李　波, 張　劍, 楊慶山(.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京　00044； 2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　000444)

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橋梁風(fēng)障擋風(fēng)性能的試驗(yàn)研究

李波1,2, 張劍1, 楊慶山1,2(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京100044； 2.結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京1000444)

摘要：通過(guò)測(cè)速風(fēng)洞試驗(yàn)，得到了孔隙率、障條寬度對(duì)橋梁風(fēng)障擋風(fēng)性能的影響規(guī)律，并對(duì)橋梁風(fēng)障的模擬方法及其擋風(fēng)性能評(píng)價(jià)參數(shù)進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，風(fēng)障有效擋風(fēng)高度約為2.0H(H為風(fēng)障高度)，在1.0H范圍內(nèi)，風(fēng)速降低較多，在1.0H高度處，流場(chǎng)湍流度達(dá)到最大。孔隙率對(duì)風(fēng)障擋風(fēng)性能影響較大，隨著孔隙率的增大，風(fēng)障下游風(fēng)速增大，湍流度減小。障條寬度對(duì)風(fēng)障擋風(fēng)性能影響較小，相同孔隙率時(shí)，障條寬度對(duì)風(fēng)障下游湍流度的影響可以忽略。按壓力等效定義的風(fēng)速折減系數(shù)較好反映了風(fēng)速的變化規(guī)律，能夠來(lái)用定量評(píng)價(jià)風(fēng)障的擋風(fēng)效果。

關(guān)鍵詞：風(fēng)障；擋風(fēng)；橋梁；風(fēng)洞試驗(yàn)；孔隙率；障條寬度

橋梁是現(xiàn)代交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的重要組成部分，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展中占有極其重要的地位[1]。風(fēng)是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要控制性載荷，由于抗風(fēng)設(shè)計(jì)不合理風(fēng)致橋梁破壞事故屢見(jiàn)不鮮；另一方面，因高風(fēng)速而禁止車輛通行更是影響橋梁運(yùn)營(yíng)的瓶頸問(wèn)題，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[2-4]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的不懈努力，橋梁風(fēng)致振動(dòng)理論已經(jīng)逐步完善起來(lái)，千米跨度范圍內(nèi)的各類橋梁均有較為成熟的措施用來(lái)保證橋梁的抗風(fēng)性能。因此，改善橋梁(特別是大跨橋梁)的使用功能越來(lái)越受到研究者和設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。

橋梁風(fēng)障是設(shè)置于橋梁兩側(cè)，用于降低風(fēng)速、防止車輛側(cè)翻，保證車輛在側(cè)風(fēng)作用下行車安全的橋梁附屬結(jié)構(gòu)。通過(guò)加設(shè)風(fēng)障能夠降低橋面風(fēng)速、增加橋面行車舒適性、是改善橋梁使用功能的一種主要手段。一般情況，橋梁大多采用“鋼立柱+障條”的條式風(fēng)障(見(jiàn)圖1)，其中，立柱起支撐作用，障條起擋風(fēng)作用，通過(guò)調(diào)節(jié)障條的寬度、間距以及數(shù)量控制風(fēng)障的擋風(fēng)效果。英國(guó)賽文橋、香港青馬大橋、中國(guó)杭州灣大橋均是通過(guò)風(fēng)障提高橋梁運(yùn)行效率的成功案例[5- 7]。

圖1　橋梁風(fēng)障Fig.1 Wind barrieron the bridge

由于橋梁的安全是關(guān)注的焦點(diǎn)，已有研究往往是針對(duì)某個(gè)實(shí)際工程，采用數(shù)值模擬的方法分析風(fēng)障的擋風(fēng)性能，并未就橋梁風(fēng)障的模擬方法及其對(duì)下游流場(chǎng)的影響進(jìn)行專門研究[8-9]?；谏鲜銮闆r，本文將采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行研究，為進(jìn)一步研究風(fēng)障遮擋下的列車氣動(dòng)力特征提供參考。

1試驗(yàn)介紹

1.1試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試方法

本次試驗(yàn)在北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高速試驗(yàn)段完成，該風(fēng)洞(見(jiàn)圖2)為雙試驗(yàn)段回流式閉口風(fēng)洞，風(fēng)洞洞體平面尺寸為41.0 m×18.8 m，其中，高速試驗(yàn)段尺寸為：3.0 m×2.0 m×15.0 m，低速試驗(yàn)段尺寸為：5.2 m×2.5 m×14.0 m。經(jīng)第三方校核，風(fēng)洞風(fēng)場(chǎng)品質(zhì)優(yōu)秀。

圖2　北京交通大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室Fig.2 Wind tunnel laboratory in Beijing Jiaotong University

選取實(shí)際工程中最常采用的雙向八車道、箱型主梁大跨度橋梁為研究對(duì)象(見(jiàn)圖3)，制作用于橋梁風(fēng)障擋風(fēng)性能研究的橋梁剛性節(jié)段模型，該模型與實(shí)際橋梁保持幾何相似，幾何縮尺比1∶75，模型參數(shù)如表1所示。模型制作完成后，通過(guò)連接件將模型固定到風(fēng)洞高速試驗(yàn)段的外支架上，確保在試驗(yàn)過(guò)程中模型不發(fā)生振動(dòng)[10-12]。安裝完畢后，橋梁截?cái)嗄Ｐ臀挥陲L(fēng)洞橫截面中間，有效避免了風(fēng)洞底板邊界層的影響。

圖3　橋梁主梁斷面(mm)Fig.3 Cross section of bridge girder(mm)

為了方便測(cè)得橋面風(fēng)場(chǎng)，采用間距為20 mm的鋼針制作排管(頂部?jī)膳砰g距分別增大至40 mm和60 mm)。試驗(yàn)中將鋼針與電子掃描閥相連，測(cè)得測(cè)點(diǎn)處動(dòng)壓，然后通過(guò)風(fēng)速與風(fēng)壓的關(guān)系轉(zhuǎn)化得到測(cè)點(diǎn)處的風(fēng)速。為了驗(yàn)證排管的測(cè)量精度，在正式試驗(yàn)前，將排管安裝在風(fēng)洞地面上，測(cè)得風(fēng)速沿高度分布，同時(shí)，通過(guò)皮托管測(cè)得相同高度處來(lái)流的風(fēng)速值，兩種方法測(cè)得的風(fēng)速如表1所示。可以看出兩種方法測(cè)量得到的風(fēng)速誤差小于3%，這說(shuō)明排管能夠用于橋面風(fēng)場(chǎng)的測(cè)量。

表1　風(fēng)速測(cè)量結(jié)果

1.2試驗(yàn)工況與風(fēng)障參數(shù)

風(fēng)障高度雖然是影響其擋風(fēng)效能的主要參數(shù)，但在實(shí)際工程中，風(fēng)障高度一般是固定的。因此，本次試驗(yàn)中風(fēng)障高度均3 m，主要研究風(fēng)障孔隙率、所用障條寬度對(duì)其擋風(fēng)性能的影響，試驗(yàn)工況及障條參數(shù)如表2所示。

表2　風(fēng)障參數(shù)

為了準(zhǔn)確模擬開(kāi)孔類物質(zhì)的氣動(dòng)性能，除滿足幾何相似外，其縮尺模型與原型還需滿足下面準(zhǔn)則[13]：

1) 孔隙率ε相同

2) 板厚t與等效水力直徑Dh之比相同

其中，氣流流經(jīng)障條式風(fēng)障可近似為無(wú)限寬(寬度?高度)的平行板間流動(dòng)，其等效水力直徑Dh取為2倍的板間距[14]。因此，為了滿足上述準(zhǔn)則需要選擇合適的障條板厚度。根據(jù)試算，本次試驗(yàn)所用障條板厚取為1.3 mm，試驗(yàn)用風(fēng)障如圖4所示。

圖4　風(fēng)障模型圖Fig.4 Wind barrier model

1.3有效性驗(yàn)證

Maruyama[15]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)防風(fēng)柵下游風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了研究，其中，所用到的試驗(yàn)裝置如圖5所示。該試驗(yàn)通過(guò)架空平臺(tái)避免風(fēng)洞底板邊界層的影響，和本文采用的外支架抬高模型作用相同。

采用相同裝置，圖6給出了本文得到的60%孔隙率的風(fēng)障下，距離風(fēng)障3H處的平均風(fēng)速剖面與Maruyama 測(cè)得的相同工況對(duì)比結(jié)果，圖中，H表示風(fēng)障高度，h表示測(cè)點(diǎn)距橋面高度，U表示來(lái)流平均風(fēng)速，u表示測(cè)點(diǎn)處平均風(fēng)速?？梢钥闯?，兩者測(cè)量得到的無(wú)量綱風(fēng)速比沿高度分布基本相同。

圖5　風(fēng)洞試驗(yàn)中的風(fēng)障Fig.5 Arrangement of a wind breaks in wind tunnel

圖6　風(fēng)速比分布對(duì)比Fig.6 Comparison of distribution of ratio of wind velocity

2風(fēng)障孔隙率的影響

本次風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試了障條寬度為300 mm，孔隙率分別為0%、40%、50%、60%、100%(即無(wú)風(fēng)障)時(shí)，橋面風(fēng)場(chǎng)的分布，根據(jù)風(fēng)障下游平均風(fēng)速的分布，說(shuō)明風(fēng)障孔隙率對(duì)其擋風(fēng)性能的影響。

圖7給出了第三車道無(wú)量綱風(fēng)速比沿高度的分布?？梢钥闯?，不同孔隙率的風(fēng)障都能起到一定的擋風(fēng)作用。全封閉風(fēng)障(孔隙率0%)對(duì)風(fēng)速的遮擋影響高度最大，達(dá)到3H；設(shè)置一定孔隙率(40%～60%)后，風(fēng)障對(duì)風(fēng)速的影響高度降至2H。值得注意的是，當(dāng)風(fēng)障為全封閉時(shí)，在1.5H高度范圍內(nèi)，風(fēng)速很小，且隨著高度的增加，風(fēng)速基本保持不變。但在該高度以上，風(fēng)速隨高度的增加而急劇增加，在3H高度處，風(fēng)速增大至1.08U，相對(duì)于無(wú)風(fēng)障狀態(tài)，風(fēng)速有所增大。

圖7　風(fēng)速比分布Fig.7 Distribution of ratio of wind velocity

參照轎車、中型卡車、集裝箱車三種典型車輛的高度，分別取1H、1.5H、2H處的風(fēng)速比，觀察其在50%孔隙率的風(fēng)障下風(fēng)速沿車道橫向分布，如圖8所示。圖中，縱軸表示相對(duì)風(fēng)速，橫軸x表示測(cè)點(diǎn)與風(fēng)障的橫向距離。

圖8　風(fēng)速比沿車道分布Fig.8 Distribution of relative wind velocity along the lane

可以看出，隨著高度的增大，各個(gè)車道的風(fēng)速也是逐漸增大的。在距離橋面2H處，風(fēng)速沿縱向變化較小，且在下游車道處的風(fēng)速基本接近來(lái)流風(fēng)速，這說(shuō)明，此時(shí)風(fēng)速基本已不受風(fēng)障的影響。不同高度處，風(fēng)速沿橋面都是先降低后逐漸增大，風(fēng)速在第五車道處達(dá)到了最小值。對(duì)于三類車輛而言，50%孔隙率的風(fēng)障對(duì)轎車的擋風(fēng)效果最好，且在第五車道處風(fēng)速能夠達(dá)到最小。

圖9給出了不同高度處，8個(gè)車道最大風(fēng)速比分布圖?？梢钥闯觯瑢?duì)全橋而言，不同孔隙率風(fēng)障的有效遮擋高度均為H，在該區(qū)域內(nèi)，全封閉風(fēng)障風(fēng)速比能下降至0.25U，隨著孔隙率的增加，有效遮擋區(qū)域內(nèi)的風(fēng)速逐漸增加。當(dāng)孔隙率達(dá)到60%時(shí)，風(fēng)速比增至0.82U。

圖9　風(fēng)速比極值分布Fig.9 Distribution of the maximum of relative wind velocity

根據(jù)實(shí)際風(fēng)速剖面可以計(jì)算出相應(yīng)的等效風(fēng)速，其計(jì)算原理是將實(shí)際風(fēng)剖面等效為矩形，等效原則為實(shí)際風(fēng)剖面和矩形風(fēng)剖面的壓力總和相等。定義無(wú)量綱化后的矩形等效風(fēng)速為風(fēng)速折減系數(shù)，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中，r為風(fēng)速折減系數(shù)，hr表示所選風(fēng)剖面高度，本文取3.0H，u(h)表示高度h處測(cè)得的風(fēng)速。

表3給出了在不同孔隙率的風(fēng)障遮擋下，一至五車道的風(fēng)速折減系數(shù)?？梢钥闯觯L(fēng)速折減系數(shù)較好反映了風(fēng)速的變化規(guī)律，能夠定量表示風(fēng)障在不同位置處的擋風(fēng)效果。

表3　風(fēng)速折減系數(shù)分布

圖10給出了第三車道湍流度沿高度的分布?？梢钥闯?，全封閉風(fēng)障(孔隙率0%)對(duì)湍流度的影響高度最大，達(dá)到3H；設(shè)置一定孔隙率(40%～60%)后，湍流度影響高度降至2H，并且，隨著孔隙率的增大，湍流度變小。值得注意的是，不同孔隙的風(fēng)障，湍流度都在1H高度達(dá)到最大。

圖10　湍流度分布Fig.10 Distribution of Turbulence Intensity

圖11給出了不同高度處，8個(gè)車道最大湍流度分布圖?？梢钥闯?，對(duì)全橋而言，湍流度也是在1H高度處達(dá)到最大。同樣高度處，湍流度大致隨著孔隙率的增大而減小。

圖11　湍流度極值分布Fig.11 Distribution of the maximum of turbulence intensity

3風(fēng)障障條寬度的影響

圖12給出了風(fēng)障孔隙率為50%，不同障條寬度時(shí)，第三車道無(wú)量綱風(fēng)速比沿高度的分布。

可以看出，風(fēng)速在1H高度范圍內(nèi)有一定差異，但在該高度以上，各工況時(shí)測(cè)得的風(fēng)速基本相同。這說(shuō)明，相同孔隙率時(shí)，障條寬度對(duì)風(fēng)障擋風(fēng)效率的影響不大。

圖12　風(fēng)速比分布Fig.12 Distribution of ratio of wind velocity

圖13給出了在不同障條寬度時(shí)，第三車道湍流度沿高度的分布。

圖13　湍流度分布Fig.13 Distribution of turbulence intensity

可以看出，孔隙率相同時(shí)，僅在1H高度處，障條寬度對(duì)湍流度有一定影響，其它位置處，障條寬度對(duì)湍流度的影響也不大。這說(shuō)明，相同孔隙率時(shí)，障條寬度對(duì)風(fēng)障下游湍流度的影響可以忽略。

4結(jié)論

本文通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)障孔隙率以及障條寬度對(duì)橋面風(fēng)速、湍流度的影響。主要結(jié)論如下：

(1) 在風(fēng)洞模擬風(fēng)障的擋風(fēng)性能時(shí)，除幾何尺度相似外，風(fēng)障的孔隙率、厚度也要按要求進(jìn)行相似比設(shè)計(jì)。

(2) 孔隙率對(duì)橋梁風(fēng)障的擋風(fēng)性能影響較大，障條寬度影響較小。隨著孔隙率的增大，風(fēng)障下游風(fēng)速增大，湍流度減小。

(3) 風(fēng)障有效擋風(fēng)高度約為2.0H(H為風(fēng)障高度)，在1.0H范圍內(nèi)，風(fēng)速降低較多，但在1.0H高度處，流場(chǎng)湍流度達(dá)到最大。

(4) 按壓力等效定義的風(fēng)速折減系數(shù)能夠用來(lái)定量評(píng)價(jià)風(fēng)障的擋風(fēng)效果。

參 考 文 獻(xiàn)

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Experimental study on windbreak performance of wind barriers on bridge

LIBo1,2,ZHANGJian1,YANGQing-shan1,2(1.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China; 2.Beijing’s Key Laboratory of Structural Wind Engineering and Urban Wind Environment, Beijing 100044, China)

Abstract:Wind tunnel velocity tests have been carried out to investigate the windbreak performance of wind barriers on bridges considering different barrier porosities and widths, the wind barrier wind tunnel simulation method and evaluation parameter of windbreak performances are discussed in the paper.Test results show that the shielding region of wind barriers is about 2.0H (H is the height of wind barrier) and that wind speed decreases significantly when the height is below 1.0H.The turbulence intensity of the downstream flow on the wind barrier reaches the maximum at a height of 1.0H.Windbreak performance depends on porosity of wind barrier, wind speed will rise and turbulence intensity decreases with increasing porosity.Barrier width seems to have no relationship with windbreak performance; when porosity is the same, the effect of barrier width can be ignored.The wind speed reduction coefficient can be used to evaluate windbreak performance, which is defined by pressure equivalence.

Key words:wind barrier; windbreak; bridge; wind tunnel test; porosity; width of barrier

中圖分類號(hào):TU973.212

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.08.013

收稿日期：2015-09-29修改稿收到日期：2015-11-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51378060);高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃(B13002)

第一作者 李波 男，博士，副教授，1978年生

E-mail：libo_77@163.com