基于大尺度模型试验的塔区桥面行车风环境评估

2022-11-09卢晓伟江舜尧赵文斌

四川建筑 2022年5期

卢晓伟，江舜尧，赵文斌，王涛

(1. 西南交通大学桥梁工程系，四川成都 610031； 2.风工程四川省重点实验室，四川成都 610031)

跨海大桥常处于非常不利的风环境中，桥面高度高，常遇风速比地面大，桥塔绕流对车辆动力特性的影响不容忽视，桥面行车受到侧风的作用，这些都严重影响行车的舒适性和安全性[1-5]。风致行车安全事故研究近年来得到了国内外桥梁运营管理部门以及专家学者的高度重视，主要是由于大风所致行车安全事故在造成车辆毁坏和交通中断的同时，还会产生人员伤亡以及直接和间接经济损失，造成恶劣的社会影响[6-11]。目前关于强风作用下桥塔遮风效应对行车舒适性与安全性影响的研究较少，Charuvist等[12-13]利用不同车型、不同风速、不同风向与不同桥塔形式的缩尺模型风洞试验，研究了强风作用下车辆通过桥塔区域时的空气动力学特性。Argentini等[14]进行了车辆模型过桥试验，在实验过程中，对车辆模型进行测力，同时测试车辆表面的压力变化情况，研究了不同类型的汽车经过桥塔区域时，车辆的气动力参数变化规律。其研究结果表明：汽车经过桥塔区域时，横风作用下，桥塔的绕流会使汽车的气动力参数产生较为复杂的影响。Kwon等[15]通过软件CarSim和TruckSim计算侧风车辆的横向偏差，然后根据预定义的车辆事故指数评估车祸的临界风速，并通过风洞测试确定了将来流风速降低50%所需的最小风障高度。Kozmar等[16]通过风洞试验研究了高架桥上风栅的防护效率及风入射角对风障后流场特性的影响，试验中利用粒子图像测速(PIV)技术确定平均速度场和涡度场，并用皮托管测量标定风场，试验表明改变垂直入射角会引起靠近桥后缘的车道上存在风力不稳定的情况，改变水平入射角不会显著影响流场特性。艾辉林[17]、陈艾荣等[18]以杭州湾跨海大桥为工程背景利用数值风洞技术分析了桥塔区桥面的风环境分布特点得出了桥塔对桥面风环境的影响明显，桥塔造成了其附近区域风速的急剧减小及风速脉动增大的数值解。澣子龙等[19]、李永乐等[20-21]采用计算流体力学CFD的方法研究了防撞护栏对车辆气动力系数和轨道上方风场的影响，计算表明桥面增设防撞护栏后对车辆行车安全是有利的，并采用计算流体力学数值模拟方法对大跨度悬索桥桥塔区域桥面风环境进行了仿真分析。庞加斌等[22]结合桥位风速观测资料和桥梁结构对桥面风速的影响，建立等效风速概率模型，提出概率评估方法对侧风下行车安全性进行分析。于群力等[23]采用数值模拟研究了桥塔附近区域及桥面风环境的流场分布。曾加冬[24]以嘉绍大桥塔区行车风环境为研究背景并通过风洞试验对桥塔区域及桥面行车区间内的风场分布进行了分析研究，陈晓东[25]采用电子压力扫描阀和测压耙通过西堠门大桥塔区模型风洞试验对塔区风环境以及塔区行车安全进行分析，两者均通过风洞试验得出桥塔对其附近区域桥面风环境存在很大影响的结论。

由于风洞试验方法试验周期长、费用高，且需要复杂昂贵的测试设备等问题，目前对于桥面风场的研究多采用CFD进行数值计算[26-29]，但对于湍流的计算需要依靠经验公式来修正和补充，桥塔对于来流风场的干扰以及桥面风场风洞试验的实验数据缺乏极大地限制了数值计算的准确性。少数特大桥如嘉绍大桥、西堠门大桥进行了风洞试验，以往的风洞试验均采用皮托管和补偿式微压计标定桥面风场，此类仪器在有遮挡处的风速测量存在误差较大的问题。

郑史雄等[30]以沪通长江大桥主航道桥为工程背景，采用CFD数值模拟计算分析桥塔区域流场分布，并通过大节段缩尺模型风洞试验，研究了特大双塔桁架斜拉桥在不同风偏角下，列车沿不同位置轨道进出桥塔影响区域过程中的气动参数(试验模拟车辆的阻力系数、升力系数、力矩系数)变化。

基于以上认识，此次风洞试验采用TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪，由于TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪的风速参考点置于仪器内部，对于桥塔后方的风速测量精度相对于皮托管和补偿式微压计要高。此次行车风环境测试试验在西南交通大学XNJD-3风洞(宽22.5m，高4.5m)中完成，实验模型的风洞阻塞度仅为2.31%，有效的减小了风洞试验的阻塞效应。本文以舟岱通道大桥为背景，专门针对特大三塔单箱梁斜拉桥在多种风攻角下施工态及成桥态的塔区桥面风环境进行研究。

1 塔区桥面风环境风洞试验

本次试验的目的是通过此类型风洞试验，考察桥塔对其区域内桥面风环境的影响，在获得风速分布特性的基础上，为塔区的行车安全方案提供相应的建议。舟岱通道大桥桥面行车风环境试验通过1∶30大尺度主梁—桥塔节段模型来进行测试，风洞中大尺度节段模型如图1所示。

图1 风洞试验现场

试验采用的加劲梁和桥塔大比例局部刚性模型模拟实桥区域长250.8m，桥塔宽度为9m，模型模拟了该范围内的加劲梁和桥塔，用于测量桥塔附近的桥面风环境，并模拟了该范围内的栏杆等附属构件。详见图2、图3。

图3 边缘防撞栏杆构造(单位:cm)

针对塔区梁段，在均匀流场下，分别考察距离桥塔中心线不同位置，沿桥面横向行车区间不同位置处风速。本次实验分别测试了在有防撞栏杆。无防撞栏杆2种不同情况，风速为8m/s，风偏角为0°，风攻角依次为+3°，+5°，0°，-3°，-5°下的桥面风场。

桥面风环境试验的测量仪器采用TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪，在试验中保持风洞实验室风机稳转速情况下，通过挪动TFI眼镜蛇三维脉动风速测量仪在桥面上的位置，测出塔区桥面各测点不同高度处的风速。测点的平面布置如图4所示。双向4条行车道从桥塔中心算起共设有6×8=48个测点。编号和对应的实桥坐标位置分别为：

图4 测点布置

横桥向：

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

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

纵桥向：

S道：X=0mA道：X =12.099m

B道：X =24.198mC道：X =36.297m

D道：X =48.396mE道：X =60.495m

F道：X =96.897mG道：X =108.996m

在每个测点上测量风速剖面，共设8个点，高度范围从0.96～7.68m，高度坐标分别为：0.96m，1.92m，2.88m，3.84m，4.8m，5.76m，6.72m，7.68m。

试验中每个工况中各点位的测试数据均为15 360个，为便于比较，根据侧向气动力等效原则定义等效桥面平均风速见式(1)：

(1)

式中：Zr表示汽车所处的高度范围，取Zr=3.5m；Ucff为等效桥面风速；U(Z)表示桥面不同高度处的侧向来流风速。

2 不同风攻角下塔区风速分布

在均匀来流风速为8m/s、0°风偏角下，讨论不同风攻角下塔区风速分布的变化，以及防撞栏杆对塔区风速分布的影响，其中防撞栏杆高度为1.5m。

如图5所示，位于防撞栏杆高度(1.5m)以下，距离桥面0.96m高度处，在各车道并且沿纵桥向全长防撞栏杆均对来流风速有明显的抑制效果。如图6所示，在距离桥面1.92m高处，虽然已经超过栏杆的高度，但防撞栏杆对来流风速的抑制效果并没有完全消失，仍然对来流风速存在一定的抑制效果。如图7所示，2个曲面几乎完全重合，说明在距离桥面3.84m高度处，已经完全超过了防撞栏杆的抑制范围，此时防撞栏杆对来流风速完全没有抑制效果。如图8、图9所示，在距离桥面3.5m以下，沿纵桥向防撞栏杆对来流风速始终有明显的抑制效果。

图5 0°风攻角下距桥面0.96 m高度处风速分布

图6 0°攻角下距桥面1.92 m高处风速分布

图7 0°攻角下距桥面3.84 m高处风速分布

图8 1车道风速剖面(有防撞栏杆)

图9 1车道风速剖面(无防撞栏杆)

如图10所示，对于来流风速为8m/s的均匀流，在迎风侧1车道防撞栏杆能将来流风速降低16%左右。在背风侧6车道防撞栏杆能将来流风速降低20%左右，背风侧处等效风速相对于迎风侧略有降低，但效果不明显。

由图11可知，在+3°风攻角下，在迎风侧1车道防撞栏杆能将来流风速降低20%左右，但在背风侧6车道处防撞栏杆能将来流风速降低50%左右，背风侧处等效风速相对于迎风侧有明显降低。

图10 0°风攻角1道与6道各测点等效风速

图11 +3°风攻角1道与6道各测点等效风速

由图12可知，在+5°风攻角下，在迎风侧1车道防撞栏杆能将来流风速降低20%左右，但在背风侧6车道处防撞栏杆能将来流风速降低60%左右，背风侧处等效风速相对于迎风侧有明显降低。

图12 +5°风攻角1道与6道各测点等效风速

由图11与图12可知，正风攻角下，主梁本身对于来流风速有一定的屏蔽效果，但这种屏蔽效果在施工态即没有安装防撞栏杆时效果不明显，这种屏蔽效果主要体现在安装了防撞栏杆下背风侧车道，并且随着风攻角的增大，防撞栏杆对来流风速的屏蔽效果越好。

由图13可知，在-3°风攻角下，在迎风侧1车道防撞栏杆能将来流风速降低10%左右，背风侧6车道处等效风速相对于迎风侧1车道几乎相等。

图13 -3°风攻角1道与6道各测点等效风速

由图14可知，在-5°风攻角下，在迎风侧1车道防撞栏杆对来流风速没有屏蔽作用，背风侧6车道处等效风速低于来流风速8m/s，相比于迎风侧略有降低。由图13～图16可知，在负风攻角下防撞栏杆对于来流风速的屏蔽效果很弱。

图14 -5°风攻角1道与6道各测点等效风速

由图10～图14可知，桥塔塔身对风速有极强的屏蔽作用，桥塔后的风速极低在1m/s左右，并且桥塔边缘对来流有一定的放大作用。以桥塔为中心沿着纵桥向，桥面风速急剧上升在距离桥塔中心30m(3.3倍桥塔宽度)附近处达到峰值为来流风速的1.3倍，之后逐渐降低最后趋于平稳不变的分布规律。桥塔对桥面风速的影响存在一定的范围，这个影响范围主要集中在桥塔中心线两侧各40m(4.4倍桥塔宽度)范围内，在60m(6.6倍桥塔宽度)位置处可以忽略这样的影响。安装防撞栏杆与否和风攻角的变化对这个影响范围几乎没有影响。

施工态下，在迎风侧车道，风攻角的改变对于塔区风速变化几乎没有影响。在背风侧车道，风攻角的影响主要体现在，正风攻角下桥塔附近风速达到最大值的位置相对于负风攻角和0°风攻角工况下由距离桥塔中心20m左右变化到距离桥塔中心40m左右处，使得塔区附近的风速变化呈现一个较缓的趋势。

通过对比不同攻角与是否安装防撞栏杆下桥面等效风速，通过计算对来流风速的变化率，比较不同情况下防撞栏杆对来流的屏蔽效果。

由于F点与G点已远离桥塔对风场影响范围，在这里引用等效平均风速来描述桥面风速，设1、6车道等效平均风速如式(2)所示：

(2)

各种措施下的降低风速效果用风速变化率来考虑。风速变化率定义为当前工况的等效平均风速减去同样攻角无防撞栏杆工况的等效平均风速之后再除以后者。负值代表了风速绝对值的降低，而正值则代表了风速绝对值得增大(表1)。

表1 等效平均风速变化率

由表1可知防撞栏杆对于来流风速的屏蔽效果在背风侧屏蔽相较于迎风侧有所提高，尤其正风攻角与0°风攻角下，背风侧屏蔽效果提高幅度很大，并且在+5°风攻角范围内，随着正风攻角的增大，提高的幅度越大，屏蔽效果越好。

当风攻角为负时，防撞栏杆对来流风速的屏蔽效果明显降低，几乎没有屏蔽效果。

3 风速分布特性及其对行车安全的影响

车辆在桥面行驶过程中容易受侧风的影响，从而发生侧倾、侧滑和侧偏量过大等安全问题。尤其在大跨度桥梁上行驶的车辆，由于桥面高程、结构、扰流加速等因素，当车辆通过塔区时，要承受两次风荷载的剧烈增减变化，使得风对车辆安全行驶的影响问题变得突出，见图15及式(3)。

图15 二自由度车辆力学模型

(3)

其中：

式中：k1，k2分别为前后轮胎的侧偏刚度；vcar为车辆侧向速度；ucar为车辆行进速度；a为牵引车质心至前轮距离；b为质心至后轮距离；wr为横摆角速度；Mw为侧风力矩；Fw为迎风阻力；ρ为空气密度；CRM为车辆侧倾力矩系数；CFs为车辆侧向力系数。

使用SAE路面车辆空气动力学委员会发布的J1594标准[31]，在桥塔区域车辆的限制车速主要由侧偏限制车速来决定，在超过了桥塔对桥面风速的影响范围后限制车速主要由侧倾与侧滑限制车速来决定，并且空载大型货车处于最不利状态。

对于侧偏问题，是当车辆通过风速变化较大的区域时，在驾驶员未改变方向盘的情况下车辆由于累积横向偏移量过大，从而偏离方向，与相邻其他车道车辆发生事故的现象。如图15所示，将大型货车建立二自由度的力学模型[25]，风力变化过大对车辆主要影响体现在图中横摆角速度wr会增大，当wr超出驾驶员的修正范围，车辆将会偏离自身车道与相邻车道车辆发生碰撞引起交通安全事故。

在以前的分析中我们以侧向角速度值不大于3°作为侧偏的标准，侧向角速度通过式(3)进行计算，式中θ的初值为0，结合风洞试验所测得塔区桥面风速，进行数值分析可得到侧向角速度值。

另外有一个直观的安全性评判准则就是车辆的侧偏位移量。根据Baker[32-34]的文献讲述中，当侧风风速小于15m/s时，驾驶控制频率取为1Hz，当侧风风速大于15m/s时，因高风速本身就会提醒驾驶者注意减速行驶和注意侧风的影响，因此取驾驶控制频率为2Hz。因为所计算的侧风风速的范围跨越了15m/s，为简化起见，计算时统一取为2Hz，即0.5s。即最后取车辆通过桥塔区域时0.5s内产生的最大侧向位移量要小于0.5m作为车辆侧偏安全分析的依据。在考虑车辆通过塔区时的限制车速时要结合2个标准综合考虑并取最小安全车速作为限制车速。

以下分析以空载大型货车在干燥路面上通过迎风侧1车道为例进行计算，计算结果见图16。如图16所示，安装防撞栏杆与否对于车辆的限制车速影响并不大，在成桥态安装了防撞栏杆的情况下，8～10m/s均匀来流风速即5级风下，在桥塔附近限制车速在80km/h左右。而在12～14m/s均匀来流风速即7级级风下，在桥塔附近限制车速在50km/h以下。而在距离桥塔50m之后，在14m/s均匀来流风速下限制车速均能超过120km/h能达到正常通车要求。综上所述，需要在塔区安装风障等构件用以屏蔽来流风速，否则塔区部分不能达到正常的通车要求。