繞塔柱分流，在靠近橋塔兩側出現風速加速區，在距離橋塔中心線3倍橋塔寬度處達到峰值，數值為來流風速的1.3倍。在橫橋方向上，橋面風速在4車道達到最大，在迎風側1車道達到最小。在高度方向上，針對不同橋面設施布置情況（裸梁施工態，防撞欄桿成橋態，防撞欄桿+風障成橋態），風速分布差異較大。

（2）防撞欄桿和風障對來流風速均具有顯著的屏蔽效果。與施工態相比，防撞欄桿能將迎風側1車道等效平均風速降低62%；與只安裝防撞欄桿相比，風障能將迎風側1車道等效平均風速降低36%。

（3）相較于僅安裝防撞欄桿，沿橫橋向，設置風障后來流風速的屏蔽區域明顯增大，橋面風速顯著降低區域由1～2車道擴大至1～4車道，沿橋面高度方向，風障的設置顯著提高了屏蔽來流風速的高度范圍，且對超過風障高度（3.865 m）40%處的橋面風速仍具有顯著的抑制效果。

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