盧曉偉， 江舜堯， 趙文斌， 王 濤

(1. 西南交通大學橋梁工程系， 四川成都 610031； 2.風工程四川省重點實驗室， 四川成都 610031)

跨海大橋常處于非常不利的風環(huán)境中，橋面高度高，常遇風速比地面大，橋塔繞流對車輛動力特性的影響不容忽視，橋面行車受到側(cè)風的作用，這些都嚴重影響行車的舒適性和安全性[1-5]。風致行車安全事故研究近年來得到了國內(nèi)外橋梁運營管理部門以及專家學者的高度重視，主要是由于大風所致行車安全事故在造成車輛毀壞和交通中斷的同時，還會產(chǎn)生人員傷亡以及直接和間接經(jīng)濟損失，造成惡劣的社會影響[6-11]。目前關于強風作用下橋塔遮風效應對行車舒適性與安全性影響的研究較少，Charuvist等[12-13]利用不同車型、不同風速、不同風向與不同橋塔形式的縮尺模型風洞試驗，研究了強風作用下車輛通過橋塔區(qū)域時的空氣動力學特性。Argentini等[14]進行了車輛模型過橋試驗，在實驗過程中，對車輛模型進行測力，同時測試車輛表面的壓力變化情況，研究了不同類型的汽車經(jīng)過橋塔區(qū)域時，車輛的氣動力參數(shù)變化規(guī)律。其研究結(jié)果表明：汽車經(jīng)過橋塔區(qū)域時，橫風作用下，橋塔的繞流會使汽車的氣動力參數(shù)產(chǎn)生較為復雜的影響。Kwon等[15]通過軟件CarSim和TruckSim計算側(cè)風車輛的橫向偏差，然后根據(jù)預定義的車輛事故指數(shù)評估車禍的臨界風速，并通過風洞測試確定了將來流風速降低50%所需的最小風障高度。Kozmar等[16]通過風洞試驗研究了高架橋上風柵的防護效率及風入射角對風障后流場特性的影響，試驗中利用粒子圖像測速(PIV)技術確定平均速度場和渦度場，并用皮托管測量標定風場，試驗表明改變垂直入射角會引起靠近橋后緣的車道上存在風力不穩(wěn)定的情況，改變水平入射角不會顯著影響流場特性。艾輝林[17]、陳艾榮等[18]以杭州灣跨海大橋為工程背景利用數(shù)值風洞技術分析了橋塔區(qū)橋面的風環(huán)境分布特點得出了橋塔對橋面風環(huán)境的影響明顯，橋塔造成了其附近區(qū)域風速的急劇減小及風速脈動增大的數(shù)值解。澣子龍等[19]、李永樂等[20-21]采用計算流體力學CFD的方法研究了防撞護欄對車輛氣動力系數(shù)和軌道上方風場的影響，計算表明橋面增設防撞護欄后對車輛行車安全是有利的，并采用計算流體力學數(shù)值模擬方法對大跨度懸索橋橋塔區(qū)域橋面風環(huán)境進行了仿真分析。龐加斌等[22]結(jié)合橋位風速觀測資料和橋梁結(jié)構(gòu)對橋面風速的影響，建立等效風速概率模型，提出概率評估方法對側(cè)風下行車安全性進行分析。于群力等[23]采用數(shù)值模擬研究了橋塔附近區(qū)域及橋面風環(huán)境的流場分布。曾加冬[24]以嘉紹大橋塔區(qū)行車風環(huán)境為研究背景并通過風洞試驗對橋塔區(qū)域及橋面行車區(qū)間內(nèi)的風場分布進行了分析研究，陳曉東[25]采用電子壓力掃描閥和測壓耙通過西堠門大橋塔區(qū)模型風洞試驗對塔區(qū)風環(huán)境以及塔區(qū)行車安全進行分析，兩者均通過風洞試驗得出橋塔對其附近區(qū)域橋面風環(huán)境存在很大影響的結(jié)論。

由于風洞試驗方法試驗周期長、費用高，且需要復雜昂貴的測試設備等問題，目前對于橋面風場的研究多采用CFD進行數(shù)值計算[26-29]，但對于湍流的計算需要依靠經(jīng)驗公式來修正和補充，橋塔對于來流風場的干擾以及橋面風場風洞試驗的實驗數(shù)據(jù)缺乏極大地限制了數(shù)值計算的準確性。少數(shù)特大橋如嘉紹大橋、西堠門大橋進行了風洞試驗，以往的風洞試驗均采用皮托管和補償式微壓計標定橋面風場，此類儀器在有遮擋處的風速測量存在誤差較大的問題。

鄭史雄等[30]以滬通長江大橋主航道橋為工程背景，采用CFD數(shù)值模擬計算分析橋塔區(qū)域流場分布，并通過大節(jié)段縮尺模型風洞試驗，研究了特大雙塔桁架斜拉橋在不同風偏角下，列車沿不同位置軌道進出橋塔影響區(qū)域過程中的氣動參數(shù)(試驗模擬車輛的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、力矩系數(shù))變化。

基于以上認識，此次風洞試驗采用TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀，由于TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀的風速參考點置于儀器內(nèi)部，對于橋塔后方的風速測量精度相對于皮托管和補償式微壓計要高。此次行車風環(huán)境測試試驗在西南交通大學XNJD-3風洞(寬22.5m，高4.5m)中完成，實驗模型的風洞阻塞度僅為2.31%，有效的減小了風洞試驗的阻塞效應。本文以舟岱通道大橋為背景，專門針對特大三塔單箱梁斜拉橋在多種風攻角下施工態(tài)及成橋態(tài)的塔區(qū)橋面風環(huán)境進行研究。

1 塔區(qū)橋面風環(huán)境風洞試驗

本次試驗的目的是通過此類型風洞試驗，考察橋塔對其區(qū)域內(nèi)橋面風環(huán)境的影響，在獲得風速分布特性的基礎上，為塔區(qū)的行車安全方案提供相應的建議。舟岱通道大橋橋面行車風環(huán)境試驗通過1∶30大尺度主梁—橋塔節(jié)段模型來進行測試，風洞中大尺度節(jié)段模型如圖1所示。

圖1 風洞試驗現(xiàn)場

試驗采用的加勁梁和橋塔大比例局部剛性模型模擬實橋區(qū)域長250.8m，橋塔寬度為9m，模型模擬了該范圍內(nèi)的加勁梁和橋塔，用于測量橋塔附近的橋面風環(huán)境，并模擬了該范圍內(nèi)的欄桿等附屬構(gòu)件。詳見圖2、圖3。

圖3 邊緣防撞欄桿構(gòu)造(單位:cm)

針對塔區(qū)梁段，在均勻流場下，分別考察距離橋塔中心線不同位置，沿橋面橫向行車區(qū)間不同位置處風速。本次實驗分別測試了在有防撞欄桿。無防撞欄桿2種不同情況，風速為8m/s，風偏角為0°，風攻角依次為+3°，+5°，0°，-3°，-5°下的橋面風場。

橋面風環(huán)境試驗的測量儀器采用TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀，在試驗中保持風洞實驗室風機穩(wěn)轉(zhuǎn)速情況下，通過挪動TFI眼鏡蛇三維脈動風速測量儀在橋面上的位置，測出塔區(qū)橋面各測點不同高度處的風速。測點的平面布置如圖4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：

圖4 測點布置

橫橋向：

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

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

縱橋向：

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

在每個測點上測量風速剖面，共設8個點，高度范圍從0.96～7.68m，高度坐標分別為：0.96m，1.92m，2.88m，3.84m，4.8m，5.76m，6.72m，7.68m。

試驗中每個工況中各點位的測試數(shù)據(jù)均為15 360個，為便于比較，根據(jù)側(cè)向氣動力等效原則定義等效橋面平均風速見式(1)：

(1)

式中：Zr表示汽車所處的高度范圍，取Zr=3.5m；Ucff為等效橋面風速；U(Z)表示橋面不同高度處的側(cè)向來流風速。

2 不同風攻角下塔區(qū)風速分布

在均勻來流風速為8m/s、0°風偏角下，討論不同風攻角下塔區(qū)風速分布的變化，以及防撞欄桿對塔區(qū)風速分布的影響，其中防撞欄桿高度為1.5m。

如圖5所示，位于防撞欄桿高度(1.5m)以下，距離橋面0.96m高度處，在各車道并且沿縱橋向全長防撞欄桿均對來流風速有明顯的抑制效果。如圖6所示，在距離橋面1.92m高處，雖然已經(jīng)超過欄桿的高度，但防撞欄桿對來流風速的抑制效果并沒有完全消失，仍然對來流風速存在一定的抑制效果。如圖7所示，2個曲面幾乎完全重合，說明在距離橋面3.84m高度處，已經(jīng)完全超過了防撞欄桿的抑制范圍，此時防撞欄桿對來流風速完全沒有抑制效果。如圖8、圖9所示，在距離橋面3.5m以下，沿縱橋向防撞欄桿對來流風速始終有明顯的抑制效果。

圖5 0°風攻角下距橋面0.96 m高度處風速分布

圖6 0°攻角下距橋面1.92 m高處風速分布

圖7 0°攻角下距橋面3.84 m高處風速分布

圖8 1車道風速剖面(有防撞欄桿)

圖9 1車道風速剖面(無防撞欄桿)

如圖10所示，對于來流風速為8m/s的均勻流，在迎風側(cè)1車道防撞欄桿能將來流風速降低16%左右。在背風側(cè)6車道防撞欄桿能將來流風速降低20%左右，背風側(cè)處等效風速相對于迎風側(cè)略有降低，但效果不明顯。

由圖11可知，在+3°風攻角下，在迎風側(cè)1車道防撞欄桿能將來流風速降低20%左右，但在背風側(cè)6車道處防撞欄桿能將來流風速降低50%左右，背風側(cè)處等效風速相對于迎風側(cè)有明顯降低。

圖10 0°風攻角1道與6道各測點等效風速

圖11 +3°風攻角1道與6道各測點等效風速

由圖12可知，在+5°風攻角下，在迎風側(cè)1車道防撞欄桿能將來流風速降低20%左右，但在背風側(cè)6車道處防撞欄桿能將來流風速降低60%左右，背風側(cè)處等效風速相對于迎風側(cè)有明顯降低。

圖12 +5°風攻角1道與6道各測點等效風速

由圖11與圖12可知，正風攻角下，主梁本身對于來流風速有一定的屏蔽效果，但這種屏蔽效果在施工態(tài)即沒有安裝防撞欄桿時效果不明顯，這種屏蔽效果主要體現(xiàn)在安裝了防撞欄桿下背風側(cè)車道，并且隨著風攻角的增大，防撞欄桿對來流風速的屏蔽效果越好。

由圖13可知，在-3°風攻角下，在迎風側(cè)1車道防撞欄桿能將來流風速降低10%左右，背風側(cè)6車道處等效風速相對于迎風側(cè)1車道幾乎相等。

圖13 -3°風攻角1道與6道各測點等效風速

由圖14可知，在-5°風攻角下，在迎風側(cè)1車道防撞欄桿對來流風速沒有屏蔽作用，背風側(cè)6車道處等效風速低于來流風速8m/s，相比于迎風側(cè)略有降低。由圖13～圖16可知，在負風攻角下防撞欄桿對于來流風速的屏蔽效果很弱。

圖14 -5°風攻角1道與6道各測點等效風速

由圖10～圖14可知，橋塔塔身對風速有極強的屏蔽作用，橋塔后的風速極低在1m/s左右，并且橋塔邊緣對來流有一定的放大作用。以橋塔為中心沿著縱橋向，橋面風速急劇上升在距離橋塔中心30m(3.3倍橋塔寬度)附近處達到峰值為來流風速的1.3倍，之后逐漸降低最后趨于平穩(wěn)不變的分布規(guī)律。橋塔對橋面風速的影響存在一定的范圍，這個影響范圍主要集中在橋塔中心線兩側(cè)各40m(4.4倍橋塔寬度)范圍內(nèi)，在60m(6.6倍橋塔寬度)位置處可以忽略這樣的影響。安裝防撞欄桿與否和風攻角的變化對這個影響范圍幾乎沒有影響。

施工態(tài)下，在迎風側(cè)車道，風攻角的改變對于塔區(qū)風速變化幾乎沒有影響。在背風側(cè)車道，風攻角的影響主要體現(xiàn)在，正風攻角下橋塔附近風速達到最大值的位置相對于負風攻角和0°風攻角工況下由距離橋塔中心20m左右變化到距離橋塔中心40m左右處，使得塔區(qū)附近的風速變化呈現(xiàn)一個較緩的趨勢。

通過對比不同攻角與是否安裝防撞欄桿下橋面等效風速，通過計算對來流風速的變化率，比較不同情況下防撞欄桿對來流的屏蔽效果。

由于F點與G點已遠離橋塔對風場影響范圍，在這里引用等效平均風速來描述橋面風速，設1、6車道等效平均風速如式(2)所示：

(2)

各種措施下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工況的等效平均風速減去同樣攻角無防撞欄桿工況的等效平均風速之后再除以后者。負值代表了風速絕對值的降低，而正值則代表了風速絕對值得增大(表1)。

表1 等效平均風速變化率

由表1可知防撞欄桿對于來流風速的屏蔽效果在背風側(cè)屏蔽相較于迎風側(cè)有所提高，尤其正風攻角與0°風攻角下，背風側(cè)屏蔽效果提高幅度很大，并且在+5°風攻角范圍內(nèi)，隨著正風攻角的增大，提高的幅度越大，屏蔽效果越好。

當風攻角為負時，防撞欄桿對來流風速的屏蔽效果明顯降低，幾乎沒有屏蔽效果。

3 風速分布特性及其對行車安全的影響

車輛在橋面行駛過程中容易受側(cè)風的影響，從而發(fā)生側(cè)傾、側(cè)滑和側(cè)偏量過大等安全問題。尤其在大跨度橋梁上行駛的車輛，由于橋面高程、結(jié)構(gòu)、擾流加速等因素，當車輛通過塔區(qū)時，要承受兩次風荷載的劇烈增減變化，使得風對車輛安全行駛的影響問題變得突出，見圖15及式(3)。

圖15 二自由度車輛力學模型

(3)

其中：

式中：k1，k2分別為前后輪胎的側(cè)偏剛度；vcar為車輛側(cè)向速度；ucar為車輛行進速度；a為牽引車質(zhì)心至前輪距離；b為質(zhì)心至后輪距離；wr為橫擺角速度；Mw為側(cè)風力矩；Fw為迎風阻力；ρ為空氣密度；CRM為車輛側(cè)傾力矩系數(shù)；CFs為車輛側(cè)向力系數(shù)。

使用SAE路面車輛空氣動力學委員會發(fā)布的J1594標準[31]，在橋塔區(qū)域車輛的限制車速主要由側(cè)偏限制車速來決定，在超過了橋塔對橋面風速的影響范圍后限制車速主要由側(cè)傾與側(cè)滑限制車速來決定，并且空載大型貨車處于最不利狀態(tài)。

對于側(cè)偏問題，是當車輛通過風速變化較大的區(qū)域時，在駕駛員未改變方向盤的情況下車輛由于累積橫向偏移量過大，從而偏離方向，與相鄰其他車道車輛發(fā)生事故的現(xiàn)象。如圖15所示，將大型貨車建立二自由度的力學模型[25]，風力變化過大對車輛主要影響體現(xiàn)在圖中橫擺角速度wr會增大，當wr超出駕駛員的修正范圍，車輛將會偏離自身車道與相鄰車道車輛發(fā)生碰撞引起交通安全事故。

在以前的分析中我們以側(cè)向角速度值不大于3°作為側(cè)偏的標準，側(cè)向角速度通過式(3)進行計算，式中θ的初值為0，結(jié)合風洞試驗所測得塔區(qū)橋面風速，進行數(shù)值分析可得到側(cè)向角速度值。

另外有一個直觀的安全性評判準則就是車輛的側(cè)偏位移量。根據(jù)Baker[32-34]的文獻講述中，當側(cè)風風速小于15m/s時，駕駛控制頻率取為1Hz，當側(cè)風風速大于15m/s時，因高風速本身就會提醒駕駛者注意減速行駛和注意側(cè)風的影響，因此取駕駛控制頻率為2Hz。因為所計算的側(cè)風風速的范圍跨越了15m/s，為簡化起見，計算時統(tǒng)一取為2Hz，即0.5s。即最后取車輛通過橋塔區(qū)域時0.5s內(nèi)產(chǎn)生的最大側(cè)向位移量要小于0.5m作為車輛側(cè)偏安全分析的依據(jù)。在考慮車輛通過塔區(qū)時的限制車速時要結(jié)合2個標準綜合考慮并取最小安全車速作為限制車速。

以下分析以空載大型貨車在干燥路面上通過迎風側(cè)1車道為例進行計算，計算結(jié)果見圖16。如圖16所示，安裝防撞欄桿與否對于車輛的限制車速影響并不大，在成橋態(tài)安裝了防撞欄桿的情況下，8～10m/s均勻來流風速即5級風下，在橋塔附近限制車速在80km/h左右。而在12～14m/s均勻來流風速即7級級風下，在橋塔附近限制車速在50km/h以下。而在距離橋塔50m之后，在14m/s均勻來流風速下限制車速均能超過120km/h能達到正常通車要求。綜上所述，需要在塔區(qū)安裝風障等構(gòu)件用以屏蔽來流風速，否則塔區(qū)部分不能達到正常的通車要求。

圖16 沿縱橋向限制車速變化

4 結(jié)論

綜上，可得出結(jié)論：

(1) 橋塔邊緣對來流有較強的放大作用，而橋塔塔身對風速具有近乎完全的屏蔽作用，這樣的風速突變將引起塔區(qū)車輛行駛的不安全性。計算表明，當塔區(qū)不安裝風障等用以屏蔽來流風速的構(gòu)件時，塔區(qū)橋面不能達到正常的通車要求。

(2) 在0°與正角度風攻角上，防撞欄桿對來流風速在迎風側(cè)車道具有一定的屏蔽效果(能在迎風側(cè)將來流風速降低10%以上)，但當風攻角為負時，防撞欄桿幾乎沒有屏蔽效果。