既有跨海橋梁增設(shè)風(fēng)障方案分析

■張 杰

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004）

福建省平潭海峽大橋位于福建省東部， 起于福清市小山東半島， 橫跨福清市小山東至平潭島之間的海壇海峽，終點(diǎn)與金井灣大道相接，是平潭島第一座對(duì)外公路交通通道。大橋由雙幅橋組成，其中左幅橋于2010 年11 月建成通車，右幅橋于2014 年6 月建成通車，兩幅橋組成雙向六車道高速公路。

平潭海峽大橋所處的區(qū)域受季風(fēng)和熱帶氣旋影響顯著，為臺(tái)風(fēng)登陸和影響區(qū)，大風(fēng)頻發(fā)，橋址區(qū)100 年重現(xiàn)期設(shè)計(jì)風(fēng)速43.3 m/s， 基于平潭氣象站1971-2012 年間的每日最大10 min 平均風(fēng)速數(shù)據(jù)，并結(jié)合橋位地形風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬結(jié)果，得出了平潭海峽大橋主橋最高橋面位置每日最大10 min 平均風(fēng)速不同分級(jí)的統(tǒng)計(jì)，風(fēng)速大于等于8 級(jí)風(fēng)的天數(shù)達(dá)到33.1 d/年[1]，大風(fēng)對(duì)橋梁運(yùn)營安全的不利影響顯著。 目前大橋沒有專門提高風(fēng)天線路通行安全的結(jié)構(gòu)措施，大橋運(yùn)營期間，當(dāng)橋位風(fēng)速達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，常出現(xiàn)車輛發(fā)飄、行駛偏向等問題，針對(duì)橋面8 級(jí)及以上大風(fēng)時(shí)， 也只能被動(dòng)采用對(duì)通行安全保障效果不佳的限速和封橋措施。 因而，采取設(shè)置于橋面的風(fēng)障結(jié)構(gòu)，從根本上提高大橋風(fēng)天的通行安全，提高跨海通道的運(yùn)營效率，無疑是該橋運(yùn)營管理必須要解決的問題。

本研究以平潭海峽大橋?yàn)橐劳?，研究了大橋橋面風(fēng)速分布規(guī)律、橋面等效風(fēng)速、風(fēng)障實(shí)施效果、主梁斷面的氣動(dòng)力三分力系數(shù)，并對(duì)增設(shè)風(fēng)障后的主橋及引橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，可為同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 工程概況

橋位處海壇海峽海面寬約3.5 km，大橋總長3 510 m，其中主橋采用（100+2×180+100）m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋， 兩側(cè)引橋采用50 m 預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，大橋總體布置見圖1。大橋采用雙幅布置，單幅橋?qū)?7 m，兩幅間凈距25 m，共6 個(gè)車行道和2 個(gè)停車帶，主橋跨中斷面見圖2。

圖1 大橋主橋及部分引橋總體布置圖

圖2 主橋跨中斷面示意圖

主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)速度100 km/h；設(shè)計(jì)荷載公路I 級(jí)；設(shè)計(jì)基本風(fēng)速43.3 m/s，全橋橋面最高點(diǎn)處（高程51 m）換算設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速52.6 m/s。

2 風(fēng)障方案設(shè)計(jì)

風(fēng)障采用與混凝土護(hù)欄相結(jié)合的設(shè)置形式，風(fēng)障鋼立柱錨固于護(hù)欄上，鋼立柱縱橋向間距約1.6 m，豎向設(shè)置4 條風(fēng)障條，風(fēng)障+護(hù)欄總高度3.5 m。 風(fēng)障擋風(fēng)率考慮40%、50%及60% 3 種情況， 綜合考慮風(fēng)障所提供的橋面行車風(fēng)環(huán)境改善效果，與盡可能減少風(fēng)障設(shè)置增加主梁風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的不利影響，通過采用本研究方法分析比較后，推薦采用擋風(fēng)率40%的風(fēng)障結(jié)構(gòu)方案，風(fēng)障布置見圖3、效果圖見圖4。

圖3 風(fēng)障方案示意圖）

圖4 風(fēng)障效果圖

3 橋面風(fēng)環(huán)境分析

已有研究表明，采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)模擬分析橋面風(fēng)環(huán)境的結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果相近，數(shù)值模擬方法是有效的[2]。 因此，采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)對(duì)平潭海峽大橋代表性位置橋面風(fēng)環(huán)境進(jìn)行了研究，提取等效橋面風(fēng)速及其影響系數(shù)等參數(shù)，以分析橋面風(fēng)速分布的規(guī)律。

3.1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分

首先按照設(shè)計(jì)圖紙的結(jié)構(gòu)尺寸圖，建立主梁的幾何模型，然后進(jìn)行空間區(qū)域的網(wǎng)格劃分。 幾何模型主要包括主梁、護(hù)欄、風(fēng)障等構(gòu)件。 平潭大橋主橋共考慮選取4 個(gè)主要典型斷面進(jìn)行風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究，典型斷面縱橋向位置見圖5，斷面網(wǎng)格劃分見圖6。

圖5 典型斷面縱橋向位置示意圖

圖6 網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 計(jì)算方法及邊界條件設(shè)置

主梁周圍流場(chǎng)的數(shù)值模擬是以Navier-Stokes方程（繞流風(fēng)的連續(xù)性方程及動(dòng)量守恒方程）為基本控制方程， 采用離散化的數(shù)值模擬方法求解流場(chǎng)。 在Navier-Stokes 方程求解中，采用基于時(shí)間平均的雷諾均值Navier-Stokes 方程（RANS）模型中使用最廣泛的Realizablek-ε 雙方程湍流模型。

計(jì)算域邊界至梁體邊界的距離參考文獻(xiàn)[3]確定。流體入口邊界條件采用均勻來流10 m/s 的速度進(jìn)口；出口邊界條件為壓力出口；無滑移固壁邊界條件：橋面、風(fēng)障、護(hù)欄等。

3.3 橋面行車高度風(fēng)環(huán)境分析

在計(jì)算區(qū)域設(shè)置一定的入口速度，通過數(shù)值求解可獲得主梁區(qū)域的流場(chǎng)分布，從而可評(píng)估主梁區(qū)域的風(fēng)環(huán)境。 為研究空間風(fēng)速的變化，引入速度系數(shù)變量α 來分析流場(chǎng)，該變量定義為：

上式：α 為速度系數(shù)，vmean為研究空間某點(diǎn)的平均速度，vin為入口風(fēng)速。

通過該系數(shù)的大小就可判斷橋面空間區(qū)域某點(diǎn)的風(fēng)速相對(duì)大小， 系數(shù)越大表示該點(diǎn)風(fēng)速越大，系數(shù)越小表示該點(diǎn)風(fēng)速越小，系數(shù)大于1 表示該點(diǎn)風(fēng)速大于來流風(fēng)速，系數(shù)小于1 表示該點(diǎn)風(fēng)速小于來流風(fēng)速。

橫橋向取各車道中心線橋面以上10 m 范圍為風(fēng)速監(jiān)測(cè)位置，按照風(fēng)速來流方向分別定義為車道1～8，其中上游迎風(fēng)側(cè)車道1～4，下游背風(fēng)側(cè)車道5～8，見圖7。

圖7 車道監(jiān)視位置示意圖

平潭大橋主橋共選取了4 個(gè)斷面進(jìn)行了風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究，以下給出縱橋向位置4 研究結(jié)果。

（1）不設(shè)置風(fēng)障工況下，雙幅橋面周圍流場(chǎng)分布、 各車道風(fēng)剖面及橋面風(fēng)速分布曲線見圖8～10?？芍獌煞鶚虻娘L(fēng)環(huán)境分布規(guī)律有所不同。 對(duì)于迎風(fēng)側(cè)主梁，由于護(hù)欄的阻擋作用，護(hù)欄后的風(fēng)速較低，并在護(hù)欄高度范圍形成回流，但在護(hù)欄高度以上，風(fēng)速迅速增大，車道1 在高度2.3 m 時(shí)風(fēng)速系數(shù)大于1，高度2.8 m 時(shí)風(fēng)速系數(shù)達(dá)到最大值1.28，車道2～4 在3～4 m 高度范圍風(fēng)速系數(shù)分別達(dá)到最大值1.31。 對(duì)于背風(fēng)側(cè)主梁，由于迎風(fēng)側(cè)主梁及護(hù)欄的阻攔，車道5～8 風(fēng)速系數(shù)均小于1。

圖8 橋面流場(chǎng)顯示（無風(fēng)障）

圖9 各車道風(fēng)剖面圖（無風(fēng)障）

圖10 各車道風(fēng)速分布曲線（無風(fēng)障）

（2）設(shè)置風(fēng)障工況下，雙幅橋面周圍流場(chǎng)分布、各車道風(fēng)剖面及橋面風(fēng)速分布曲線見圖11～13?？梢钥闯?，風(fēng)障的設(shè)置使得風(fēng)速達(dá)到或超過來流風(fēng)速的位置提高，其中車道1 提高到4.3 m 以上，車道2～4 提高到5.2 m 以上，大大改善了行車高度范圍橋面風(fēng)環(huán)境。

圖11 橋面流場(chǎng)顯示（帶風(fēng)障）

圖12 各車道風(fēng)剖面圖（帶風(fēng)障）

圖13 各車道風(fēng)速分布曲線（帶風(fēng)障）

3.4 等效橋面風(fēng)速及影響系數(shù)

由上可知，當(dāng)側(cè)風(fēng)經(jīng)過橋面時(shí)，由于主梁、護(hù)欄及風(fēng)障等附屬結(jié)構(gòu)的影響，均勻的側(cè)向來流風(fēng)速在橋面形成一定厚度的邊界層，作用于車輛的風(fēng)速將不同于均勻的來流風(fēng)速， 為量化評(píng)價(jià)橋面風(fēng)環(huán)境，根據(jù)側(cè)向氣動(dòng)力等效原則定義等效橋面風(fēng)速如下：

式中zr表示汽車所處的高度范圍，一般中型客車、大型客車和大型廂式貨車高度范圍選為5.0 m。

將橋面行車高度范圍等效風(fēng)速與外側(cè)來流風(fēng)速的比值定義為風(fēng)速影響系數(shù)λs，該值越小說明橋面風(fēng)環(huán)境越安全。

式中U∞為側(cè)向來流風(fēng)速。

根據(jù)橋面各車道的風(fēng)剖面可計(jì)算出各車道5.0 m 高度范圍的等效風(fēng)速及風(fēng)速影響系數(shù)， 其中主橋縱橋向位置4 各車道設(shè)置風(fēng)障前后的風(fēng)速影響系數(shù)、等效風(fēng)速對(duì)比見表1、圖14。 從表1 不同車道影響系數(shù)對(duì)比可知：（1）不設(shè)置風(fēng)障工況下，上、下游橋面8 個(gè)車道的橋面風(fēng)速影響系數(shù)均小于1，其中上游4 個(gè)車道的橋面風(fēng)速影響系數(shù)從車道1至車道4 遞減， 即在上游來流風(fēng)速情況下， 車道1的側(cè)向風(fēng)速最大；下游車道5 至下游車道8 的橋面風(fēng)速影響系數(shù)基本相當(dāng)。 （2）設(shè)置風(fēng)障工況下，各車道橋面風(fēng)速影響系數(shù)分布規(guī)律同不設(shè)置風(fēng)障工況，但各車道橋面風(fēng)速影響系數(shù)顯著減少，其中上游車道1 橋面風(fēng)速影響系數(shù)仍為8 個(gè)車道最大值，但比未設(shè)置風(fēng)障情況約減少37%。 因此，風(fēng)障的減風(fēng)效果十分顯著。

表1 主橋位置4 橋面不同行車道風(fēng)速影響系數(shù)

圖14 主橋位置4 等效風(fēng)速對(duì)比

4 風(fēng)障實(shí)施效果評(píng)價(jià)

基于已有研究和橋梁風(fēng)天運(yùn)營管理的經(jīng)驗(yàn)，一般橋面風(fēng)速達(dá)到17.2 m/s（8 級(jí)風(fēng)）時(shí)，汽車就會(huì)出現(xiàn)側(cè)風(fēng)影響的安全問題，如側(cè)向偏移；當(dāng)風(fēng)速繼續(xù)加大，則會(huì)出現(xiàn)側(cè)滑，甚至是側(cè)向傾覆。 因此本工程進(jìn)行風(fēng)致行車安全評(píng)估時(shí)認(rèn)為：橋面行車高度范圍內(nèi)等效風(fēng)速達(dá)到8 級(jí)風(fēng)（17.2 m/s）時(shí)要對(duì)大橋進(jìn)行風(fēng)天行車安全控制（如對(duì)車輛進(jìn)行限速等控制措施）；當(dāng)橋面行車高度范圍內(nèi)風(fēng)速達(dá)到10 級(jí)風(fēng)（24.5 m/s）時(shí)要封閉交通。 安全評(píng)估時(shí)風(fēng)速取實(shí)際影響車輛側(cè)風(fēng)安全的瞬時(shí)風(fēng)速，該數(shù)值根據(jù)大橋最高橋面位置每日最大10 min 平均風(fēng)速換算得到，二者換算系數(shù)約為1.5。

基于本研究成果，并結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析的橋位瞬時(shí)風(fēng)速概率分布，采用風(fēng)天橋面行車安全概率性評(píng)價(jià)方法，對(duì)大橋全線17.2 m/s 限速和24.5 m/s 封閉的雙目標(biāo)控制風(fēng)速下行車安全進(jìn)行分析。 設(shè)置風(fēng)障前后，經(jīng)過高度修正和橋面風(fēng)速影響系數(shù)修正的主橋橋面最高位置的瞬時(shí)風(fēng)速概率分布見表2、表3。

（1）由表2 可知，未設(shè)置風(fēng)障時(shí)主橋橋面最高位置迎風(fēng)側(cè)車道1 瞬時(shí)風(fēng)速概率分布情況。 未設(shè)置風(fēng)障時(shí)，大橋?qū)嶋H需要進(jìn)行交通控制的大風(fēng)天數(shù)約為92.2 d/年（ 8 級(jí)風(fēng)以上），其中需要封橋的大風(fēng)天數(shù)約為10.9 d/年（10 級(jí)風(fēng)及以上）。

（2）由表3 可知，增設(shè)擋風(fēng)率40%風(fēng)障后主橋橋面最高位置迎風(fēng)側(cè)車道1 瞬時(shí)風(fēng)速概率分布情況。 增設(shè)風(fēng)障后，大橋?qū)嶋H需要進(jìn)行交通控制的大風(fēng)天數(shù)總計(jì)約為13.9 d/年（8 級(jí)風(fēng)及以上），其中需要封橋的大風(fēng)天數(shù)僅為0.9 d/年（ 10 級(jí)風(fēng)及以上）。

表3 橋面最高位置迎風(fēng)側(cè)車道1 瞬時(shí)風(fēng)速概率分布（增設(shè)擋風(fēng)率40%風(fēng)障）

（3）風(fēng)障設(shè)置前后的交通控制天數(shù)對(duì)比分析表明：風(fēng)障的合理布置，可以提高大橋風(fēng)天的通行效率，顯著提高了風(fēng)天行車安全水平。

5 主梁風(fēng)荷載參數(shù)分析

采用流體動(dòng)力學(xué)分析方法（CFD）分別計(jì)算了平潭海峽大橋主橋主梁成橋狀態(tài)4 個(gè)斷面的氣動(dòng)阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)三個(gè)分量，截面位置見圖3，主梁斷面三分力作用點(diǎn)及其方向見圖15。

圖15 主梁斷面三分力作用點(diǎn)及其方向示意圖

由于大橋各位置橋面寬度保持不變，梁高連續(xù)變化。 為結(jié)果處理的方便，因此計(jì)算結(jié)果取橋面寬度為參考長度，參考坐標(biāo)軸為風(fēng)軸坐標(biāo)。 其中靜氣動(dòng)力定義為：

阻力系數(shù)：CD=FD/qwB；

升力系數(shù)：CL=FL/qwB；

扭矩系數(shù)：CM=FM/qwB。

式中，qw=（1/2）ρVw2為來流動(dòng)壓；ρ 和Vw分別為空氣密度和來流速度；CD、CL、CM分別為每延米阻力、升力、扭矩；B 為主梁寬度，取17 m。

根據(jù)CFD 分析得到設(shè)置風(fēng)障前后主橋不同位置處斷面的靜氣動(dòng)力系數(shù)，見表4、表5。

表4 主橋不同位置截面靜氣動(dòng)系數(shù)（無風(fēng)障）

表5 主橋不同位置截面靜氣動(dòng)系數(shù)（增設(shè)擋風(fēng)率40%風(fēng)障）

由表4、5 可知，由于風(fēng)障的設(shè)置增加了結(jié)構(gòu)阻風(fēng)面積，加大了結(jié)構(gòu)靜氣動(dòng)力系數(shù)，從而增大風(fēng)荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)尤其是下部結(jié)構(gòu)的不利影響。 因此，考慮風(fēng)荷載參與的荷載組合條件下的受力驗(yàn)算是既有橋梁增設(shè)風(fēng)障的一個(gè)關(guān)鍵問題。

6 增設(shè)風(fēng)障后的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

6.1 有限元模型建立

采用有限元程序Midas Civil 建立主橋空間模型（圖16）。 其中，主梁、橋墩、承臺(tái)及樁基均采用空間梁單元，全橋共2 119 個(gè)單元。 樁底約束采用固定約束，土層采用節(jié)點(diǎn)彈性支承，墩梁之間采用剛性連接。

圖16 平潭大橋主橋Midas 模型

6.2 荷載取值

恒載及活載按設(shè)計(jì)圖紙及《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》[4]進(jìn)行取值，波流力值參考相關(guān)專題資料。

風(fēng)荷載：百年一遇基本風(fēng)速Vd=43.3 m/s，場(chǎng)地類型A 類地貌，粗糙度指數(shù)取0.12；常遇風(fēng)荷載取橋面高度處風(fēng)速Vd=25.0 m/s。

6.3 承載力驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，本研究著重分析驗(yàn)算了主橋43#～45# 薄壁墩和樁基的內(nèi)力以及相應(yīng)的強(qiáng)度和抗裂性。 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，考慮可能同時(shí)出現(xiàn)的作用按照通用規(guī)范要求進(jìn)行了最不利效應(yīng)組合，按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]進(jìn)行了承載能力極限狀態(tài)、 正常使用極限狀態(tài)相關(guān)驗(yàn)算。

驗(yàn)算結(jié)果表明：橫橋向和順橋向風(fēng)參與組合的各個(gè)工況下，就雙薄壁墩而言，墩底截面為最不利截面。在各個(gè)工況作用下，43#～45#薄壁墩及樁基經(jīng)驗(yàn)算均滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗裂性要求。 列出43#主墩最不利工況下墩底截面及樁基截面抗彎承載力驗(yàn)算結(jié)果，見表6、表7。

表6 43# 墩底截面抗彎承載能力驗(yàn)算

表7 43# 墩最不利樁基截面抗彎承載能力驗(yàn)算

7 結(jié)論

本研究結(jié)果得出以下結(jié)論：（1）風(fēng)障的合理布置，可以大大改善橋面行車風(fēng)環(huán)境，顯著提高大橋風(fēng)天行車安全水平及風(fēng)天的通行效率。（2）風(fēng)障的設(shè)置增加了結(jié)構(gòu)阻風(fēng)面積， 增大了橋梁結(jié)構(gòu)所承受的風(fēng)荷載，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)尤其是下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響?？紤]風(fēng)荷載參與的各種荷載組合條件下的受力驗(yàn)算是既有橋梁增設(shè)風(fēng)障的一個(gè)關(guān)鍵問題。（3）經(jīng)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算，采用推薦的風(fēng)障方案，增設(shè)風(fēng)障后平潭海峽大橋主橋及引橋下部結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)算滿足規(guī)范要求。