福州长门特大桥北引桥风障设计和抗风研究

■洪锦祥

（福建省交通规划设计院，福州 350004）

1 引言

福州长门特大桥是福州绕城高速公路东南段的控制性工程，大桥位于闽江下游，濒临入海口处，在福州市连江县长门村和琅岐岛之间跨越闽江，受通航净空要求，桥面设计较高。由于大气边界层存在的梯度风效应，大桥桥面高度的风速远远高于地面接线高速公路的风速。当地面接线处风速还低于桥梁规范规定的安全通行风速时，大桥桥面处的风速就已达到或超过了安全通行风速。这就意味着大桥和接线具有不同的大风通行能力，大桥将成为一个制约整条福州绕城高速公路东南段的关键点。

受主桥标高和地形限制，大桥北引桥桥面同样较高，为充分发挥长门特大桥琅岐岛生命通道的重要作用，本文以福州长门特大桥北引桥为研究对象，通过流体动力学理论，对引桥的桥面风环境进行分析，在大跨度桥梁的引桥上首次使用风障降低桥面风速，提高了引桥桥面侧风行车安全性，使其具有与接线相同或更高的通行能力。同时，通过节段模型测力风洞试验，对引桥主梁断面的气动力三分力系数进行了研究。

2 工程概况

长门特大桥主桥为主跨550m的双塔双索面斜拉桥，南端与隧道相连，仅有北引桥，长514m，桥跨布置为35+40+35+10×40m（图1所示），上部采用预应力混凝土连续T梁（横断面布置如图2所示），左、右线桥间距由50cm到1100cm连续变化。主要技术标准为：双向六车道，设计速度 100 km/h，设计荷载公路－I级，设计基本风速39.7m/s[1]。

图1 桥型布置图（单位：cm）

图2 横断面布置图（单位：cm）

3 风障减风效果目标

根据《公路桥梁抗风设计规范》[2]，大气边界层中平均风速剖面（即平均风速随离开地表高度的变化规律）：

其中，α为地表粗糙度系数（根据文献[1]，长门特大桥桥址区地表类别为A～B类之间，取0.15）；z为离开地表高度；zr为参考高度；Vr和Vz分别为参考高度处的参考风速和高度z处的风速。

侧向风在流经桥面时会形成一定厚度的附面层，即距离桥面一定高度范围内，不同高度的风速是不同的[3]，其变化规律也因主梁断面和桥梁系构件不同而不同，为了衡量桥面侧向风速的大小，根据总风压相等的原则定义桥面等效风速为：

其中，z′为离开桥面的高度；Hr为等效风速计算高度，与车辆在桥面上行驶时受侧向风影响的高度范围相对应。当研究改善桥面行车风环境的风障措施时，一般按大型车辆考虑，Hr取4.5m。

受主桥标高和地形限制，大桥北引桥桥面远高于与其相连接的接线高速公路的标高，由式（1）桥面处风速要大大高于接线的风速。因此，为改善桥面行车风环境，使其具有与接线高速公路相近等效风速，就必须安装风障系统减小桥面风速。

在不考虑桥梁振动的情况下，对于某一辆以恒定速度行驶的确定车辆，其在整条道路不同位置上的抗风能力基本是一样的，因此，本桥风障设计时考虑桥面与其接线路面的等效侧向风速相同，则认为汽车在两处具有相同的侧风行车安全性。具体设计和抗风研究时：（1）由于桥址处地表类别介于A和B类之间，因此接线路面风速偏安全取桥址处5m高度风速；（2）桥面各车道上方4.5m范围内的等效风速不高于桥址处5m高度风速。

为反映设置风障后的减风效果目标，将桥面等效风速Veq和基准高度风速VH的比值定义为桥面一定高度范围内的侧风折减系数ηv：

其中，Vs10为桥址处基本风速；H为基准高度。由于车辆侧风受风面的中心距离桥面有一定的高度，以常见大型集装箱货车为例，其重心大约距离地面高度为1.5m，因此将桥面以上1.5m的位置作为研究桥面侧风向风速的基准高度。

其中，h为桥面到地表（水面或地面）的距离。

根据桥面设计标高和地面标高，计算得到了左、右线桥在各桥墩处所需的允许侧风折减系数，列于表1。由表1可知，当设置风障后引桥的侧风折减系数小于0.694，则引桥桥面等效平均风速将低于接线路面平均风速，即引桥在大风天气下具有与其接线相同或更高的通行能力。

4 风障设计

经过多轮CFD分析计算，并考虑到美学、施工方便等因素，最终确定的北引桥风障为在原有引桥混凝土防撞栏的基础上修改设计。下部结构仍为防撞栏，上部为国内首次采用的曲线式钢立柱加标准钢制矩形风障条。北引桥风障布置如图3所示，曲线式立柱安装在混凝土防撞护栏上，纵桥向间距1.5m，立面上风障条由七根标准矩形挡风横条组成，上部透风率60%，立柱和风障条均采用Q345C钢材。

5 桥面风环境CFD分析

采用Fluent软件对桥面风环境进行数值模拟分析，采用k-εRNG紊流模型和三角形网格，图4、图5分别为安装风障前、后的CFD计算模型。其中，B为两幅主梁的总宽；D为两幅主梁的间距，计算时取最小值 50cm、平均值575cm和最大值1100cm。计算模型忽略了纵桥向非连续分布的附属结构，如风障的立柱等。分析时，计算区域的计算截面重心至上、下边界距离均为10B，计算截面形心至左、右边界距离分别为10B和20B；计算区域的顶部和底部都设为无摩擦墙面边界条件，上游设为速度入口边界条件，下游设为压强出口边界条件，主梁和表面都设为无滑移墙面边界条件。计算速度入口边界条件采用均匀流Vx=20m/s，Vy=0m/s；出口压强为大气压。

表1 左、右线桥各桥墩处允许侧风折减系数

图3 风障布置图（单位：cm）

图4 无风障工况CFD计算模型（单位：cm）

图5 有风障工况CFD计算模型（单位：cm）

图6～8所示，分别为安装风障前，主梁不同间距，桥面附近区域的相对流速及流线图。可以看出：由于防撞栏的透风率为零，气流在绕过形状较钝的主梁后，在上风侧桥面上方形成较大范围的高流速区，下风侧靠近桥面处风速有一定的增大；主梁间距增大后，上风侧桥面风速分布情况变化不大。

图9～11所示，则分别为安装风障后，主梁不同间距，桥面附近区域的相对流速及流线图。可以看出：安装风障后，桥面上方的流速有较大降低，低风速区的高度有一定扩大；主梁间距增大后，桥面风速分布依然保持稳定，变化不大。

图6 安装风障前相对流速和流线图（D=50cm）

图7 安装风障前相对流速和流线图（D=575cm）

图8 安装风障前相对流速和流线图（D=1100cm）

图9 安装风障后相对流速和流线图（D=50cm）

图10 安装风障后相对流速和流线图（D=575cm）

图11 安装风障后相对流速和流线图（D=1100cm）

图12所示为主梁间距50cm时，安装风障前，桥面各车道上风侧边缘处风剖面图。可以看出：安装风障前，车道1桥面上方2.8m高度以上平均风速均高于来流风速；上风侧三个车道的遮挡区范围均小于3.5m；其余3个车道在4.5m高度范围内的平均风速都低于来流风速。

图12 安装风障前各车道平均风速剖面（D=50cm）

图13所示为两幅主梁间距50cm时，安装风障后，桥面各车道上风侧边缘处风剖面图。可以看出：安装风障后，除车道1桥面上方约4.25m高度以上平均风速均高于来流风速外，其余5条车道在4.5m高度范围内的平均风速都低于来流风速，即风障遮挡区高度在4.5m以上。

由于篇幅关系，未给出两幅主梁间距575cm和1100cm时，安装风障前、后，各车道的风剖面图。但分析表明，主梁间距增大对遮挡区范围影响不大。

表2和表3给出了安装风障前后桥面各车道侧风折减系数的计算结果，表中H为等效风速计算高度，*代表此等效风速的风向与来流风向相反。从表2和表3可以看出：安装风障前，虽然防撞栏对来流风有一定的为遮挡作用，但其遮挡作用有限，桥面部分车道的侧风折减系数超过了允许值0.694；安装风障后，风障的遮挡效果显著，桥面各车道的侧风折减系数都小于允许值。

图13 安装风障后各车道平均风速剖面（D=50cm）

表2 安装风障前各车道侧风折减系数

表3 安装风障后各车道侧风折减系数

上述的CFD分析表明，北引桥的风障设计合理，安装风障后，达到了减风效果的目标，引桥在大风天气下具有与其接线相同或更高的通行能力。

6 节段模型风洞试验

安装风障后，北引桥的行车风环境得到了改善，但断面形状发生了改变，风障具有遮挡作用，可能引起桥梁风荷载的增加，有必要通过节段模型测力风洞试验，得到主梁气动静力三分力系数的整体状态，用于风荷载的计算，指导设计。

节段模型测力风洞试验在同济大学土木工程防灾国家实验室TJ-2大气边界层风洞中进行。根据实桥主梁断面尺寸和风洞试验段尺寸以及直接试验法的要求，主梁节段模型的缩尺比取1/55。试验时，分别对不同主梁间距D（50、575 和 1100cm），-10～10 度风攻角下，成桥和施工（无护撞栏和风障）状态，上、下风侧主梁的三分力系数进行测试。图14所示为成桥状态的主梁测力模型 （D=575cm）。

图14 成桥运营状态主梁测力模型（D=575cm）

表4～6分别给出了-3、0和3度风攻角下，主梁断面三分力系数。C_H、C_V和C_M分别为横向力、竖向力和扭转力矩系数。可以看出：上风侧桥的横向力和扭转力矩系数远大于下风侧桥；随两幅主梁间距的增大，下风侧桥的横向力、竖向力和扭转力矩系数均随之增大，而半风侧桥的横向力系数基本稳定；由于风障、防撞栏等桥面系的遮挡作用，成桥状态时下风侧桥横向力系数较施工状态小；上风侧桥的竖向力系数在成桥状态随主梁间距的增大而增大，而施工状态则随主梁间距的增大而减小。

表4 风攻角-3度时主梁断面三分力系数

表5 风攻角0度时主梁断面三分力系数

表6 风攻角+3度时主梁断面三分力系数

7 结语

通过长门特大桥北引桥桥面风环境CFD分析和节段模型测力风洞试验，发现：

（1）采取减风措施前，桥面部分车道的侧风折减系数大于允许值。为发挥长门特大桥琅岐岛生命通道的重要作用，在北引桥应安装合理风障，改善行车风环境，提高桥面安全通行风速。

（2）设计所采用的风障设置方案，能将桥面各车道的侧风折减系数控制在允许值以内，桥面等效平均风速将低于接线路面平均风速，北引桥在大风天气下具有与其接线相同或更高的通行能力。

（3）通过节段模型测力风洞试验，得到了主梁气动静力三分力系数的整体状态，可用于北引桥的设计计算，并可供类似桥梁设计参考。

[1]国家海洋局闽东海洋环境监测中心站.长门特大桥桥位气象观测及风参数研究专题技术报告[R].2010.

[2]JTG/T D60—01—2004,公路桥梁抗风设计规范（S）.

[3]周奇,朱乐东,郭震山.曲线风障对桥面风环境影响的数值模拟［J］.武汉理工大学学报,2010（10）:38-44.