CN103577652B - 跨海大桥风屏障设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种跨海大桥风屏障设计方法。它通过风洞试验和数值风洞相结合分别建立有、无风屏障时的桥面风速场模型，不断改变桥面风速场模型中模拟的风屏障的高度及透风率，计算桥面等效风速与风速折减系数与典型车型的行车安全风速相比较，为安全时的风屏障的高度及透风率即为所需设计的风屏障的高度及透风率。本发明在设计跨海大桥的风屏障时，不仅考虑常规的因素，而且提出考虑多风向和多桥型的影响，同时，采用风洞试验和数值风洞相结合的手段确定桥面风速场，得出风屏障的高度及透风率两个参数，进而设计风屏障，这样设计出的风屏障更合理，更经济，能够切实地满足工程要求，有力保障行车安全。
Description
技术领域
本发明属于结构工程技术领域，具体涉及一种跨海大桥风屏障设计方法。
背景技术
随着科学技术的发展，为促进海峡经济建设，能够提供便捷交通走廊的跨海大桥，已在我国和世界各地得到迅猛的发展，为了避开深水基础和满足大型船舶的通航要求，大跨度桥梁结构与海上长桥的结合将成为跨海工程实施方案的有力竞争者，然而跨海桥梁所处的特殊自然风环境往往会对超大跨度桥梁的行车安全造成极为不利的影响。
汽车在行驶过程中如果受到侧风的作用，可能发生侧滑、侧倾等安全问题，影响车辆的安全行驶。尤其在超大型桥上行驶的汽车，由于桥面高程、结构扰流加速等因素，使得风对汽车安全行驶的影响问题变得尤为突出。风对行车安全的影响还表现在风致事故造成长时间的交通阻塞。
风屏障是解决桥面行车安全和舒适性问题的主要手段，尤其是在强侧风作用下，风屏障可有效保证轻型车辆行驶的安全性。决定桥梁工程中是否采用风屏障是个复杂的课题，它要求考虑自然风条件，车辆气动性能、桥梁结构抗风稳定性，以及交通工程管理等综合因素，其中有些因素可能相互冲突。目前国内采用的跨海大桥风屏障设计技术主要考虑风速、风向等常规因素的影响，对多风向多桥型的综合研究不够深入，难以做到切合实际的经济合理，
综上所述，风屏障对车辆行车安全的影响进行研究具有非常重要的意义，如何设计风屏障考虑多种因素是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种考虑多风向影响的合理设计多桥型的试验与数值风洞相结合的跨海大桥风屏障设计方法。
本发明采用的技术方案是：一种跨海大桥风屏障设计方法，包括以下步骤：
（1）、通过风洞试验和数值风洞分别建立有、无风屏障时的桥面风速场模型，分析桥面风速场，二者相互结合、验证、比较，同时不断改变桥面风速场模型中模拟的风屏障的高度及透风率；
（2）、计算车辆通过桥面风速场模型时的桥面等效风速与风速折减系数，并与典型车型的行车安全风速相比较；
（3）、在计算车辆通过桥面风速场模型时的桥面等效风速与风速折减系数的同时，记录桥面风速场模型中模拟风屏障的高度及透风率；
（4）、通过计算的车辆通过桥面风速场模型的桥面等效风速与风速折减系数与典型车型的行车安全风速相比较，判断模拟有风屏障的桥面风速场模型是否安全；
（5）、若步骤（4）中判断模拟有风屏障的桥面风速场模型是安全的，则此时模拟的风屏障的高度及透风率即为所需设计的风屏障的高度及透风率；否则重复步骤（1）-（4）；
（6）、根据模拟得到的风屏障的高度及透风率设计出合格的风屏障。
进一步地，所述步骤（1）中通过风洞试验和数值风洞相结合建立的桥面风速场模型中的参数包括不同车型、不同路面、不同载重、不同桥型以及他们的任意组合。
进一步地，所述步骤（2）中的等效风速计算公式为：或是
其中：V(z)和V(zi)分别为桥面高度z和zi处的侧向来流风速；Ze为汽车的高度范围；n为沿汽车高度测点数量。
更进一步地，所述步骤（2）中风速折减系数为桥面的等效风速与实际侧向来流风速的比值。
本发明在设计跨海大桥的风屏障时，不仅考虑常规的因素，而且提出考虑多风向和多桥型的影响，同时，采用风洞试验和数值风洞相结合的手段确定桥面风速场，得出风屏障的高度及透风率两个参数，进而设计风屏障，这样设计出的风屏障更合理，更经济，能够切实地满足工程要求，有力保障行车安全。
附图说明
图1为本发明的风屏障参数设计示意图。
图2为典型桥段I的计算模型主体图
图3为典型桥段II的计算模型主体图
图4为微型客车空载、车辆限速100km/h时在不同风向角下的桥面行车安全风速示意图。
图5为微型客车空载、车辆限速80km/h时在不同风向角下的桥面行车安全风速示意图。
图6为微型客车空载、车辆限速60km/h时在不同风向角下的桥面行车安全风速示意图。
图7为来流风方向与折减系数的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明的跨海大桥风屏障设计方法主要是设计风屏障的高度及透风率这两个参数，确定风屏障的这两个参数则是通过风洞试验和数值风洞相结合来确定。
采用风洞试验将跨海大桥模型固定在风洞中，建立有、无风屏障时的桥面风速场模型，模拟桥面环境，分析桥面风速场。同时在计算机上采用数值风洞建立有、无风屏障时的桥面风速场三维数值模型，分析桥面风速场，将风洞试验与数值风洞的模拟结果相对比，结果较为接近说明两者都考虑了影响风环境的主要因素，并且说明跨海大桥的各个桥段处于较为相同的环境。不同角度来流风造成的不同桥面风环境由试验获得的规律，在三维数值模拟中加以利用
模拟桥面环境时，考虑各种因素的影响，在桥面风速场模型中设置各种车型在不同路面、不同载重、不同桥型处的参数，将各参数结合，然后不断改变桥面风速场模型中模拟的风屏障的高度及透风率，计算出不同参数下的模型中车辆通过桥面风速场模型时的桥面等效风速与风速折减系数，同时记录对应的桥面风速场模型中模拟风屏障的高度及透风率，将计算出的等效风速与风速折减系数同典型车型的行车安全风速相比较。直到某一等效风速与风速折减系数在行车安全风速范围内，则在该参数下模拟有风屏障的桥面风速场模型对应到实际情况中是安全的，此时模拟的风屏障的高度及透风率即为所需设计的风屏障的高度及透风率，最后根据模拟得到的风屏障的高度及透风率设计出合格的风屏障。
具体步骤、实施方法如下所述：
第一步：根据桥梁特征确定典型桥段建立风洞试验和数值风洞模型，分析桥面风速场，并分析不同规格风屏障的桥面风速场。建立模型的工况包括典型桥面无风屏障和设置风屏障。因此，确定的典型桥段Ⅰ和典型桥段Ⅱ分别如图2、图3所示。风屏障的高度选用了两种，即3m、4m高。每种高度的风障又有三种透风率，即50%，60%，70%三种情况。这样，风屏障的规格有六种。
第二步：确定典型车型，分析不同车型在不同风向角下的安全行驶风速。根据第一步建立好的典型桥段的数值风洞和风洞试验模型，分析和测试桥面的等效风速和风速折减系数，并与典型车型的行车安全风速相比较。
借鉴我国主要高速公路干道上的车辆交通状况调查结果，并根据车辆的外形尺寸、质量以及气动特性特点等，确定代表性的车型分为以下四种：轿车、微型客车（或小型面包车）、中型载重货车（或中型客车）、大型集装箱拖车，代表车型为丰田皇冠轿车、长安之星、曼牌货车和Baker拖车。根据典型车辆的气动力系数和桥面参数分析，获得不同风向与车身之间夹角下的侧倾和侧滑临界风速以及侧偏临界风速之后，从中选择最小的临界风速，即可得到桥面行车安全风速，见表1。
以微型客车为例，图4-6所示的是轿车空载时在不同风向角下的不同限速情况下的车辆安全行驶风速。从图中看出，最低的行车安全风速在60度到80度，并不是我们经常认为的来流风垂直于桥面时，因此，桥面设置风屏障要考虑来流风角度的影响，而不能采用来流风垂直于桥面时的设置风屏障的减风系数，这样设计风屏障是偏于不安全。
表1在不同路面状态下的跨海大桥桥面行车安全风速(m/s)
建立好的典型桥段模型，采用数值风洞建立典型桥段Ⅰ和Ⅱ的三维有限元模型，根据等效风速计算公式：或是可计算获得桥面的等效风速，进一步得到风速折减系数，式中V(z)和V(zi)分别为桥面高度z和zi处的侧向来流风速；Ze为汽车的高度范围；n为沿汽车高度测点数量。
在只有护栏的情况下，来流风速为30m/s时，典型桥段I和II各车道的等效风速和折减系数如表2和表3所示。
表2只有护栏时的典型桥段I的等效风速与折减系数
| 1m | 2m | 3m | 4m | 4.5m | 5m | 等效风速 | 折减系数 | |
| 1车道 | 28.5 | 37 | 38 | 38 | 38.2 | 38 | 35.8976 | 1.1966 |
| 2车道 | 28 | 36 | 37.5 | 37.5 | 37.5 | 37.5 | 35.2629 | 1.1754 |
| 3车道 | 27.5 | 35 | 37 | 37 | 37 | 37 | 34.6530 | 1.1551 |
| 4车道 | 20.5 | 36 | 37.5 | 37.5 | 37.8 | 37.5 | 34.1343 | 1.1378 |
| 5车道 | 23.5 | 36 | 37.5 | 38 | 38.4 | 38 | 34.7556 | 1.1585 |
| 6车道 | 25 | 35 | 36.5 | 37 | 37.3 | 37 | 34.1464 | 1.1382 |
表3只有护栏的典型桥段II的等效风速与折减系数
| 1m | 2m | 3m | 4m | 4.5m | 5m | 等效风速 | 折减系数 | |
| 1车道 | 5 | 3.5 | 26 | 43 | 45 | 43 | 28.1849 | 0.9395 |
| 2车道 | 6 | 5 | 9 | 35 | 46.3 | 44 | 23.2802 | 0.7760 |
| 3车道 | 7.5 | 7.5 | 7 | 16 | 36.8 | 43 | 15.5964 | 0.5199 |
| 4车道 | 10 | 7.5 | 8 | 22.5 | 32.1 | 39 | 16.6113 | 0.5537 |
| 5车道 | 13 | 10 | 12.5 | 28 | 36.4 | 40 | 20.3946 | 0.6798 |
| 6车道 | 15.5 | 10 | 21.5 | 33 | 36.9 | 40 | 23.9086 | 0.7970 |
风洞试验中，在典型桥段II只有护栏的情况下，来流风速为6.8m/s时，各车道的等效风速和折减系数如表4所示。
表4只有护栏的标准段的等效风速与折减系数
| 5m | 4.5m | 4m | 3m | 2m | 1m | 等效风速 | 折减系数 | |
| 1车道 | 7.1934 | 7.3170 | 7.1885 | 7.7434 | 6.2113 | 3.3276 | 6.4646 | 0.9507 |
| 2车道 | 7.0088 | 6.5796 | 6.8725 | 6.8851 | 4.6024 | 2.4365 | 5.6451 | 0.8302 |
| 3车道 | 7.3184 | 7.3307 | 7.1620 | 7.1736 | 5.3745 | 4.9770 | 6.3819 | 0.9385 |
| 4车道 | 7.0508 | 7.1303 | 6.6642 | 5.7931 | 5.7848 | 4.7114 | 5.9452 | 0.8743 |
| 5车道 | 6.8133 | 6.617 | 6.3443 | 6.1459 | 4.8776 | 4.7679 | 5.7046 | 0.8389 |
| 6车道 | 7.0084 | 6.923 | 6.7569 | 6.8857 | 5.4022 | 5.9125 | 6.3452 | 0.9331 |
三维数值风场模拟的折减系数与风洞试验的折减系数比较相近，说明三维数值风场的模拟结果是合理的，已经将影响风场的主要因素均考虑在内，用其来分析桥面风场基本上是偏于安全的。
根据风洞试验和数值风洞确定的只有护栏情况下的桥面风速折减系数，分析了各典型车型的安全行驶风速，换算成当地气象站风级，根据桥址处每年的大风天数来看，在限速为60km/h的情况下，微型客车类型一年将有小于300天不能上桥，中轻型车类型一年将有小于180天不能上桥，集装箱拖车类型一年将有大约180天不能上桥，轿车类型一年有小于90天不能上桥。如果不设置风屏障，将会大大降低该桥梁的使用率。因此，必须在跨海大桥桥面设置风屏障。
第三步：分析桥面设置不同规格风屏障时，即不同高度和不同透风率的风屏障时各典型桥段的风速折减系数。比如比较典型桥段I和II在数值风洞分析中风向角90度时各车道的减风系数在只有护栏、设置3m高50%透风率、3m高70%透风率和4m高50%透风率，或是比较典型桥段II在风洞实验中风向角90度时各车道的减风系数在只有护栏、设置3m高50%透风率、3m高60%透风率、3m高70%透风率和4m高50%透风率。
第四步：计算当设置风屏障时，桥面风速场模型的桥面等效风速和风速折减系数与典型车型的行车安全风速相比较，判断设置此规格风屏障能否满足各典型车辆安全行驶。
据第二步分析，当来流风向与桥面角度成70度时，车辆行驶的安全风速基本上是最低的，因此，首先选择风向角为70度时作为最不利风向角来分析在各种规格的风屏障下的车辆安全行驶风级，以确定满足工程要求的风屏障。然后，再验算设置已选择的风屏障时，在其他风向下的车辆安全行驶风级。最后，综合以上分析，确定在典型桥段II设置风屏障的规格。
当来流风向与桥面角度成70度时，各典型车型的无风障桥面安全风速如表5所示。
表5不同车型和不同限速下的安全风速
（a）工况一：风屏障高度3m，透风率50%。
通过分析，结合桥面风场的数值模拟和风洞试验的结果，在此工况下风速折减系数为0.6077，各典型车型在桥面处不同限速下的安全行驶风速如表6所示。
表6不同车型和限速下的安全风速（桥面处的来流风速）
（b）工况二：风屏障高度3m，透风率60%
此工况风速折减系数为0.6159，典型车不同限速下的安全风速如表7所示。
表7不同车型和限速下的安全风速（桥面处的来流风速）
（c）工况三：风屏障高度3m，透风率70%
通过分析，结合桥面风场的数值模拟和风洞试验的结果，此工况下的风速折减系数为0.6701，各典型车型在桥面高度处的不同限速下的安全风速如下表8所示。
表8不同车型和限速下的安全风速（桥面处的来流风速）
（d）工况四：风屏障高度4m，透风率50%
结合桥面风场的数值模拟和风洞试验的结果，在此工况下的风速折减系数为0.4675，各典型车型在桥面高度处的不同限速下的安全风速如下表9所示。
表9不同车型和限速下的安全风速（桥面处的来流风速）
（e）工况五：风屏障高度4m，透风率60%
分析桥面风场的数值模拟和风洞试验的结果，此工况下的风速折减系数为0.5029，各典型车型在桥面高度处的不同限速下的安全风速如下表10所示。
表10不同车型和限速下的安全风速（桥面处的来流风速）
（f）工况六：风屏障高度4m，透风率70%
通过分析桥面风场的数值模拟和风洞试验的结果，得到此工况的风速折减系数为0.5807，各典型车型在桥面高度处的不同限速下的安全风速如下表11所示。
表11不同车型和限速下的安全风速（桥面处的来流风速）
针对此桥段，根据以上分析，可以得到各种典型车辆在设置了3m高50%、60%及70%透风率风屏障、和4m高50%、60%与70%透风率风屏障等工况下的安全风速。综合考虑桥梁安全以及跨海大桥其他典型桥段设置风屏障的情况，这里建议，在此桥段上设置3m高50%透风率的风屏障，这样较为经济并具有较好的车辆通行效果。因此，其他不同风向角度下分析车辆安全行驶风速仅考虑设置3m高50%透风率风屏障的工况，验证在设置该规格风屏障时是否满足车辆安全通行。若分析了所有来流风的风向角后，都能满足车辆安全行驶，则确定在典型桥段II设置3m高50%透风率风屏障。其他典型桥段分析过程相同。
对于不同的来流风向，设置相同规格的风屏障的风速折减系数不同，以典型桥段II为例，设置3m高50%透风率风屏障的风速折减系数与来流风向角的关系如图7所示。从图中可以看出，风速折减系数和来流风向有很大的关系。因此，有可能造成在90度时，设置风屏障的风速折减系数可以使得车辆的安全行驶风速达到工程要求，但是在其他来流风向角时不能满足车辆安全行驶的要求。
桥面设置风屏障要考虑来流风角度的影响，而不能采用来流风垂直于桥面时的设置风屏障的减风系数，这样设计风屏障是偏于不安全。在不同的来流风下，同时考虑风速折减系数和车辆安全行驶风速这两个因素。为了能够和来流风向为90度的结果做比较，采用本发明提出的风向影响系数的概念。
在设置相同的风屏障时，风向影响系数的定义为：其它来流风向车辆的安全行驶的桥面处来流风速与90度时的安全行驶的桥面出来流风速的比值
式中，S90为以来流风向90度作参照的风向影响系数，Vd是任意来流风向设置了风屏障后车辆安全行驶的桥面处来流风速，V90是来流风向为90度有相同风屏障的车辆安全行驶的桥面处来流风速。这里考虑车辆为空载且湿路面的最不利情况。
表12不同车型和限速下在不同来流风向下的风向影响系数
表12说明，当风向影响系数大于1.0时，表示按照来流风向为90度时设置的风屏障可满足其他来流风向车辆的安全行驶要求；但是当风向影响系数小于1.0时，表示以来流风向为90度分析设计的风屏障不能满足其他来流风向车辆的安全行驶需要。因此，在设置风屏障时，考虑来流风向的影响，也就是考虑来流风向下的车辆安全行驶风速和风速折减系数的共同效应对风障的设计是偏于安全的。
第五步：如果按照第四步能够判断有风屏障的桥面风速场模型是安全的，则此时模拟的风屏障的高度及透风率即为所需设计的风屏障的高度及透风率；否则重复第一步至第四步。
第六步：根据模拟得到的风屏障的高度及透风率设计出合格的风屏障。
依托典型桥段的三维数值模拟和风洞试验的初步结果，按照跨海大桥高速公路桥面的行车安全要求，可以初步确定跨海大桥公路桥面的风屏障高度和透风率。具体的风屏障结构形式主要由风障条和风障立柱二部分构成。风障条和风障立柱均采用Q235B钢，其技术标准应符合GB/T1591-2008《低合金高强度结构钢》的要求。
Claims (4)
1.一种跨海大桥风屏障设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)、通过风洞试验和数值风洞分别建立有、无风屏障时的不同桥型桥面不同风向的风速场模型，分析不同桥型桥面不同风向的风速场，二者相互结合、验证、比较，同时不断改变桥面风速场模型中模拟的风屏障的高度及透风率；
(2)、计算在不同桥型和不同风向下车辆通过桥面风速场模型时的桥面等效风速与风速折减系数，并与典型车型的行车安全风速相比较；
(3)、在计算不同桥型和不同风向下车辆通过桥面风速场模型时的桥面等效风速与风速折减系数的同时，记录桥面风速场模型中模拟风屏障的高度及透风率；
(4)、通过计算的车辆通过桥面风速场模型的桥面等效风速与风速折减系数与典型车型的行车安全风速相比较，判断模拟有风屏障的桥面风速场模型是否安全；
(5)、若步骤(4)中判断模拟有风屏障的桥面风速场模型是安全的，则此时模拟的风屏障的高度及透风率即为所需设计的风屏障的高度及透风率；否则重复步骤(1)-(4)；
(6)、根据模拟得到的风屏障的高度及透风率，比较不同桥型设置了风屏障的结果，给出具有最佳减风效果的桥型建议，并设计出合格的风屏障。
2.根据权利要求1所述的跨海大桥风屏障设计方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过风洞试验和数值风洞相结合建立的桥面风速场模型中的参数包括不同车型、不同路面、不同载重、不同桥型以及他们的任意组合。
3.根据权利要求1所述的跨海大桥风屏障设计方法，其特征在于：所述步骤（2）中的等效风速计算公式为：或是 ，
其中：V(z)和V(zi)分别为桥面高度z和zi处的侧向来流风速；Ze为汽车的高度范围；n为沿汽车高度测点数量。
4.根据权利要求1所述的跨海大桥风屏障设计方法，其特征在于：所述步骤(2)中风速折减系数为桥面的等效风速与实际侧向来流风速的比值。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 多风向影响下的跨海大桥风致行车安全分析;刘晖 等;《地震工程与工程振动》;20110831;第31卷(第4期);论文第1.3-4.2节 * |
Also Published As
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|---|---|
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