跨海公铁大桥公路桥侧风作用下多孔风屏障数值模拟分析

■高 添

（福建省高速公路集团有限公司福州管理分公司，福州 350007）

近年来，随着桥梁建造技术的发展，强风区域修建的桥梁越来越多，在强风区域桥梁上发生的交通事故也随之增加[1]，这引起了学者广泛的关注。 侧风对车辆行车安全影响显著， 可引起车辆横向响应，使车辆发生晃动，严重时会引起车辆偏航，侧滑甚至发生侧翻[2]。 通常采用安装风屏障的方法来降低桥面局部区域的风速，从而降低行车安全隐患[3]。安装风屏障对行车的安全舒适性[4]是十分必要的，本文将重点研究风屏障对行车环境的影响。 目前，学者通过3 种方法研究风屏障透风率及高度对防风效果的影响，分别为现场实测、数值模拟和风洞试验。 风洞试验方面，徐昕宇等[5]通过风洞试验发现，不同透风率的风屏障对列车的气动特性有较大差异。 向活跃等[6]采用风屏障缩尺模型模拟方法进行风洞试验，透风率相同时，风屏障开孔形状对距风屏障较近的迎风侧车辆的气动特性有一定的影响，对背风侧车辆气动特性影响较小。 数值模拟方面，陈宁等[7]通过数值模拟对风屏障进行研究，研究表明风屏障防风效果受透风率和高度的影响显著，随着透风率的增大，防风效果呈逐渐减小的趋势；风屏障的高度为2 m 时风屏障的防风效果较好，增加和降低都会降低防风效果。 苏洋等[8]结合风洞试验和数值模拟研究了风屏障后方的流场，不同的透风率的风屏障会导致不同的等效风速，最后通过等效风速来评价风屏障的防风效果。 李波等[9]基于风洞试验， 采用多孔介质模型方法进行数值模拟，当风屏障的透风率为40%左右时，防风效果较好。 现场实测方面，对于公路交通风屏障的相关实测研究较少。 对于多孔风屏障而言，在风洞试验和数值模拟均需要一定的简化，其中最常用的方式是等效透风率法，将其结果与现场实测对比验证。 本文以现场实测为基础，通过等效透风率法对多孔风屏障的数值模拟的准确性进行了研究，讨论车道、风攻角等因素的影响。

1 工程概况

平潭跨海大桥处于强风区域， 是公铁两用大桥，在公路部分，由于侧风较大，自大桥通车以来发生了数起交通事故，引起了交通管理部门的关注，因此研究该公路风屏障的防风效果是十分有意义的。

桥梁的断面图及风屏障和护栏的结合示意图，见图1。本桥梁为公铁两用的桁架桥，其上下弦杆中心距为13.5 m，公路桥面宽为35.7 m，为双向八车道布置。 公路桥面布置有风屏障。 风屏障于桥梁之间采用防撞护栏相结合，其中防撞护栏高1.5 m，风屏障由7 个障条构成，每个障条高250 mm，障条的透风率是32.7%，障条间距为100 mm。

图1 主梁断面和护栏风屏障示意图（单位：cm）

2 研究方法

2.1 数值模拟初步分析

将数值模拟结果与现场实测数据进行对比，验证数值模拟的准确性。 采用计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD） 数值模拟进行分析， 借助大型CFD 软件FLUENT 进行横向风作用下桥塔区域桥面风场影响的研究。利用FLUENT 进行CFD 计算时，首先需构建流动区域几何形状、设定边界类型以及生成网格，并输出用于FLUENT 求解器计算的格式，然后利用FLUENT 求解器选择合适的模型及参数进行求解计算，详细参数见2.2 节，并进一步对计算结果进行后处理。

对二维的主梁断面模型进行CFD 数值模拟，通过等效透风率的方法来进行风屏障的模拟，对比不同工况下的竖向风剖面和桥面风环境。 在桥塔区域及其附近范围，由于桥塔具有遮风效应，对风屏障的遮风效应的评价有所影响，因此需选取距离桥塔影响范围外的测点进行对比，实测时在距离桥塔中心-66.5 m 的二车道布置了测点， 故选取该测点进行横向风在竖直高度的风剖面对比。 横向风是影响行车舒适性的主要因素，通过实测数据将来流风速折算到横桥向可以得出，在该测点处的横桥向的平均来流风速为13.638 m/s， 以此风速为二维数值模拟的入口风速，进行数值模拟计算。

2.2 等效透风率模拟

公路桥梁的风屏障形式是多孔风屏障，每个障条的透风率是32.7%，为了模拟风屏障的透风率，对风屏障进行简化，本文采用等效透风率的方法模拟风屏障，即保证透风率的前提下，将风屏障简化为多个有间隙的矩形障条，矩形障条之间的间隙来模拟透风率，这样可大大简化几何模型的建立，并利于网格的划分和数值模型计算。 为了寻找合适的透风率模拟方法，本文在风屏障障条为32.7%透风率的前提下， 将每个风屏障障条开3 个间隙、4 个间隙、5 个间隙分别进行几何模型和数值模型的建立。下文简称这3 种简化形式为三孔风屏障、四孔风屏障、五孔风屏障，见图2。

图2 风屏障开孔示意图 （单位：mm）

考虑计算精度和效率，本模型的计算区域选用长800 m、宽300 m 的矩形计算域，见图3，满足阻塞率小于5%的要求。计算区域左边界为来流边界，设置为入口边界，入口风速取14 m/s。 对于边界条件参数的设置，入口边界设置为velocity inlet，出口边界设置为pressure outlet，上下边界视攻角不同而变化。 0°攻角时均采用对称边界，对于+3°攻角，下边界设置为velocity inlet，上边界设置为pressure outlet。对于-3°攻角，上边界设置为velocity inlet，下边界设置为pressure outlet。 采用的湍流模型为sst-kw，计算时离散格式采用二阶离散格式，采用非定常的计算方法，时间步长取为0.001 s，等待计算收敛后，对最后1 s 的数据取平均值。

图3 数值模型计算区域示意图

由于主要研究风屏障的防风效果，对主梁风屏障和护栏的网格精细划分，网格较为密集，其余网格较为稀疏。 主梁区域采用非结构化网格，外部区域采用结构化网格，最后网格数量控制在50 万内。

2.3 现场实测

采用三维超声风速仪和螺旋桨风速仪对二车道进行风速风向现场实测。 其中测试塔架分为参考塔和测点塔。 在参考塔5 m 高度处安装1 个三维风速仪，测试来流风速。在测点塔竖向每隔1 m 安装1 个螺旋桨风速仪，共计5 个，同时在5 m 高度处安装1 个三维风速仪，可得到风速的相关性。 实测现场及测点布置图，见图4。

图4 实测现场及测点布置图

2.4 数值模拟结果验证

对行车安全影响最大的是车体横向的风速，因此将螺旋桨风速仪的风速进行处理得到二车道测点处的侧风风速U，将参考塔三维风速仪的风速进行处理得到来流风的侧风风速U0。将侧风风速进行归一化处理，定义风速系数α，如式（1）。风速系数越大，则表明相对于参考点来流风速，车道处风速折减不明显，当侧风作用于车辆时，会对车辆产生较大的侧向力，导致行车安全不利。

通过风速系数沿竖向的分布即可得到二车道测点的竖向风剖面。 为验证数值模拟的准确性，将实测的二车道的竖向风剖面与数值模拟进行对比，见图5。对比结果表示，等效透风率方法模拟风屏障有一定的准确性，可采用数值模拟研究不同车道的风场环境，其中三孔风屏障模拟的效果较好。

图5 二车道竖向风剖面对比

3 结果分析

3.1 车道位置的影响

由于现场实测受限制，在验证了数值模拟可行性后， 可以对桥面不同车道的侧风进行研究分析。对于车辆在侧风下的行驶，距离来流风越近则考虑行车形况较为不利，因此应重点研究迎风侧3 个车道的风场分布，尤其是迎风侧的一车道，风经过风屏障和栏杆后对一车道的行车稳定影响较大。 进行数值模拟时， 对迎风侧3 个车道进行监测点布置。在每个车道布置竖向的监测点，每隔0.1 m 高度布置1 个，每个车道50 个测点。 测点在桥梁的横向位置参照现场实测，放置在车道边缘处。 由于三孔风屏障模拟的效果较好，因此基于三孔风屏障对迎风侧3 个车道的竖向风剖面进行数值模拟，剖面对比见图6。 根据图中的结果可知，对比不同车道，一车道在低高度处相比二、 三车道有更大的风速系数，一车道的行车最为不利。 对比不同高度，在1 m高度左右风速系数较大，但在2～4 m 高度的风速系数会有明显的减小，这说明风屏障的防风效果不错。

图6 迎风侧3 个车道竖向风剖面对比

3.2 风攻角的影响

风攻角是风来流方向与桥梁横断面或者与建筑物正面垂线所夹角度， 使升力增大的转角为正，反之为负。 上述研究均在0°攻角的情况下进行的，为研究不同的攻角对桥面风场的影响， 对风分别在+3°和-3° 2 种攻角下进行数值模拟，对比+3°、0°、-3° 3 种攻角下3 个车道的竖向风剖面变化。 每个车道不同攻角下的竖向风剖面对比情况见图7。 可以看出，每个车道竖向高度与风速系数呈现不规则曲线变化，风速系数与风速是成正比关系，迎风侧1 m 高度仍有较大的横向风速系数， 且发现在距离桥面竖向高度较低时，风速大小随高度变化十分明显， 大多数小轿车及SUV 的高度基本为1.6 m 左右，横风对小型车的影响较大；大中型车辆高度一般在2～4 m，在最靠近迎风侧一车道影响较大，但与小型车辆相比较总体影响较小。 当攻角为-3°时，风速系数会进一步增加， 这对行车安全极为不利；当攻角为+3°时，相对0°攻角而言，风速系数会一定程度减小，对行车安全是有利的。

图7 3 个车道不同攻角下竖向风剖面对比

4 结论

在对比现场实测的基础上，对平潭公铁跨海大桥大跨度公路桥面多孔风屏障进行了数值模拟研究，验证了等效透风率法的准确性，讨论了车道和风攻角等因素的影响，得出如下结论：（1）将多孔风屏障简化为有一定间隙的矩形障条时，在一定孔隙条件下可较好地与现场实测结果吻合；（2）设置风屏障后，迎风侧车道仍为最不利车道。 在竖向高度为1 m 左右时，风速系数最大，对高度较低的车辆抗风安全不利；（3）最不利风攻角为-3°，风速系数在竖向不同高度有一定程度增加，行车较为不利。