吳風(fēng)英， 趙 林,2,3，曹豐產(chǎn),2，葛耀君,2

(1.土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海200092；2.橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(同濟(jì)大學(xué))，上海200092； 3. 省部共建山區(qū)橋梁及隧道工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶交通大學(xué)), 重慶 400074)

隨著大跨橋梁建設(shè)的日益增多及橋位日趨復(fù)雜的風(fēng)場(chǎng)環(huán)境，風(fēng)荷載已成為橋梁建造運(yùn)營的主要控制荷載。較高的橋面風(fēng)速不僅會(huì)增加大跨橋梁行車的風(fēng)荷載敏感性，對(duì)行車舒適度產(chǎn)生影響，在車輛行駛過程中出現(xiàn)風(fēng)致行車安全問題[1-2]，甚至造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。減少在不利風(fēng)環(huán)境下的大跨橋梁的行車風(fēng)險(xiǎn)，提高橋梁在惡劣天氣條件下的利用率，并保障橋上行車安全是值得深入研究的課題。為了在不利風(fēng)的環(huán)境下能保障大跨橋梁行車安全，相較于改變車輛自身的外形參數(shù)降低其風(fēng)荷載敏感性以提高行車安全性的方式[3]，采用在橋面設(shè)置具有遮擋效應(yīng)的風(fēng)障等附屬結(jié)構(gòu)，不僅能夠有效地降低橫風(fēng)作用下的橋面風(fēng)速，改善行駛車輛在側(cè)風(fēng)作用下的氣動(dòng)效應(yīng)[4]，也為行車安全與駕乘安全性和舒適度提供了保障。目前在橋面加設(shè)風(fēng)障以降低橋面?zhèn)认蝻L(fēng)速、改善橋面行車風(fēng)環(huán)境并增加駕乘舒適性的研究與應(yīng)用日益增多，如英國Severn懸索橋、中國杭州灣跨海大橋及中國青馬大橋等均是成功案例[5-6]。

關(guān)于風(fēng)障阻風(fēng)效果和其對(duì)大跨橋梁橋面減風(fēng)效應(yīng)方面的研究仍然以風(fēng)洞試驗(yàn)[7-12]和數(shù)值模擬[13-14]手段為主，其中風(fēng)障有效阻風(fēng)面積和風(fēng)障最優(yōu)透風(fēng)率仍是備受關(guān)注的話題。文獻(xiàn)[15]通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法討論了最優(yōu)風(fēng)障型式及其應(yīng)用。文獻(xiàn)[16]通過數(shù)值模擬的方法比選了曲線型風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)速的影響。從已有研究可以發(fā)現(xiàn)，橋面安裝風(fēng)障在改善橋面行車風(fēng)環(huán)境的同時(shí)，會(huì)對(duì)主梁所受風(fēng)荷載或其抗風(fēng)性能有一定影響，但考慮風(fēng)障作為重要的能夠有效降低橋面來流風(fēng)速的附屬結(jié)構(gòu)，對(duì)保障在大風(fēng)等惡劣天氣條件下的大跨橋梁行車安全性至關(guān)重要。因此對(duì)橋面風(fēng)障的合理優(yōu)化選型是值得研究的課題。目前已有風(fēng)障對(duì)橋面行車風(fēng)環(huán)境的改善作用等相關(guān)研究成果仍缺乏必要的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證工作。隨著計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，越來越多的數(shù)值模擬方法被提出并應(yīng)用于工程實(shí)踐。合理選用數(shù)值計(jì)算模型、計(jì)算域離散化方法和邊界條件是保障數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性的前提，同時(shí)能夠有效提升數(shù)值模擬方法在橋面風(fēng)環(huán)境分析等領(lǐng)域的應(yīng)用。為保障采用數(shù)值模擬方法應(yīng)用于橋面行車風(fēng)環(huán)境分析結(jié)果的精度，開展相關(guān)風(fēng)洞試驗(yàn)與實(shí)橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等驗(yàn)證工作是十分必要的。因此，本文以西堠門大橋?yàn)檠芯勘尘?，采用CFD模擬了設(shè)置風(fēng)障前后的橋面風(fēng)場(chǎng)繞流變化情況，結(jié)合試驗(yàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上開展了橋面風(fēng)障的選型優(yōu)化工作，研究分析了風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境改善的主要影響因素，為橋面風(fēng)障安裝應(yīng)用和保障大跨橋梁行車安全和舒適度提供了理論基礎(chǔ)。

1 橋面風(fēng)環(huán)境

橋梁受風(fēng)荷載作用時(shí)，橋面風(fēng)速會(huì)隨離橋面的高度變化而變化，為衡量橋面以上一定范圍內(nèi)側(cè)向風(fēng)速的大小，根據(jù)總風(fēng)壓相等的原則定義橋面等效風(fēng)速[17]為

(1)

式中：Zr為等效高度范圍，與車輛在橋面上行駛時(shí)受側(cè)風(fēng)影響的高度范圍相對(duì)應(yīng)，對(duì)集裝箱卡車和小轎車分別取4.5 m和2.0 m；V為橋面風(fēng)速；z為垂直橋面高度。

為反映風(fēng)障對(duì)來流風(fēng)速的干擾作用，定義等效風(fēng)速與參考風(fēng)速(來流風(fēng)速)的比值為風(fēng)障的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)β，表達(dá)式為

(2)

式中VR為參考風(fēng)速。

2 風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

2.1 方案設(shè)置

以西堠門大橋開槽箱梁為研究背景，分析了設(shè)置風(fēng)障條件下側(cè)向來流時(shí)橋面風(fēng)環(huán)境的變化情況。橋梁為中央開槽的分體式鋼箱梁，梁高3.5 m，寬36.0 m，開槽寬6.0 m。主梁斷面和計(jì)算車道位置如圖1所示?？紤]來流風(fēng)向?yàn)閺淖笙蛴壹醋訟車道向F車道，風(fēng)攻角為0°。圖2給出了風(fēng)障設(shè)置型式為5根200 mm×80 mm橫桿時(shí)橋梁整體布局和風(fēng)障局部示意圖。

圖1 橋梁斷面及計(jì)算車道示意圖(mm)

(a)整體橋梁布局 (b)5根200 mm×80 mm橫桿風(fēng)障布置

2.2 計(jì)算域設(shè)置

為避免阻塞率對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果的影響，計(jì)算域大小設(shè)置為282 m×124 m(x×y)，其中x為來流方向，y為豎直方向。圖3給出了橋面設(shè)置風(fēng)障時(shí)整體計(jì)算域的設(shè)置型式，無風(fēng)障橋面風(fēng)環(huán)境計(jì)算時(shí)邊界條件與計(jì)算域的設(shè)置與之相同。來流入口區(qū)域?yàn)?0倍梁高，尾流區(qū)域?yàn)?0倍梁高，上下邊界均為17倍梁高，阻塞率為0.023。橋梁周圍繞流考慮為不可壓縮流，計(jì)算域流動(dòng)入口條件為速度邊界條件，取入口速度為來流風(fēng)速為27 m/s，出口條件為自由流邊界條件；橋梁結(jié)構(gòu)斷面，欄桿及風(fēng)障斷面，上下邊界均采用無滑移固壁邊界條件。流場(chǎng)求解采用已在大氣邊界層成熟應(yīng)用的SIMPLE壓力速度耦合方法對(duì)壓力-速度耦合場(chǎng)進(jìn)行求解[18]，計(jì)算中殘差值設(shè)置為1×10-5以滿足收斂條件。除此之外，本文后續(xù)分析過程中對(duì)不同風(fēng)障類型進(jìn)行優(yōu)化比選，因此可認(rèn)為雷諾數(shù)對(duì)各個(gè)風(fēng)障方案的影響是有限的。

圖3 邊界條件與計(jì)算域的設(shè)置型式

2.3 流場(chǎng)離散化

流場(chǎng)的數(shù)值模擬是以繞流的連續(xù)性方程及動(dòng)量守恒方程的Navier-Stokes方程作為基本控制方程，并進(jìn)行離散化的數(shù)值模擬方法對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解。工程分析中應(yīng)用較多的為大渦模擬(LES)[19]與Reynolds平均法等方法[20]?；赗eynolds平均法(RANS)的雙參數(shù)k-ε湍流模型均已成熟應(yīng)用于工程實(shí)踐中，其中Realizablek-ε模型作為目前驗(yàn)證最為廣泛的計(jì)算模型[21-22]。由于其對(duì)充分發(fā)展的湍流計(jì)算有效，對(duì)于近壁區(qū)以黏性力為主導(dǎo)的邊界層即湍流不充分發(fā)展區(qū)域，需結(jié)合壁面函數(shù)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算能顯著降低計(jì)算量的同時(shí)也能保證計(jì)算精度[23]。目前主要有多區(qū)域模擬法和近似壁面邊界條件模擬法等。前者對(duì)流場(chǎng)近壁面離散化要求較高，需采用尺度非常小的網(wǎng)格捕捉近壁面的流場(chǎng)變化特征，因此計(jì)算效率普遍不高。相關(guān)研究表明后者能夠解決高雷諾數(shù)下的主梁斷面繞流問題[24]，即壁面函數(shù)法，能夠提供黏性底層和充分發(fā)展的湍流層之間的相關(guān)關(guān)系以模擬近壁面流體的發(fā)展。文獻(xiàn)[25]表明雷諾平均雙參數(shù)模型能夠較好地和壁面函數(shù)結(jié)合，求解黏性底層流動(dòng)并能夠提升計(jì)算效率。本文采用Realizablek-ε湍流模型并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法對(duì)橋梁斷面二維繞流進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)加設(shè)風(fēng)障前后橋面以上不同高度處的風(fēng)速變化情況進(jìn)行模擬，研究風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境的影響情況。

流場(chǎng)離散化處理是保障數(shù)值模擬方法求解流場(chǎng)正確性與精確度的基礎(chǔ)。高質(zhì)量網(wǎng)格能夠有效減少計(jì)算過程的數(shù)值耗散并保障結(jié)果精確性的同時(shí)，還能有效減少計(jì)算過程中的非物理解[26]。對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解時(shí)采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進(jìn)行離散化，并對(duì)主梁周圍加密的網(wǎng)格劃分以有效減少由于網(wǎng)格質(zhì)量造成的結(jié)果精度不足[27-28]。數(shù)值模擬分析中對(duì)比了4種不同密度網(wǎng)格計(jì)算所得結(jié)構(gòu)阻力系數(shù)與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，如圖4(a)所示?？梢钥闯鲭S著近壁面網(wǎng)格加密程度增加，數(shù)值模擬精度也隨網(wǎng)格數(shù)量增加而提升。進(jìn)一步對(duì)流場(chǎng)離散化方案進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)(參考點(diǎn)P1、P2見圖3)，計(jì)算收斂后結(jié)果對(duì)比如圖4(b)所示，可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到1 157 100時(shí)，繼續(xù)增加網(wǎng)格數(shù)量計(jì)算結(jié)果變化甚微。考慮節(jié)約計(jì)算成本最終計(jì)算域流場(chǎng)劃分整體離散化共計(jì)1 157 100個(gè)三角形網(wǎng)格單元，整體網(wǎng)格劃分見圖5。文獻(xiàn)[29]采用局部加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并取分析對(duì)象表面網(wǎng)格尺寸為0.15～0.40 m的流場(chǎng)離散化方式分析了風(fēng)障對(duì)列車及簡支梁橋氣動(dòng)性能的影響，其分析結(jié)果滿足精度要求。文獻(xiàn)[30]也采用了局部加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格方式分析了風(fēng)障對(duì)周圍風(fēng)場(chǎng)的影響，結(jié)果表明其網(wǎng)格劃分方式在保障結(jié)果精度與節(jié)省計(jì)算時(shí)間方面符合要求。綜上，采取局部加密的非網(wǎng)格劃分方式對(duì)近壁面區(qū)的流動(dòng)處理更為精細(xì)，且在能保證數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果精度的基礎(chǔ)上既能兼顧計(jì)算效率又在一定程度上避免了計(jì)算資源的浪費(fèi)。

(a)不同網(wǎng)格精度校驗(yàn)

(b)網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

(a)主梁周圍計(jì)算域離散化

(b)局部網(wǎng)格

3 CFD計(jì)算結(jié)果與驗(yàn)證

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

為驗(yàn)證數(shù)值模擬所得結(jié)果的精確性，在同濟(jì)大學(xué)TJ-2風(fēng)洞進(jìn)行了比例為1/40的主梁節(jié)段模型表面風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)，如圖6所示。試驗(yàn)測(cè)試了未設(shè)置風(fēng)障和設(shè)置風(fēng)障(5根200 mm×80 mm矩形橫桿)工況下且風(fēng)攻角為0°時(shí)，垂直于橋面上方4.5 m高度處各不同計(jì)算車道位置處(AB車道分界，B車道，BC車道分界與D車道)的橋面?zhèn)认虻刃эL(fēng)速演變規(guī)律，圖7給出了試驗(yàn)時(shí)各測(cè)點(diǎn)的布置。試驗(yàn)時(shí)橫橋向的均勻來流風(fēng)速為10 m/s，采用皮托管測(cè)量方法對(duì)不同車道位置來流風(fēng)速進(jìn)行測(cè)量，并以模型前方2 m處的風(fēng)速作為參考風(fēng)速計(jì)算折減系數(shù)。

(a)未設(shè)置風(fēng)障 (b)設(shè)置風(fēng)障(5根200 mm×80 mm)

圖7 風(fēng)速測(cè)點(diǎn)布置

橋面安裝風(fēng)障相較于未安裝風(fēng)障時(shí)，安裝風(fēng)障后橋面風(fēng)速顯著降低。圖8展示了設(shè)置風(fēng)障前后橋面上方各計(jì)算車道4.5 m高度處的風(fēng)速變化趨勢(shì)。從圖中可以看出，有無風(fēng)障情況下橋面來流風(fēng)速自迎風(fēng)向至背風(fēng)側(cè)呈逐漸降低的趨勢(shì)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果與CFD結(jié)果具有相同的變化趨勢(shì)。安裝風(fēng)障后風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)性相較于CFD結(jié)果稍有偏差，這體現(xiàn)了附加格柵產(chǎn)生特征紊流的影響。數(shù)值模擬與風(fēng)洞試驗(yàn)所得橋面風(fēng)速演變規(guī)律具有相同的趨勢(shì)，仍存在稍許偏差(在可接受范圍之內(nèi))。究其原因，在于數(shù)值模擬時(shí)模型采用全尺模型與風(fēng)洞試驗(yàn)中節(jié)段比例模型存在尺度效應(yīng)差異。與實(shí)際橋面風(fēng)場(chǎng)相比較，無論風(fēng)洞試驗(yàn)中還是數(shù)值模擬，初始條件的設(shè)置均在一定程度上與實(shí)際橋面風(fēng)場(chǎng)存在偏差，但目前既有風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD條件下，可認(rèn)為結(jié)合數(shù)值模擬方法開展橋面風(fēng)環(huán)境模擬具有較可靠的精度。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

為進(jìn)一步檢驗(yàn)數(shù)值模擬結(jié)果精度和風(fēng)障的實(shí)際阻風(fēng)效果，采用風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)在成橋狀態(tài)下，對(duì)安裝5根200 mm×80 mm風(fēng)障時(shí)橋面上方1.8 m和4.5 m高度處的來流風(fēng)速變化情況進(jìn)行測(cè)量。風(fēng)速測(cè)量采用美國NRG#40風(fēng)杯式風(fēng)速計(jì)，測(cè)試最小風(fēng)速為0.78 m/s，最大風(fēng)速為96 m/s，精確度為±0.1 m/s。實(shí)測(cè)時(shí)采樣頻率為0.5 Hz。測(cè)試位置設(shè)置豎立的6 m高度直桿，豎桿外徑為0.12 m，且保證風(fēng)向角相對(duì)正北變化，即正北為0°風(fēng)向角。為盡量降低豎桿對(duì)來流風(fēng)速干擾，將風(fēng)速計(jì)采用專用橫向水平支架固定于豎桿上，風(fēng)速儀離開豎桿水平距離1.2 m。橋面測(cè)點(diǎn)位置布置如圖9所示，P1～P4測(cè)點(diǎn)依次分別對(duì)應(yīng)于AB車道分界處、B車道中間位置處、BC車道分界處以及C車道中間位置處，風(fēng)速測(cè)量儀器安裝與實(shí)測(cè)情況如圖10所示。

圖8 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果比對(duì)

圖9 實(shí)測(cè)位置布置圖

(a)橋面風(fēng)速儀沿高度布置

(b)風(fēng)速儀現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)照片

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)橋狀態(tài)實(shí)測(cè)時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)自身對(duì)周圍風(fēng)場(chǎng)存在干擾使得在橋面附近難以準(zhǔn)確測(cè)得實(shí)際來流風(fēng)速的大小，根據(jù)CFD所得結(jié)果對(duì)橋面流場(chǎng)及不同車道風(fēng)速剖面分析可知，風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)與來流風(fēng)速的影響范圍約為2倍梁高之內(nèi)。因此數(shù)值模擬時(shí)對(duì)橋面設(shè)置風(fēng)障情況下計(jì)算域中距主梁斷面前緣10 m位置處作為速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，開槽位置的分流作用會(huì)導(dǎo)致下游橋梁表面風(fēng)速較低，因此僅對(duì)上游橋面各車道(A、AB分界、B、BC分界、C)4.5 m高度位置處作為速度監(jiān)測(cè)點(diǎn)(見圖3參考點(diǎn)P1)，對(duì)比監(jiān)測(cè)分析前緣與橋面4.5 m高度位置處風(fēng)速關(guān)系?？梢园l(fā)現(xiàn)隨著距主梁前緣距離的增加各車道4.5 m高度位置處風(fēng)速呈降低的趨勢(shì)，其比例關(guān)系見圖11。因此比例系數(shù)取前緣10 m位置處與迎風(fēng)側(cè)各車道4.5 m高度位置處風(fēng)速比值的均值，偏安全取值約為1.59。確定來流風(fēng)速后，根據(jù)側(cè)向風(fēng)速分布可計(jì)算各測(cè)試位置的橋面等效風(fēng)速和側(cè)風(fēng)折減系數(shù)。圖12給出了實(shí)測(cè)時(shí)B車道4.5 m高度位置處平均風(fēng)速和風(fēng)向時(shí)程，可以看出平均風(fēng)速和風(fēng)向隨時(shí)間變化而變化，由于橋軸線與正北方向約為45°角，來流風(fēng)向基本垂直于橋軸線，因此可忽略斜風(fēng)帶來的局部流場(chǎng)三維特性。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)與各車道4.5 m高度處風(fēng)速關(guān)系

圖12 風(fēng)速風(fēng)向圖

圖13給出了采用3種不同分析方法對(duì)迎風(fēng)側(cè)車道風(fēng)速變化的對(duì)比分析結(jié)果。3種不同分析方法得到的橋面風(fēng)速演變規(guī)律稍有偏差但具有相同的變化趨勢(shì)。由圖13(a)可以看出在AB車道分界處實(shí)測(cè)結(jié)果相較于風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果偏低，在其他計(jì)算車道位置處兩者結(jié)果略有偏高但風(fēng)速變化趨勢(shì)相同。原因在于實(shí)測(cè)時(shí)實(shí)際來流風(fēng)向并不與風(fēng)洞試驗(yàn)或數(shù)值模擬時(shí)簡化的理想的與橋軸線完全垂直且不發(fā)生變化的風(fēng)向，導(dǎo)致實(shí)測(cè)所得風(fēng)速沿高度不同風(fēng)向角也會(huì)存在變化。圖13(b)給出了橋面部分計(jì)算車道的風(fēng)剖面圖，可以看出CFD所得結(jié)果與成橋狀態(tài)的實(shí)測(cè)結(jié)果接近，兩種方法所得結(jié)果相差不大(約為9.1%)。由此可知，采用既有網(wǎng)格劃分策略及數(shù)值求解模型能夠成功再現(xiàn)實(shí)際橋面風(fēng)場(chǎng)的變化情況并得到工程適用精度較高的計(jì)算結(jié)果。另外，由于黏性力作用橋面近地面風(fēng)速基本為零，隨著離橋面高度的增加來流慣性力的作用使得橋面風(fēng)速隨高度呈逐漸增加的狀態(tài)，但在橋面向上2.0 m至5.0 m左右風(fēng)速變化緩慢，這是由于風(fēng)障的遮擋效應(yīng)使得來流風(fēng)速降低，橋面高度超過風(fēng)障的有效遮擋高度時(shí)，風(fēng)障對(duì)風(fēng)速的折減效果明顯減弱因而橋面風(fēng)速變化較小。

(a)實(shí)測(cè)與CFD結(jié)果

(b)橋面風(fēng)速剖面

4 風(fēng)障方案優(yōu)化比選

4.1 風(fēng)障方案優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的風(fēng)障擋風(fēng)效果，對(duì)主梁上不同類型風(fēng)障進(jìn)行了優(yōu)化比選，采用數(shù)值模擬分析的手段計(jì)算不同風(fēng)障設(shè)置型式下的橋面繞流和不同車道處風(fēng)速變化情況。圖14為部分主梁上風(fēng)障設(shè)置方案示意圖。表1給出了12種風(fēng)障設(shè)置型式和透風(fēng)率及高度的變化情況，其中除第10種風(fēng)障為4根200 mm×80 mm的矩形橫桿，高度為3.6 m，其余高度均為3.0 m。

圖14 部分風(fēng)障設(shè)置代表方案細(xì)部示意圖

表1 不同風(fēng)障設(shè)置方案

表2給出了12種不同風(fēng)障設(shè)置型式下橋面各車道位置4.5 m高度位置處的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)計(jì)算結(jié)果?？梢钥闯?，隨著風(fēng)障橫桿數(shù)目的增多，橋面風(fēng)速呈逐漸降低的趨勢(shì)，也即風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)速的改善作用越明顯。風(fēng)障設(shè)置型式為5根200 mm×80 mm橫桿且位于橋面欄桿上側(cè)時(shí)折減效果最佳。各風(fēng)障型式下，橋面各計(jì)算車道的風(fēng)速變化規(guī)律相似，呈從來流方向至下游區(qū)逐漸降低的趨勢(shì)，且變化幅度逐漸趨于平緩。即風(fēng)障對(duì)來流具有一定的遮擋屏蔽效應(yīng)和橋面開槽部位對(duì)來流的疏導(dǎo)分流作用，使得橋面來流風(fēng)速呈逐漸降低的趨勢(shì)。

表2 不同風(fēng)障設(shè)置方案下橋面4.5 m處各計(jì)算車道位置側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

圖15對(duì)比不同計(jì)算車道的風(fēng)速變化情況，對(duì)不同橫條高寬比、透風(fēng)率、高度及其設(shè)置位置對(duì)風(fēng)障擋風(fēng)效果的影響程度進(jìn)行了分析。風(fēng)障橫桿斷面型式是決定其擋風(fēng)效果的主要因素。圖15(a)給出了在風(fēng)障橫條均為4根時(shí)但橫桿高寬比不同時(shí)的側(cè)風(fēng)折減效應(yīng)，隨著橫桿高寬比逐漸增大也即風(fēng)障橫條越窄高，其對(duì)側(cè)風(fēng)的遮擋效應(yīng)越顯著，在相同高度范圍內(nèi)隨著橫桿高寬比的增加其有效阻風(fēng)面積也會(huì)隨之增加，提高風(fēng)障的遮風(fēng)效應(yīng)。

透風(fēng)率為風(fēng)障孔洞/間隙之間與風(fēng)障總面積的比值，過大的透風(fēng)率會(huì)顯著降低風(fēng)障的有效遮風(fēng)面積，造成風(fēng)障遮風(fēng)效應(yīng)減弱，也即橋面風(fēng)速與風(fēng)障透風(fēng)率呈反比的關(guān)系。圖15(b)給出了風(fēng)障設(shè)置位置和高度相同但透風(fēng)率不同(分別為87%、74%、61%)時(shí)各車道風(fēng)速變化情況，隨著透風(fēng)率的降低，風(fēng)障對(duì)來流風(fēng)速的折減效果愈為顯著，風(fēng)障透風(fēng)率每降低13%，風(fēng)障折減效應(yīng)相應(yīng)提高16%左右。

當(dāng)風(fēng)障橫桿數(shù)目和橫桿斷面型式相同時(shí)，風(fēng)障高度的改變勢(shì)必會(huì)造成風(fēng)障透風(fēng)率的改變，致使風(fēng)障對(duì)來流風(fēng)速的折減效果發(fā)生變化。圖15(c)給出了風(fēng)障高度發(fā)生變化時(shí)，橋面計(jì)算車道位置處的風(fēng)速的變化情況。研究結(jié)果表明橫桿數(shù)目相同時(shí)，隨著風(fēng)障的高度增加，風(fēng)障對(duì)橋面風(fēng)速的折減效應(yīng)顯著降低。

不同的風(fēng)障布置位置對(duì)其側(cè)風(fēng)折減效應(yīng)也存在較大的影響。圖15(d)給出了風(fēng)障型式和高度都相同，位置不同時(shí)對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境的影響情況。風(fēng)障位于欄桿上側(cè)時(shí)側(cè)風(fēng)折減效果要優(yōu)于風(fēng)障單列設(shè)置。風(fēng)障單獨(dú)布置一列時(shí)，擋風(fēng)區(qū)域與欄桿擋風(fēng)區(qū)域存在相互重疊的部分，透風(fēng)率相較于風(fēng)障位于欄桿上側(cè)稍大，造成風(fēng)障擋風(fēng)效果降低。

綜上所述，通過對(duì)不同風(fēng)障影響因素對(duì)其側(cè)風(fēng)折減效應(yīng)的影響程度分析，結(jié)果表明風(fēng)障的側(cè)風(fēng)折減效應(yīng)與其設(shè)置型式、橫桿斷面、高度、透風(fēng)率等因素密切相關(guān)。影響其側(cè)風(fēng)折減效應(yīng)的最主要因素為透風(fēng)率，包括風(fēng)障橫桿型式、高度和位置因素的改變都在一定程度上反應(yīng)了風(fēng)障透風(fēng)率變化對(duì)其擋風(fēng)效應(yīng)的影響。

(a)不同障條影響

(c) 不同風(fēng)障高度影響

(b)不同透風(fēng)率影響

(d) 不同位置影響

圖16為設(shè)置5根200 mm×80 mm風(fēng)障與未設(shè)置風(fēng)障時(shí)的橋面各車道風(fēng)剖面對(duì)比。有無風(fēng)障時(shí)的各車道風(fēng)速沿高度變化規(guī)律相接近，由于風(fēng)障對(duì)來流的遮風(fēng)效應(yīng)，設(shè)置風(fēng)障時(shí)橋面各車道沿高度在0～6.0 m之間風(fēng)速大小相差都較明顯，設(shè)置風(fēng)障后橋面各車道風(fēng)速降低約30%～50%，風(fēng)障減風(fēng)效果顯著且實(shí)際遮風(fēng)有效區(qū)域略大于風(fēng)障實(shí)際高度，但在高出風(fēng)障高度一定范圍內(nèi)隨著距風(fēng)障頂部高度的增加，屏蔽效應(yīng)逐漸減弱。與未設(shè)置風(fēng)障時(shí)橋面風(fēng)速變化趨勢(shì)相比，設(shè)置風(fēng)障后在垂直橋面約6～7 m高度之外，橋面風(fēng)速都趨于穩(wěn)定不再發(fā)生明顯變化，可得出風(fēng)障對(duì)橋面的影響范圍約為2倍梁高左右，在此范圍之外橋梁風(fēng)場(chǎng)不再受風(fēng)障等附屬構(gòu)件的擾動(dòng)并趨于穩(wěn)定。

由上分析結(jié)果可見，相較于未設(shè)置風(fēng)障時(shí)，安裝風(fēng)障后由于風(fēng)障對(duì)橋面來流的干擾作用，橋面風(fēng)速相較于未安裝風(fēng)障時(shí)明顯降低。設(shè)置風(fēng)障前后(5根200 mm×80 mm)的流場(chǎng)速度云圖見圖17。橋面未安裝風(fēng)障時(shí)，來流在迎風(fēng)側(cè)翼緣被自然分流，在橋面形成較為均勻的壓力分布，橋面流場(chǎng)分布較為均勻。橋面安裝風(fēng)障后，來流經(jīng)過橋面翼緣的分流后由于風(fēng)障橫桿的擾動(dòng)分離作用，來流再次在橫桿端部發(fā)生分離，并在橋面上形成橫向發(fā)展的旋渦導(dǎo)致橋面壓力分布的不均勻性產(chǎn)生壓力差，使得風(fēng)障后風(fēng)場(chǎng)分布發(fā)生變化，在風(fēng)障高度內(nèi)橋面風(fēng)速相較于未安裝風(fēng)障時(shí)明顯降低。除此之外，上游風(fēng)障對(duì)來流的屏蔽干擾作用也會(huì)造成下游橋面風(fēng)速變化較上游逐漸趨于平緩且風(fēng)速逐漸降低，這說明在來流方向安裝風(fēng)障不僅可以有效降低橋面風(fēng)速，對(duì)背風(fēng)側(cè)橋面風(fēng)環(huán)境也有一定的改善作用。分離式斷面開槽部分對(duì)來流也具有顯著的疏導(dǎo)分泄作用，導(dǎo)致下游橋面風(fēng)速明顯低于上游。

圖16 橋面各車道風(fēng)剖面

(a)設(shè)置風(fēng)障橋面繞流(5根200 mm×80 mm)

(b)未設(shè)置風(fēng)障橋面繞流

4.2 開槽對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境影響

綜合以上數(shù)值模擬結(jié)果，主梁中央開槽部位對(duì)橋面繞流有一定的影響。為探究中央開槽部位對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境的影響，分別對(duì)整體式箱梁斷面和分體式雙箱梁的繞流形態(tài)和橋面不同高度位置處風(fēng)速變化情況進(jìn)行了模擬。整體式箱梁斷面如圖18所示，主梁表面各車道分布和來流方向與分體式箱梁斷面相同。

圖18 整體式箱梁斷面示意(mm)

圖19為分體式斷面和整體式箱梁斷面繞流示意圖。來流經(jīng)過分體式箱梁中央開槽部位在上游梁上下表面尾部形成新的交替脫落的漩渦，表現(xiàn)為上表面形成在中央開槽部位向下發(fā)展的漩渦，下表面形成向上發(fā)展的漩渦，兩者相互作用對(duì)下游梁周圍繞流產(chǎn)生影響，使得下游梁表面風(fēng)環(huán)境與整體式箱梁不同。上游主梁上表面尾部形成的漩渦逐漸向下發(fā)展并穿過開槽部位，但由于上游下表面形成的漩渦并未能完全發(fā)展至下游主梁上表面，最終上游主梁上表面尾部形成的漩渦與下表面形成的漩渦交匯進(jìn)入下游主梁梁底，削弱了來流自上游向下游主梁上表面的發(fā)展，造成分體式箱梁下游主梁上表面風(fēng)速低于于上游。文獻(xiàn)[31]對(duì)箱型分體式雙幅橋之間的氣動(dòng)干擾進(jìn)行了研究，結(jié)果表明中央開槽部位是流動(dòng)干擾的最主要位置，且上下游主梁之間氣動(dòng)干擾與橋面間距有關(guān)。文獻(xiàn)[32]采用表面壓力測(cè)試和主梁斷面繞流測(cè)試方法分析了分體式雙主梁模型相互氣動(dòng)影響和上下主梁繞流特性對(duì)槽間距敏感性。結(jié)果表明隨著槽間距的增加上下游主梁相互氣動(dòng)影響增強(qiáng)，超過一定的臨界值之后，下游主梁斷面繞流形態(tài)受上游主梁影響又會(huì)減弱。綜上，分體式箱梁下游主梁繞流形態(tài)受上游主梁影響較大，開槽位置對(duì)來流的分流作用導(dǎo)致分體式箱梁下游主梁表面風(fēng)速相較于上游表面風(fēng)速較低。開槽間距的大小也對(duì)下游主梁風(fēng)環(huán)境受上游主梁的影響程度起重要作用，也是本文中分體式箱梁下游表面風(fēng)速雖低于整體式箱梁但并不十分顯著的原因。

(a)分體式箱梁繞流 (b)整體式箱梁繞流

5 結(jié) 論

通過采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)橋面風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了模擬計(jì)算，為校驗(yàn)CFD數(shù)值模擬計(jì)算精度，開展了風(fēng)洞驗(yàn)證試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等驗(yàn)證工作，可以得出以下結(jié)論：

1)本文所采用的數(shù)值模擬求解方法及流場(chǎng)離散化策略經(jīng)風(fēng)洞試驗(yàn)所得氣動(dòng)力結(jié)果校驗(yàn)，可成功再現(xiàn)實(shí)橋成橋狀態(tài)橋面繞流，分析誤差介于3%～9%之間，能夠精確模擬風(fēng)障對(duì)來橋面來流風(fēng)速的屏蔽遮擋效應(yīng)，揭示了橋面局部風(fēng)場(chǎng)繞流特性和風(fēng)障對(duì)來流遮擋干擾效應(yīng)機(jī)理，可成功應(yīng)用于橋面行車風(fēng)環(huán)境等工程應(yīng)用。

2)橋面風(fēng)障對(duì)來流的干擾屏蔽作用使得風(fēng)障后風(fēng)場(chǎng)重新分布從而有效改善橋面風(fēng)環(huán)境，安裝風(fēng)障后對(duì)橋面?zhèn)认騺砹黠L(fēng)速的折減介于30%～50%之間。風(fēng)障有效減風(fēng)區(qū)域不僅與風(fēng)障高度相關(guān)，其布置位置與設(shè)置型式都是重要的影響因素，但其中風(fēng)障透風(fēng)率是影響有效阻風(fēng)效應(yīng)的最主要因素。

3)相較于整體式箱梁斷面，中央開槽部位對(duì)橋面來流的分流作用是開槽斷面下游主梁上表面風(fēng)速低于上游橋面風(fēng)速的主要原因。除此之外，開槽間距大小也對(duì)下游主梁風(fēng)環(huán)境受上游主梁的影響程度起重要作用。本文中未量化討論槽間距的影響，仍需要后續(xù)進(jìn)行深入研究和探討。