詹鎧臻， 林曉波， 楊亞林， 練江峰， 侯海濤， 劉功毫， 胡磊， 林立

(1. 廈門市公路事業(yè)發(fā)展中心， 福建 廈門 361000； 2. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 3. 廈門理工學(xué)院風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程福建省重點實驗室， 福建 廈門 361024； 4. 廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司， 福建 廈門 361000)

0 引言

21世紀(jì)世界橋梁工程的發(fā)展進入了跨海連島時代[1]， 許多長大跨海橋梁得以興建. 由于受到海洋氣候影響， 橋面經(jīng)常出現(xiàn)高速橫風(fēng)， 在大風(fēng)天氣， 橋梁的橋面?zhèn)蕊L(fēng)會使車輛偏移其正常行駛軌跡甚至導(dǎo)致車輛側(cè)翻， 對橋面行車安全造成嚴重的影響[2-5]. 為減少橋上橫風(fēng)對車輛的影響， 保證橋上行車安全， 目前， 國內(nèi)外大跨度橋梁如港珠澳大橋、 青馬大橋、 杭州灣跨海大橋、 泉州灣跨海大橋、 寧波象山港大橋、 法國米約高架橋、 英國賽文二橋等均在橋面安裝風(fēng)障[6]. 橋梁擋風(fēng)障阻風(fēng)效率主要受高度與孔隙率等結(jié)構(gòu)參數(shù)影響[7-8]， 參數(shù)設(shè)置的合理與否， 不僅影響橋上行車的安全性和舒適性， 同時影響橋梁建設(shè)的投資成本. 許多學(xué)者同時也開展了橋梁擋風(fēng)障對橋梁及車橋系統(tǒng)的氣動特性研究[9-11]， 研究結(jié)果均表明， 設(shè)計合理的擋風(fēng)障， 可以改善橋梁風(fēng)環(huán)境， 提高行車安全標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速.

國內(nèi)外橋梁主要針對障條式擋風(fēng)障的障條形式等參數(shù)開展擋風(fēng)障實際應(yīng)用與研究， 對其阻風(fēng)效率、 風(fēng)阻形式、 相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)影響規(guī)律的研究及比對工作較少. 本研究將采用風(fēng)洞模型流場測速試驗的手段， 分析板挖圓孔及障條式擋風(fēng)障遮擋效率相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)及其影響規(guī)律.

1 試驗條件

圖1 XMUT-WT風(fēng)洞實驗室全景圖

風(fēng)洞試驗是全世界公認的研究風(fēng)工程最有效的方法， 風(fēng)洞試驗需要滿足模型與原型的幾何相似、 運動相似和動力相似[12]. 本次風(fēng)洞試驗的環(huán)境如圖1所示， 試驗?zāi)Ｐ椭糜诘退僭囼灦危?低速試驗段長×寬×高為25 m × 6 m × 3.6 m.

影響流體運動的作用力主要是黏滯力、 重力等. 分別以符號T、G和I代表黏滯力、 重力和慣性力， 則有：

(1)

式中： 下標(biāo)p代表實際構(gòu)件； 下標(biāo)m代表模型.

由相似關(guān)系可以得到弗勞德準(zhǔn)則等相似準(zhǔn)則， 其表征慣性力(I)與重力(G)之比， 其中，

G=ρgl3;I=ρl2v2

(2)

式中：ρ為空氣密度(g·cm-3)；g為重力加速度(m·s-2)；l為物體特征長度(m)；v為物體運動速度(m·s-1).

討論復(fù)合材料補片種類的不同對修復(fù)效果的作用，分別采用硼/環(huán)氧樹脂、碳/環(huán)氧樹脂和玻璃纖維材料的補片對損傷結(jié)構(gòu)進行再制造膠粘修復(fù)。圖7給出復(fù)合材料補片種類對修復(fù)效果的作用，圖8所示為補片種類作為變量時裂紋尖端半橢圓中心角α為0°和90°處對應(yīng)的修復(fù)效果。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)Ｐ?/h3>

考慮到橋梁會對擋風(fēng)障的前后風(fēng)場產(chǎn)生一定的影響， 為使試驗條件更加貼近實際情況， 將橋梁擋風(fēng)障放置于橋梁模型上進行試驗. 試驗段橋梁長度為1.8 m， 截面采用箱梁形式. 為探究不同擋風(fēng)障在距迎風(fēng)面不同位置處車道的阻風(fēng)效率， 設(shè)置了3個車道. 此外， 橋梁模型幾何縮尺比的選擇考慮阻塞比[13]的影響， 阻塞比為：

(3)

式中：Ac為風(fēng)洞試驗段的橫截面積(m2)；Am為試驗?zāi)Ｐ驮谠囼灦螜M截面的最大投影面積(m2).

考慮到試驗?zāi)Ｐ头胖糜陲L(fēng)洞試驗室迎風(fēng)面的空氣阻塞率為3%～5%， 本模型的橋梁箱梁和擋風(fēng)障模型的幾何縮尺比為1∶10， 擋風(fēng)障模型參數(shù)如表1所示.

表1 擋風(fēng)障模型主要參數(shù)統(tǒng)計表

2.2 測點布置

風(fēng)洞實驗室中模型及傳感器安裝完成實景圖如圖2所示. 試驗在風(fēng)速精度為±0.5 m·s-1， 型號為Series100 Cobra Probe 的TFI眼鏡蛇脈動風(fēng)速儀上進行， 測量橋面各車道中心線一定高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面. 設(shè)置采樣頻率為600 Hz, 各測點采樣時長為60 s. 考慮到橋面行駛車輛寬度基本上不會超過4.5 m， 本次試驗測量各個車道中心線(共3個車道)0～45 cm高度測點的風(fēng)速， 以此獲得各車道上的風(fēng)速風(fēng)剖面. 各車道測點從2.5 cm高度開始， 每隔2.5 cm設(shè)置一點， 共18個測點. 測點分布及傳感器布置如圖3、 圖4所示.

圖2 眼鏡蛇脈動風(fēng)速儀安裝實景圖

圖3 測點布置圖(單位: mm)

圖4 傳感器布置圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 平均風(fēng)速剖面圖

將不同風(fēng)速工況下各擋風(fēng)障后方， 3車道中心線上方各測點風(fēng)速值連線， 得到0～45 cm高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面圖， 分析高度與孔隙率對擋風(fēng)障阻風(fēng)效率的影響規(guī)律.

1) 不同高度障條擋風(fēng)障阻風(fēng)性能分析. 裸橋及安裝不同高度障條式擋風(fēng)障后， 各車道上測得的平均風(fēng)速剖面圖如圖5所示. 由圖5可知， 擋風(fēng)障遮擋效率隨障條式擋風(fēng)障高度增加而增加， 不同來流風(fēng)速下， 不同高度方案后方風(fēng)速折減規(guī)律一致. 車道1處， 不同高度的障條擋風(fēng)障在其結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)有較好的阻風(fēng)效果， 當(dāng)測點高度大于結(jié)構(gòu)高度時， 其風(fēng)速迅速上升， 并分別在20.0、 22.5、 42.5 cm高度處與來流風(fēng)速接近， 其后高度存在加速效應(yīng). 各高度擋風(fēng)障在車道1離地面高度較低的車輛升力影響敏感區(qū)域即貼地層區(qū)域出現(xiàn)測點風(fēng)速大于裸橋工況的現(xiàn)象， 與風(fēng)障頂部相比， 在貼層區(qū)域風(fēng)更難從風(fēng)障頂部位置繞流通過， 因此該位置擋風(fēng)障內(nèi)外風(fēng)壓比裸橋工況更大， 不利于車輛行駛穩(wěn)定性.

圖5 兩種風(fēng)速工況下不同高度障條擋風(fēng)障各車道平均風(fēng)速剖面圖

2) 不同孔隙率障條擋風(fēng)障阻風(fēng)性能分析. 裸橋及安裝不同孔隙率障條式擋風(fēng)障后， 各車道上測得的平均風(fēng)速剖面圖如圖6所示. 障條式擋風(fēng)障阻風(fēng)效率隨著孔隙率的減小而增加. 不同來流風(fēng)速下， 不同孔隙率擋風(fēng)障后方風(fēng)速折減規(guī)律相似. 由圖6(a)、 (b)、 (d)、 (e)可知， 孔隙率由60%降低為50%過程中， 擋風(fēng)障遮擋效果的改善程度明顯大于孔隙率由50%降低為40%的過程. 這表明當(dāng)擋風(fēng)障高度為定值時， 存在一個合理的孔隙率， 即孔隙率取為該值的擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果優(yōu)于孔隙率較大的擋風(fēng)障； 而與孔隙率值較小的擋風(fēng)障相比， 其阻風(fēng)效果在近地面較優(yōu)， 在一定高度范圍內(nèi)與小孔隙率擋風(fēng)障差別較小， 故其整體阻風(fēng)效果與小孔隙率擋風(fēng)障接近. 不同孔隙率的障條式擋風(fēng)障在車道1、 車道2貼近地面高度的遮擋效果較差.

圖6 兩種風(fēng)速工況下不同孔隙率障條擋風(fēng)障各車道平均風(fēng)速剖面圖

圖7 兩種風(fēng)速工況下不同高度板挖圓孔擋風(fēng)障各車道平均風(fēng)速剖面圖

4) 不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障阻風(fēng)性能分析. 裸橋及安裝不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障后， 各車道上測得的平均風(fēng)速剖面圖如圖8所示.

圖8 兩種風(fēng)速工況下不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障各車道平均風(fēng)速剖面圖

由圖8可見， 不同孔隙率擋風(fēng)障有效遮擋高度接近， 在車道1、 車道2、 車道3上分別為35、 40、 40 cm， 這表明板挖圓孔擋風(fēng)障對其后方各車道上整體遮擋效率隨著孔隙率減小而降低， 而其對擋風(fēng)障有效遮擋高度影響有限. 不同孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障方案對其后方各車道的遮擋效果隨著來流風(fēng)速增加并未發(fā)生明顯變化.

3.2 風(fēng)速折減系數(shù)

風(fēng)速折減系數(shù)是評價橋梁擋風(fēng)障阻風(fēng)效果的重要指標(biāo)， 能直觀對比不同擋風(fēng)障的阻風(fēng)效率， 從而發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)障高度、 孔隙率等參數(shù)對橋梁擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果的影響程度， 為實際工程應(yīng)用提供參考. 通過每一工況下風(fēng)洞試驗得到的各個車道中心線0～45 cm高度范圍內(nèi)的平均風(fēng)速剖面圖， 根據(jù)矩形風(fēng)剖面和實際風(fēng)剖面壓力總和相等的等效原則， 得到不同擋風(fēng)障方案(包括無風(fēng)障工況)橋面各個車道的等效風(fēng)速. 將等效風(fēng)速無量綱后即可得到風(fēng)速折減系數(shù)， 各車道的風(fēng)速折減系數(shù)[17]可由下式計算.

(4)

式中：zr為橋梁風(fēng)剖面的實際高度范圍， 一般不超過4.5 m， 因此， 本文計算等效橋面風(fēng)速時， 取zr=4.5 m；u(z)為各個行車道在z高度處的橫向風(fēng)速值；u0為來流風(fēng)速.

通過式(4)可以評價不同橋梁擋風(fēng)障方案的阻風(fēng)效果. 風(fēng)速折減系數(shù)越小， 擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果越好.

1) 障條擋風(fēng)障不同高度、 孔隙率下阻風(fēng)性能分析. 不同高度、 孔隙率障條擋風(fēng)障3個車道的等效風(fēng)速折減系數(shù)對比圖如圖9所示. 障條擋風(fēng)障的風(fēng)速折減系數(shù)隨著擋風(fēng)障高度的增加而減小， 隨著孔隙率的減小而減小. 在車道1、 車道2上， 風(fēng)障高度從10 cm增加到20 cm， 對風(fēng)速折減系數(shù)產(chǎn)生的影響明顯小于風(fēng)障高度從20 cm增加到30 cm的值， 這可能是由于風(fēng)障頂部的上方高度存在加速區(qū)域， 在風(fēng)障高度較小時， 此區(qū)域或部分區(qū)域包含在風(fēng)速折減系數(shù)的計算區(qū)域內(nèi)， 使得風(fēng)速折減系數(shù)較大， 而隨著擋風(fēng)障高度的增加， 上述加速區(qū)域或部分區(qū)域超出計算范圍， 風(fēng)速折減系數(shù)隨之減小. 通過對比孔隙率由60%降低至50%及50%降低至40%的過程中， 除了車道1之外， 其余車道的風(fēng)速折減系數(shù)在前一過程的變化明顯大于后一過程. 這表明， 當(dāng)障條擋風(fēng)障距離車道一定距離后， 其孔隙率存在一個適宜值， 該孔隙率值的擋風(fēng)障與更小孔隙率值擋風(fēng)障阻風(fēng)效率接近. 擋風(fēng)障對3個車道的遮擋效率由高到低依次為： 車道3、 車道2、 車道1.

圖9 兩種風(fēng)速工況下障條方案各車道風(fēng)速折減系數(shù)對比圖

2) 板挖圓孔擋風(fēng)障不同高度、 孔隙率下阻風(fēng)性能分析. 不同高度、 孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障各車道的等效風(fēng)速折減系數(shù)對比圖如圖10所示. 板挖圓孔擋風(fēng)障的風(fēng)速折減系數(shù)隨著擋風(fēng)障高度增加而減小， 隨著孔隙率減小而減小. 在高度由10 cm增加至20 cm過程中， 風(fēng)速折減系數(shù)減小幅度小于高度由20 cm增加為30 cm過程中的值. 表明存在適宜高度， 當(dāng)擋風(fēng)障大于這一高度時， 擋風(fēng)障高度對提升阻風(fēng)效率作用有限. 在孔隙率由60%降低至40%的過程中， 各車道上的風(fēng)速折減系數(shù)與孔隙率呈現(xiàn)非線性關(guān)系， 尤其對于風(fēng)速折減系數(shù)較大的車道1與車道2， 風(fēng)速折減系數(shù)隨著孔隙率變化的速率在靠近40%的一端明顯加快. 這是由于板挖圓孔擋風(fēng)障在該的孔隙率在該取值段附近存在適宜孔隙率， 在擋風(fēng)障高度一定時， 采用該最優(yōu)孔隙率或更小值設(shè)計的擋風(fēng)障的遮擋效果接近. 通過對比不同車道的風(fēng)速折減系數(shù)， 發(fā)現(xiàn)隨著板挖圓孔擋風(fēng)障高度的增加， 其相鄰車道間的風(fēng)速折減系數(shù)差值變大. 擋風(fēng)障對3個車道的遮擋效率由高到低依次為： 車道3、 車道2、 車道1.

圖10 兩種風(fēng)速工況下圓孔方案各車道風(fēng)速折減系數(shù)對比圖

4 結(jié)語

基于擋風(fēng)障模型流場測速試驗結(jié)果， 分析板挖圓孔和障條式擋風(fēng)障遮擋效率相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)及其影響規(guī)律， 得到如下結(jié)論：

1) 安裝橋梁擋風(fēng)障后， 橋面附近區(qū)域的平均風(fēng)速隨來流風(fēng)速的增加而增加. 在不同風(fēng)速工況下， 跨海橋梁擋風(fēng)障后方的有效遮擋區(qū)域一致.

2) 安裝擋風(fēng)障后， 橋面風(fēng)速明顯降低， 阻風(fēng)效果最好為30 cm高、 40%孔隙率圓孔方案， 在車道2、 3上該方案風(fēng)速折減系數(shù)僅為裸橋工況17%～18%. 有效遮擋區(qū)域高度隨著擋風(fēng)障高度增加而增加， 區(qū)域內(nèi)風(fēng)速隨著擋風(fēng)障的孔隙率增加而變大.

3) 擋風(fēng)障在貼地層區(qū)域阻風(fēng)效率隨著高度增加而降低， 板挖圓孔擋風(fēng)障對貼地層遮擋效率高于障條式擋風(fēng)障. 障條式擋風(fēng)障在貼地層區(qū)域風(fēng)速較大， 尤其是車道1貼地層出現(xiàn)局部風(fēng)速加速現(xiàn)象， 甚至擴大了貼地層加速現(xiàn)象的范圍影響到車道2.

4) 擋風(fēng)障對橋面三個車道的遮擋效率從高到低依次為： 車道3、 車道2、 車道1. 小孔隙率板挖圓孔擋風(fēng)障對車道1遮擋效率最高.