■高 添

（福建省高速公路集團有限公司福州管理分公司，福州 350007）

近年來，隨著橋梁建造技術的發(fā)展，強風區(qū)域修建的橋梁越來越多，在強風區(qū)域橋梁上發(fā)生的交通事故也隨之增加[1]，這引起了學者廣泛的關注。 側風對車輛行車安全影響顯著， 可引起車輛橫向響應，使車輛發(fā)生晃動，嚴重時會引起車輛偏航，側滑甚至發(fā)生側翻[2]。 通常采用安裝風屏障的方法來降低橋面局部區(qū)域的風速，從而降低行車安全隱患[3]。安裝風屏障對行車的安全舒適性[4]是十分必要的，本文將重點研究風屏障對行車環(huán)境的影響。 目前，學者通過3 種方法研究風屏障透風率及高度對防風效果的影響，分別為現場實測、數值模擬和風洞試驗。 風洞試驗方面，徐昕宇等[5]通過風洞試驗發(fā)現，不同透風率的風屏障對列車的氣動特性有較大差異。 向活躍等[6]采用風屏障縮尺模型模擬方法進行風洞試驗，透風率相同時，風屏障開孔形狀對距風屏障較近的迎風側車輛的氣動特性有一定的影響，對背風側車輛氣動特性影響較小。 數值模擬方面，陳寧等[7]通過數值模擬對風屏障進行研究，研究表明風屏障防風效果受透風率和高度的影響顯著，隨著透風率的增大，防風效果呈逐漸減小的趨勢；風屏障的高度為2 m 時風屏障的防風效果較好，增加和降低都會降低防風效果。 蘇洋等[8]結合風洞試驗和數值模擬研究了風屏障后方的流場，不同的透風率的風屏障會導致不同的等效風速，最后通過等效風速來評價風屏障的防風效果。 李波等[9]基于風洞試驗， 采用多孔介質模型方法進行數值模擬，當風屏障的透風率為40%左右時，防風效果較好。 現場實測方面，對于公路交通風屏障的相關實測研究較少。 對于多孔風屏障而言，在風洞試驗和數值模擬均需要一定的簡化，其中最常用的方式是等效透風率法，將其結果與現場實測對比驗證。 本文以現場實測為基礎，通過等效透風率法對多孔風屏障的數值模擬的準確性進行了研究，討論車道、風攻角等因素的影響。

1 工程概況

平潭跨海大橋處于強風區(qū)域， 是公鐵兩用大橋，在公路部分，由于側風較大，自大橋通車以來發(fā)生了數起交通事故，引起了交通管理部門的關注，因此研究該公路風屏障的防風效果是十分有意義的。

橋梁的斷面圖及風屏障和護欄的結合示意圖，見圖1。本橋梁為公鐵兩用的桁架橋，其上下弦桿中心距為13.5 m，公路橋面寬為35.7 m，為雙向八車道布置。 公路橋面布置有風屏障。 風屏障于橋梁之間采用防撞護欄相結合，其中防撞護欄高1.5 m，風屏障由7 個障條構成，每個障條高250 mm，障條的透風率是32.7%，障條間距為100 mm。

圖1 主梁斷面和護欄風屏障示意圖（單位：cm）

2 研究方法

2.1 數值模擬初步分析

將數值模擬結果與現場實測數據進行對比，驗證數值模擬的準確性。 采用計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics，CFD） 數值模擬進行分析， 借助大型CFD 軟件FLUENT 進行橫向風作用下橋塔區(qū)域橋面風場影響的研究。利用FLUENT 進行CFD 計算時，首先需構建流動區(qū)域幾何形狀、設定邊界類型以及生成網格，并輸出用于FLUENT 求解器計算的格式，然后利用FLUENT 求解器選擇合適的模型及參數進行求解計算，詳細參數見2.2 節(jié)，并進一步對計算結果進行后處理。

對二維的主梁斷面模型進行CFD 數值模擬，通過等效透風率的方法來進行風屏障的模擬，對比不同工況下的豎向風剖面和橋面風環(huán)境。 在橋塔區(qū)域及其附近范圍，由于橋塔具有遮風效應，對風屏障的遮風效應的評價有所影響，因此需選取距離橋塔影響范圍外的測點進行對比，實測時在距離橋塔中心-66.5 m 的二車道布置了測點， 故選取該測點進行橫向風在豎直高度的風剖面對比。 橫向風是影響行車舒適性的主要因素，通過實測數據將來流風速折算到橫橋向可以得出，在該測點處的橫橋向的平均來流風速為13.638 m/s， 以此風速為二維數值模擬的入口風速，進行數值模擬計算。

2.2 等效透風率模擬

公路橋梁的風屏障形式是多孔風屏障，每個障條的透風率是32.7%，為了模擬風屏障的透風率，對風屏障進行簡化，本文采用等效透風率的方法模擬風屏障，即保證透風率的前提下，將風屏障簡化為多個有間隙的矩形障條，矩形障條之間的間隙來模擬透風率，這樣可大大簡化幾何模型的建立，并利于網格的劃分和數值模型計算。 為了尋找合適的透風率模擬方法，本文在風屏障障條為32.7%透風率的前提下， 將每個風屏障障條開3 個間隙、4 個間隙、5 個間隙分別進行幾何模型和數值模型的建立。下文簡稱這3 種簡化形式為三孔風屏障、四孔風屏障、五孔風屏障，見圖2。

圖2 風屏障開孔示意圖 （單位：mm）

考慮計算精度和效率，本模型的計算區(qū)域選用長800 m、寬300 m 的矩形計算域，見圖3，滿足阻塞率小于5%的要求。計算區(qū)域左邊界為來流邊界，設置為入口邊界，入口風速取14 m/s。 對于邊界條件參數的設置，入口邊界設置為velocity inlet，出口邊界設置為pressure outlet，上下邊界視攻角不同而變化。 0°攻角時均采用對稱邊界，對于+3°攻角，下邊界設置為velocity inlet，上邊界設置為pressure outlet。對于-3°攻角，上邊界設置為velocity inlet，下邊界設置為pressure outlet。 采用的湍流模型為sst-kw，計算時離散格式采用二階離散格式，采用非定常的計算方法，時間步長取為0.001 s，等待計算收斂后，對最后1 s 的數據取平均值。

圖3 數值模型計算區(qū)域示意圖

由于主要研究風屏障的防風效果，對主梁風屏障和護欄的網格精細劃分，網格較為密集，其余網格較為稀疏。 主梁區(qū)域采用非結構化網格，外部區(qū)域采用結構化網格，最后網格數量控制在50 萬內。

2.3 現場實測

采用三維超聲風速儀和螺旋槳風速儀對二車道進行風速風向現場實測。 其中測試塔架分為參考塔和測點塔。 在參考塔5 m 高度處安裝1 個三維風速儀，測試來流風速。在測點塔豎向每隔1 m 安裝1 個螺旋槳風速儀，共計5 個，同時在5 m 高度處安裝1 個三維風速儀，可得到風速的相關性。 實測現場及測點布置圖，見圖4。

圖4 實測現場及測點布置圖

2.4 數值模擬結果驗證

對行車安全影響最大的是車體橫向的風速，因此將螺旋槳風速儀的風速進行處理得到二車道測點處的側風風速U，將參考塔三維風速儀的風速進行處理得到來流風的側風風速U0。將側風風速進行歸一化處理，定義風速系數α，如式（1）。風速系數越大，則表明相對于參考點來流風速，車道處風速折減不明顯，當側風作用于車輛時，會對車輛產生較大的側向力，導致行車安全不利。

通過風速系數沿豎向的分布即可得到二車道測點的豎向風剖面。 為驗證數值模擬的準確性，將實測的二車道的豎向風剖面與數值模擬進行對比，見圖5。對比結果表示，等效透風率方法模擬風屏障有一定的準確性，可采用數值模擬研究不同車道的風場環(huán)境，其中三孔風屏障模擬的效果較好。

圖5 二車道豎向風剖面對比

3 結果分析

3.1 車道位置的影響

由于現場實測受限制，在驗證了數值模擬可行性后， 可以對橋面不同車道的側風進行研究分析。對于車輛在側風下的行駛，距離來流風越近則考慮行車形況較為不利，因此應重點研究迎風側3 個車道的風場分布，尤其是迎風側的一車道，風經過風屏障和欄桿后對一車道的行車穩(wěn)定影響較大。 進行數值模擬時， 對迎風側3 個車道進行監(jiān)測點布置。在每個車道布置豎向的監(jiān)測點，每隔0.1 m 高度布置1 個，每個車道50 個測點。 測點在橋梁的橫向位置參照現場實測，放置在車道邊緣處。 由于三孔風屏障模擬的效果較好，因此基于三孔風屏障對迎風側3 個車道的豎向風剖面進行數值模擬，剖面對比見圖6。 根據圖中的結果可知，對比不同車道，一車道在低高度處相比二、 三車道有更大的風速系數，一車道的行車最為不利。 對比不同高度，在1 m高度左右風速系數較大，但在2～4 m 高度的風速系數會有明顯的減小，這說明風屏障的防風效果不錯。

圖6 迎風側3 個車道豎向風剖面對比

3.2 風攻角的影響

風攻角是風來流方向與橋梁橫斷面或者與建筑物正面垂線所夾角度， 使升力增大的轉角為正，反之為負。 上述研究均在0°攻角的情況下進行的，為研究不同的攻角對橋面風場的影響， 對風分別在+3°和-3° 2 種攻角下進行數值模擬，對比+3°、0°、-3° 3 種攻角下3 個車道的豎向風剖面變化。 每個車道不同攻角下的豎向風剖面對比情況見圖7。 可以看出，每個車道豎向高度與風速系數呈現不規(guī)則曲線變化，風速系數與風速是成正比關系，迎風側1 m 高度仍有較大的橫向風速系數， 且發(fā)現在距離橋面豎向高度較低時，風速大小隨高度變化十分明顯， 大多數小轎車及SUV 的高度基本為1.6 m 左右，橫風對小型車的影響較大；大中型車輛高度一般在2～4 m，在最靠近迎風側一車道影響較大，但與小型車輛相比較總體影響較小。 當攻角為-3°時，風速系數會進一步增加， 這對行車安全極為不利；當攻角為+3°時，相對0°攻角而言，風速系數會一定程度減小，對行車安全是有利的。

圖7 3 個車道不同攻角下豎向風剖面對比

4 結論

在對比現場實測的基礎上，對平潭公鐵跨海大橋大跨度公路橋面多孔風屏障進行了數值模擬研究，驗證了等效透風率法的準確性，討論了車道和風攻角等因素的影響，得出如下結論：（1）將多孔風屏障簡化為有一定間隙的矩形障條時，在一定孔隙條件下可較好地與現場實測結果吻合；（2）設置風屏障后，迎風側車道仍為最不利車道。 在豎向高度為1 m 左右時，風速系數最大，對高度較低的車輛抗風安全不利；（3）最不利風攻角為-3°，風速系數在豎向不同高度有一定程度增加，行車較為不利。