盧曉偉， 江舜堯， 趙文斌， 王 濤

(1. 西南交通大學(xué)橋梁工程系， 四川成都 610031； 2.風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

跨海大橋常處于非常不利的風(fēng)環(huán)境中，橋面高度高，常遇風(fēng)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(fēng)的作用，這些都嚴(yán)重影響行車的舒適性和安全性[1-5]。風(fēng)致行車安全事故研究近年來得到了國內(nèi)外橋梁運(yùn)營管理部門以及專家學(xué)者的高度重視，主要是由于大風(fēng)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(jì)損失，造成惡劣的社會影響[6-11]。目前關(guān)于強(qiáng)風(fēng)作用下橋塔遮風(fēng)效應(yīng)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(fēng)速、不同風(fēng)向與不同橋塔形式的縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了強(qiáng)風(fēng)作用下車輛通過橋塔區(qū)域時的空氣動力學(xué)特性。Argentini等[14]進(jìn)行了車輛模型過橋試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中，對車輛模型進(jìn)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(fēng)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(fù)雜的影響。Kwon等[15]通過軟件CarSim和TruckSim計算側(cè)風(fēng)車輛的橫向偏差，然后根據(jù)預(yù)定義的車輛事故指數(shù)評估車禍的臨界風(fēng)速，并通過風(fēng)洞測試確定了將來流風(fēng)速降低50%所需的最小風(fēng)障高度。Kozmar等[16]通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了高架橋上風(fēng)柵的防護(hù)效率及風(fēng)入射角對風(fēng)障后流場特性的影響，試驗(yàn)中利用粒子圖像測速(PIV)技術(shù)確定平均速度場和渦度場，并用皮托管測量標(biāo)定風(fēng)場，試驗(yàn)表明改變垂直入射角會引起靠近橋后緣的車道上存在風(fēng)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?yàn)楣こ瘫尘袄脭?shù)值風(fēng)洞技術(shù)分析了橋塔區(qū)橋面的風(fēng)環(huán)境分布特點(diǎn)得出了橋塔對橋面風(fēng)環(huán)境的影響明顯，橋塔造成了其附近區(qū)域風(fēng)速的急劇減小及風(fēng)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(xué)CFD的方法研究了防撞護(hù)欄對車輛氣動力系數(shù)和軌道上方風(fēng)場的影響，計算表明橋面增設(shè)防撞護(hù)欄后對車輛行車安全是有利的，并采用計算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法對大跨度懸索橋橋塔區(qū)域橋面風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了仿真分析。龐加斌等[22]結(jié)合橋位風(fēng)速觀測資料和橋梁結(jié)構(gòu)對橋面風(fēng)速的影響，建立等效風(fēng)速概率模型，提出概率評估方法對側(cè)風(fēng)下行車安全性進(jìn)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(fēng)環(huán)境的流場分布。曾加冬[24]以嘉紹大橋塔區(qū)行車風(fēng)環(huán)境為研究背景并通過風(fēng)洞試驗(yàn)對橋塔區(qū)域及橋面行車區(qū)間內(nèi)的風(fēng)場分布進(jìn)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(fēng)洞試驗(yàn)對塔區(qū)風(fēng)環(huán)境以及塔區(qū)行車安全進(jìn)行分析，兩者均通過風(fēng)洞試驗(yàn)得出橋塔對其附近區(qū)域橋面風(fēng)環(huán)境存在很大影響的結(jié)論。

由于風(fēng)洞試驗(yàn)方法試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高，且需要復(fù)雜昂貴的測試設(shè)備等問題，目前對于橋面風(fēng)場的研究多采用CFD進(jìn)行數(shù)值計算[26-29]，但對于湍流的計算需要依靠經(jīng)驗(yàn)公式來修正和補(bǔ)充，橋塔對于來流風(fēng)場的干擾以及橋面風(fēng)場風(fēng)洞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏極大地限制了數(shù)值計算的準(zhǔn)確性。少數(shù)特大橋如嘉紹大橋、西堠門大橋進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，以往的風(fēng)洞試驗(yàn)均采用皮托管和補(bǔ)償式微壓計標(biāo)定橋面風(fēng)場，此類儀器在有遮擋處的風(fēng)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?yàn)楣こ瘫尘?，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(fēng)洞試驗(yàn)，研究了特大雙塔桁架斜拉橋在不同風(fēng)偏角下，列車沿不同位置軌道進(jìn)出橋塔影響區(qū)域過程中的氣動參數(shù)(試驗(yàn)?zāi)M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(rèn)識，此次風(fēng)洞試驗(yàn)采用TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀，由于TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀的風(fēng)速參考點(diǎn)置于儀器內(nèi)部，對于橋塔后方的風(fēng)速測量精度相對于皮托管和補(bǔ)償式微壓計要高。此次行車風(fēng)環(huán)境測試試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞(寬22.5m，高4.5m)中完成，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘L(fēng)洞阻塞度僅為2.31%，有效的減小了風(fēng)洞試驗(yàn)的阻塞效應(yīng)。本文以舟岱通道大橋?yàn)楸尘埃瑢ｉT針對特大三塔單箱梁斜拉橋在多種風(fēng)攻角下施工態(tài)及成橋態(tài)的塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境進(jìn)行研究。

1 塔區(qū)橋面風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)

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

圖1 風(fēng)洞試驗(yàn)現(xiàn)場

試驗(yàn)采用的加勁梁和橋塔大比例局部剛性模型模擬實(shí)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(fēng)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(fēng)速。本次實(shí)驗(yàn)分別測試了在有防撞欄桿。無防撞欄桿2種不同情況，風(fēng)速為8m/s，風(fēng)偏角為0°，風(fēng)攻角依次為+3°，+5°，0°，-3°，-5°下的橋面風(fēng)場。

橋面風(fēng)環(huán)境試驗(yàn)的測量儀器采用TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀，在試驗(yàn)中保持風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室風(fēng)機(jī)穩(wěn)轉(zhuǎn)速情況下，通過挪動TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀在橋面上的位置，測出塔區(qū)橋面各測點(diǎn)不同高度處的風(fēng)速。測點(diǎn)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(shè)有6×8=48個測點(diǎn)。編號和對應(yīng)的實(shí)橋坐標(biāo)位置分別為：

圖4 測點(diǎn)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(diǎn)上測量風(fēng)速剖面，共設(shè)8個點(diǎn)，高度范圍從0.96～7.68m，高度坐標(biāo)分別為：0.96m，1.92m，2.88m，3.84m，4.8m，5.76m，6.72m，7.68m。

試驗(yàn)中每個工況中各點(diǎn)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(fēng)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(fēng)速；U(Z)表示橋面不同高度處的側(cè)向來流風(fēng)速。

2 不同風(fēng)攻角下塔區(qū)風(fēng)速分布

在均勻來流風(fēng)速為8m/s、0°風(fēng)偏角下，討論不同風(fēng)攻角下塔區(qū)風(fēng)速分布的變化，以及防撞欄桿對塔區(qū)風(fēng)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(fēng)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(fēng)速的抑制效果并沒有完全消失，仍然對來流風(fēng)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(fēng)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(fēng)速始終有明顯的抑制效果。

圖5 0°風(fēng)攻角下距橋面0.96 m高度處風(fēng)速分布

圖6 0°攻角下距橋面1.92 m高處風(fēng)速分布

圖7 0°攻角下距橋面3.84 m高處風(fēng)速分布

圖8 1車道風(fēng)速剖面(有防撞欄桿)

圖9 1車道風(fēng)速剖面(無防撞欄桿)

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

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

圖10 0°風(fēng)攻角1道與6道各測點(diǎn)等效風(fēng)速

圖11 +3°風(fēng)攻角1道與6道各測點(diǎn)等效風(fēng)速

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

圖12 +5°風(fēng)攻角1道與6道各測點(diǎn)等效風(fēng)速

由圖11與圖12可知，正風(fēng)攻角下，主梁本身對于來流風(fēng)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(fēng)側(cè)車道，并且隨著風(fēng)攻角的增大，防撞欄桿對來流風(fēng)速的屏蔽效果越好。

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

圖13 -3°風(fēng)攻角1道與6道各測點(diǎn)等效風(fēng)速

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

圖14 -5°風(fēng)攻角1道與6道各測點(diǎn)等效風(fēng)速

由圖10～圖14可知，橋塔塔身對風(fēng)速有極強(qiáng)的屏蔽作用，橋塔后的風(fēng)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(fēng)速急劇上升在距離橋塔中心30m(3.3倍橋塔寬度)附近處達(dá)到峰值為來流風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)側(cè)車道，風(fēng)攻角的改變對于塔區(qū)風(fēng)速變化幾乎沒有影響。在背風(fēng)側(cè)車道，風(fēng)攻角的影響主要體現(xiàn)在，正風(fēng)攻角下橋塔附近風(fēng)速達(dá)到最大值的位置相對于負(fù)風(fēng)攻角和0°風(fēng)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(fēng)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(fēng)速，通過計算對來流風(fēng)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(diǎn)與G點(diǎn)已遠(yuǎn)離橋塔對風(fēng)場影響范圍，在這里引用等效平均風(fēng)速來描述橋面風(fēng)速，設(shè)1、6車道等效平均風(fēng)速如式(2)所示：

(2)

各種措施下的降低風(fēng)速效果用風(fēng)速變化率來考慮。風(fēng)速變化率定義為當(dāng)前工況的等效平均風(fēng)速減去同樣攻角無防撞欄桿工況的等效平均風(fēng)速之后再除以后者。負(fù)值代表了風(fēng)速絕對值的降低，而正值則代表了風(fēng)速絕對值得增大(表1)。

表1 等效平均風(fēng)速變化率

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

當(dāng)風(fēng)攻角為負(fù)時，防撞欄桿對來流風(fēng)速的屏蔽效果明顯降低，幾乎沒有屏蔽效果。

3 風(fēng)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(fēng)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(dāng)車輛通過塔區(qū)時，要承受兩次風(fēng)荷載的劇烈增減變化，使得風(fēng)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(xué)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(jìn)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(fēng)力矩；Fw為迎風(fēng)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(xué)委員會發(fā)布的J1594標(biāo)準(zhǔn)[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(fēng)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(dāng)車輛通過風(fēng)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(xué)模型[25]，風(fēng)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(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，側(cè)向角速度通過式(3)進(jìn)行計算，式中θ的初值為0，結(jié)合風(fēng)洞試驗(yàn)所測得塔區(qū)橋面風(fēng)速，進(jìn)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(zhǔn)則就是車輛的側(cè)偏位移量。根據(jù)Baker[32-34]的文獻(xiàn)講述中，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速小于15m/s時，駕駛控制頻率取為1Hz，當(dāng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速大于15m/s時，因高風(fēng)速本身就會提醒駕駛者注意減速行駛和注意側(cè)風(fēng)的影響，因此取駕駛控制頻率為2Hz。因?yàn)樗嬎愕膫?cè)風(fēng)風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(fēng)側(cè)1車道為例進(jìn)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(fēng)速即5級風(fēng)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(fēng)速即7級級風(fēng)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(fēng)速下限制車速均能超過120km/h能達(dá)到正常通車要求。綜上所述，需要在塔區(qū)安裝風(fēng)障等構(gòu)件用以屏蔽來流風(fēng)速，否則塔區(qū)部分不能達(dá)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(qiáng)的放大作用，而橋塔塔身對風(fēng)速具有近乎完全的屏蔽作用，這樣的風(fēng)速突變將引起塔區(qū)車輛行駛的不安全性。計算表明，當(dāng)塔區(qū)不安裝風(fēng)障等用以屏蔽來流風(fēng)速的構(gòu)件時，塔區(qū)橋面不能達(dá)到正常的通車要求。

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