橋梁擋風(fēng)障參數(shù)對行車穩(wěn)定性影響分析

王兆樑，練江峰，詹鎧臻，劉功毫，林 立

(1.廈門市公路事業(yè)發(fā)展中心，福建 廈門 361000；2.廈門中平公路勘察設(shè)計院有限公司，福建 廈門 361000；3.福建省風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程重點實驗室，福建 廈門 361024； 4.廈門理工學(xué)院，福建 廈門 361024)

0 引言

隨著中國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與橋梁建設(shè)水平的提升[1-2]，越來越多大跨度跨海橋梁得以建設(shè)，隨著橋梁跨度的增加，風(fēng)荷載對橋梁結(jié)構(gòu)影響日益顯著[3]。在橋梁沒有擋風(fēng)設(shè)施的條件下，橋面風(fēng)速可達(dá)到來流風(fēng)速的80%以上，特別在沿海地區(qū)極端氣候[4]條件下，橋面出現(xiàn)高速橫風(fēng)概率較大，貨車等大型車輛容易發(fā)生側(cè)翻事故，橋面行駛車輛安全問題突出。目前，設(shè)置擋風(fēng)障是減少橋面橫風(fēng)對行駛車輛影響的最有效措施。近些年，Chen、王露等[5-6]利用風(fēng)洞試驗、流體仿真等手段，發(fā)現(xiàn)擋風(fēng)障顯著提高了橋面通行車輛穩(wěn)定性，但并未系統(tǒng)開展擋風(fēng)障參數(shù)對行車穩(wěn)定性影響規(guī)律的研究；Kozmar，Guo，Chu，李波，周奇，陳寧，高劍，丁嘉杰，林曉波，蘇洋，詹鎧臻等[7-18]，在沒有車輛的橋梁模型上，測量擋風(fēng)障后方橋面風(fēng)場各車道的平均風(fēng)速剖面圖，計算橋面等效風(fēng)速來評價橋梁擋風(fēng)障擋風(fēng)性能，研究了橋梁擋風(fēng)障高度、孔隙率等參數(shù)對橋面風(fēng)速遮擋效率影響規(guī)律，然而，橋面橫風(fēng)直接作用對象為橋面行駛車輛，擋風(fēng)障參數(shù)對橋面行駛車輛穩(wěn)定性的影響規(guī)律與橋面等效風(fēng)速折減系數(shù)評價結(jié)果是否一致仍有待研究。因此，開展了橋梁擋風(fēng)障孔隙率、高度、孔形等參數(shù)對于車輛行駛穩(wěn)定性影響的研究，并與擋風(fēng)障測速試驗研究結(jié)果進(jìn)行對比，檢驗等效風(fēng)速折減系數(shù)與車輛氣動力評價指標(biāo)結(jié)果一致性。

1 試驗?zāi)Ｐ?/h2>

模型制作除了確保模型與實際尺寸幾何相似，及控制加工尺寸誤差在2%以內(nèi)之外，還選用剛度較高的材料，以保證模型須具有足夠大的剛度，避免試驗過程時出現(xiàn)較大振動，影響試驗精度[19]。

1.1 模型安裝平臺

將橋梁擋風(fēng)障及車輛模型安裝于長為18 m的等截面箱梁平臺上，該平臺設(shè)置了3個寬為3.75 m 的車道，平臺如圖1所示。橋梁模型幾何縮尺比的選擇考慮阻塞比的影響，阻塞比ζ[19]按式(1)計算。

圖1 模型安裝平臺

(1)

式中，Am為風(fēng)洞試驗段的橫截面積；Ac為試驗?zāi)Ｐ驮谠囼灦螜M截面的最大投影面積。

模型幾何縮尺比設(shè)為1∶10，其放置于試驗段的最大阻塞率為3.75%，滿足小于5%的試驗要求。

1.2 擋風(fēng)障模型

模型主要參數(shù)有孔隙率、高度、孔形等。風(fēng)洞試驗證明，50%孔隙率的擋風(fēng)障遮擋效率既高，又不會大幅降低橋梁氣動穩(wěn)定性；同時，2 m左右高度的擋風(fēng)障能有效降低橋面風(fēng)速[16]。故設(shè)置10組不同開孔形狀的孔隙率為40%～60%，高度為1～3 m模型如圖2所示，方案參數(shù)見表1。

圖2 擋風(fēng)障模型實物圖與試驗圖

表1 擋風(fēng)障模型主要參數(shù)

1.3 車輛模型

在橫向側(cè)風(fēng)作用下，橋面行駛車輛容易發(fā)生側(cè)滑，特別是貨車等大型車輛可能發(fā)生側(cè)翻等事故。本次研究設(shè)計并制作了貨車模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗。貨車模型采用樹脂材料制作而成，幾何模型采用與箱梁及橋梁擋風(fēng)障一致的縮尺比1∶10，車輛模型參數(shù)如表2所示，車輛模型及測力試驗如圖3所示。

表2 貨車模型主要參數(shù)

圖3 車輛模型實物圖與試驗圖

2 試驗設(shè)置

2.1 試驗條件

測力試驗與測速試驗均在廈門理工學(xué)院XMUT-WT風(fēng)洞進(jìn)行。在實際橋梁管理中，當(dāng)橋面風(fēng)速達(dá)到25 m/s 時，通常采取封橋等交通管制措施以確保行車安全性，為了研究大風(fēng)條件下?lián)躏L(fēng)障對貨車行駛穩(wěn)定性影響程度，設(shè)置實際來流風(fēng)速為25 m/s工況；同時考慮沿海地區(qū)極端氣候下橋梁擋風(fēng)障的阻風(fēng)效果，設(shè)置35 m/s風(fēng)速工況[17]。試驗風(fēng)速與實際風(fēng)速應(yīng)滿足相似關(guān)系[19]，主要有雷諾準(zhǔn)則與弗勞德準(zhǔn)則，其中，對于橋梁等分離點比較明顯的鈍體結(jié)構(gòu)，可以忽略雷諾數(shù)的不相似對試驗結(jié)果影響[20]。故，試驗風(fēng)速取值保證弗勞德數(shù)相似，弗勞德數(shù)計算如式(2)：

(2)

式中，g為重力加速度；l為物體特征長度；v為物體運(yùn)動速度。

2.2 測量位置

車輛測力試驗采用的傳感器有TFI眼鏡蛇脈動風(fēng)速儀(Series100 Cobra Probe)與ATI六分量高頻天平(SI-130-10)，儀器主要參數(shù)如表3所示。

表3 傳感器參數(shù)

測速試驗采用TFI眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速儀測量第②車道中心線車輛模型高度附近處，即0～40 cm 高度的風(fēng)速剖面圖；測點間隔、采樣頻率與時長分別為2.5 cm，600 Hz，60 s，測點布置如圖4所示。

圖4 測速試驗測點布置圖(單位：mm)

車輛模型安裝于橋面第②車道，為了避免試驗過程中，車輛模型與橋梁接觸帶來的誤差，將車輪與橋面保持2 mm的距離，通過定制立桿將貨車與六分力天平連接，車輛模型安裝及天平架子如圖5所示。

圖5 模型安裝示意圖

3 試驗結(jié)果分析

3.1 測力試驗結(jié)果分析

本次試驗中測得的數(shù)據(jù)主要為貨車模型的六分力，根據(jù)SAE路面汽車空氣動力學(xué)委員會發(fā)布的J1594標(biāo)準(zhǔn)[21]，乘用車空氣動力學(xué)坐標(biāo)系由右手定則來確定，乘用車空氣動力學(xué)坐標(biāo)系如圖6所示。SAE標(biāo)準(zhǔn)對作用在車身的六分力定義及計算公式的總結(jié)于表4。

圖6 汽車空氣動力學(xué)坐標(biāo)系

表4 SAE標(biāo)準(zhǔn)對作用在車身上的六分力定義

在橫風(fēng)作用下，車輛穩(wěn)定性主要受氣動側(cè)力、氣動升力和側(cè)傾力矩影響[22]。因此，將測力試驗測得的氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩、氣動升力數(shù)據(jù)按汽車空氣動力學(xué)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后取均值，匯總于表5、圖7。

圖7 兩種風(fēng)速工況下，各方案氣動側(cè)力、氣動升力、側(cè)傾力矩對比

表5 貨車模型風(fēng)洞試驗結(jié)果匯總

繪制不同參數(shù)擋風(fēng)障后，貨車模型測得的氣動側(cè)力、升力及側(cè)傾力矩對比圖并進(jìn)行分析。

(1)不同高度、孔隙率障條式擋風(fēng)障遮擋效率分析

圖8為設(shè)置孔隙率為50%，高度分別為10，20，30 cm及高度為30 cm，孔隙率分別為60%，40%的障條方案后的測力試驗結(jié)果對比圖。由圖8可知：在不同風(fēng)速橫風(fēng)作用下，模型氣動側(cè)力與側(cè)傾力矩規(guī)律相近。在同一孔隙率條件下，障條擋風(fēng)障后方模型側(cè)傾力矩及氣動側(cè)力隨著擋風(fēng)障高度的增加而減?。伙L(fēng)障高度增加與模型氣動側(cè)力降低呈現(xiàn)出非線性關(guān)系，在風(fēng)障高度由0 cm增長至20 cm的過程中，貨車氣動側(cè)力降低幅值呈現(xiàn)加速狀態(tài)，而在高度由20 cm增長至30 cm過程中，發(fā)現(xiàn)氣動側(cè)力降低幅值的速度放緩，這是由于風(fēng)障頂部的上方存在一定的加速區(qū)域，在風(fēng)障高度較小時，貨車迎風(fēng)面與該區(qū)域有重疊部分，使得貨車受到氣動側(cè)力及側(cè)傾力矩較大，而隨著擋風(fēng)障高度的增加，上述加速區(qū)域與貨車重疊區(qū)域減小，貨車迎風(fēng)面在該區(qū)域風(fēng)壓降低，貨車受到的力與力矩隨之減小。同一高度條件下，障條擋風(fēng)障后方模型側(cè)傾力矩及氣動側(cè)力隨孔隙率減小而減小，這是由于障板阻擋來流的面積隨著阻塞率的減小而增加，降低了氣動側(cè)力及側(cè)傾力矩。貨車氣動升力隨障條高度增加先上升，后下降。這是由于擋風(fēng)障高度較低時，來流小部分通過障條空隙，而大部分從風(fēng)障結(jié)構(gòu)頂部上繞流通過后，進(jìn)入到車底，使得車頂、車底壓差較小。對后方車道遮擋高度隨著風(fēng)障高度增加而增加，車頂與車底壓差先增大后減小。在不同孔隙率的障條型擋風(fēng)障后方車道上測得的貨車氣動升力接近，這是由于風(fēng)障高度一定時，孔隙率對風(fēng)速分布影響較小，貨車底部、頂部風(fēng)壓變化不大，其受到氣動升力大致不變。鑒于風(fēng)速對遮擋規(guī)律影響有限，計算7.91 m/s 下，不同高度方案測得氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩、氣動升力標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.65，0.66，0.44；不同孔隙率方案測得氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩、氣動升力的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.49，0.34，0.03。這表明，擋風(fēng)障后方車輛氣動側(cè)力與側(cè)傾力矩受障條式高度、孔隙率影響大，氣動升力值受高度影響大，這是由于孔隙率影響后方氣流風(fēng)速而高度對后方氣流分布規(guī)律影響較大導(dǎo)致。

圖8 兩種風(fēng)速工況下各障條方案的測力結(jié)果對比

(2) 不同高度、孔隙率圓孔擋風(fēng)障遮擋效率分析

圖9為設(shè)置不同高度與孔隙率的圓孔擋風(fēng)障方案后，測得的貨車模型氣動側(cè)力、升力及側(cè)傾力矩。

圖9 兩種風(fēng)速工況下各圓孔方案的測力結(jié)果對比

由圖9可知：在不同風(fēng)速橫風(fēng)作用下，測得的貨車氣動側(cè)力與貨車側(cè)傾力矩規(guī)律相近。在孔隙率相同時，貨車側(cè)傾力矩及氣動側(cè)力隨高度增加而減小。貨車氣動側(cè)力隨高度增長而降低的幅度具有差異性，在高度由0 cm增長至30 cm過程中，呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。同一高度條件下，貨車側(cè)傾力矩及氣動側(cè)力隨孔隙率增加而增加。貨車氣動升力隨圓孔擋風(fēng)障高度的增加呈現(xiàn)出先上升，而后下降的趨勢。不同孔隙率的圓孔擋風(fēng)障后方測得氣動升力接近。計算了7.91 m/s下，不同高度圓孔方案后方測得氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩、氣動升力的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為2.72，0.68，0.46；不同孔隙率障條方案后方測得氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩、氣動升力的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為1.27，0.28，0.04。這表明，擋風(fēng)障后方車輛氣動側(cè)力與側(cè)傾力矩受圓孔式高度、孔隙率影響大，氣動升力值受高度影響大。

(3)不同開孔形狀擋風(fēng)障遮擋效率分析

圖10為橋面各風(fēng)障方案后，測得的貨車模型氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩及氣動升力對比圖。

圖10 兩種風(fēng)速下，障條與圓孔擋風(fēng)障后方車輛模型氣動側(cè)力、側(cè)傾力矩、氣動升力對比

由圖10可知，安裝擋風(fēng)障方案能有效降低貨車模型的氣動側(cè)力與側(cè)傾力矩，但是出現(xiàn)模型氣動升力大于裸橋工況的現(xiàn)象，這是由于擋風(fēng)障對結(jié)構(gòu)高度范圍內(nèi)風(fēng)場遮擋效果較好，而對模型頂部遮擋效果較差，使得車輛模型上下兩側(cè)壓差較大造成的。因此，在評價擋風(fēng)障性能時，需考慮安裝擋風(fēng)障后，橋面風(fēng)場不同高度處壓差變化對車輛氣動升力產(chǎn)生的影響。整體上，圓孔擋風(fēng)障方案遮擋效果優(yōu)于障條式。

3.2 測力試驗結(jié)果與流場測速試驗結(jié)果比對

測速試驗得到第②車道中心線0～40 cm高度的平均風(fēng)速剖面圖，根據(jù)矩形風(fēng)剖面和實際風(fēng)剖面壓力總和相等的原則，得到不同擋風(fēng)障方案的等效風(fēng)速，將其無量綱后得到折減系數(shù)，等效風(fēng)速折減系數(shù)按式(3)[15]計算。

(3)

式中，Zr為風(fēng)剖面高度范圍，取40 cm；u(z)為Z高度處測點的橫向風(fēng)速值；u0為來流風(fēng)速。兩種風(fēng)速工況下各方案的風(fēng)速折減系數(shù)匯總?cè)绫?所示。

表6 兩種風(fēng)速工況下風(fēng)速折減系數(shù)

在橋梁上設(shè)置擋風(fēng)障主要目的是減少橋面?zhèn)认驒M風(fēng)對橋面行駛車輛的影響，提升橋面車輛在大風(fēng)天氣下的行駛舒適性與安全性。目前，橋梁擋風(fēng)障采用橋面等效風(fēng)速折減系數(shù)作為擋風(fēng)性能評價指標(biāo)，但橋梁擋風(fēng)障對橋面行駛車輛穩(wěn)定性的影響規(guī)律及其與橋面等效風(fēng)速折減系數(shù)評價結(jié)果是否一致？因此，將在不同擋風(fēng)障方案后方測得的車輛模型的氣動側(cè)力、傾覆力矩進(jìn)行無量綱化獲得相應(yīng)的折減系數(shù)，與該處的橋面等效風(fēng)速折減系數(shù)進(jìn)行比對，鑒于氣動升力與車輛底部與頂部局部風(fēng)場關(guān)系密切，應(yīng)當(dāng)作為輔助評價指標(biāo)，故沒有參與對比。分別將各量除以裸橋工況下測得的試驗值，得到各方案的氣動側(cè)力折減系數(shù)ηf,側(cè)傾力矩折減系數(shù)ηm，等效風(fēng)速折減系數(shù)ηr，將各系數(shù)折減系數(shù)繪制于圖11。

圖11 兩種風(fēng)速工況下各方案氣動側(cè)力折減系數(shù)、側(cè)傾力矩折減系數(shù)、等效風(fēng)速折減系數(shù)對比

由圖11可知，在不同風(fēng)速工況下，各擋風(fēng)障方案的氣動側(cè)力折減系數(shù)、側(cè)傾力矩折減系數(shù)、等效風(fēng)速折減系數(shù)數(shù)值接近，偏差集中于0.01～0.10；測力試驗折減系數(shù)整體偏大，這是由于測速試驗的測點位于2個擋風(fēng)障立柱中心處，擋風(fēng)障遮擋性能低，使得風(fēng)速折減系數(shù)較大，而在測力試驗中，貨車長度大于擋風(fēng)障兩個立柱的間距2 m，所以其整體折減系數(shù)比較小，這說明采用風(fēng)速折減系數(shù)評價擋風(fēng)障性能是偏安全的；在擋風(fēng)障研究與實際設(shè)計中對擋風(fēng)障性能評價時，宜考慮立柱間距與車輛長度的影響。整體上，測速試驗與測力試驗獲得的試驗結(jié)果是一致的，采用橋面等效風(fēng)速評價不同擋風(fēng)障整體性能的優(yōu)劣是適宜的，而測速試驗可借助移側(cè)架實現(xiàn)同一風(fēng)速下的多點、多車道測量，后續(xù)研究可在考慮了橋面風(fēng)場不同高度處壓差變化對車輛氣動升力產(chǎn)生的影響后，繼續(xù)采用該評價方法，以提高工作效率。

4 結(jié)論

通過擋風(fēng)障車輛模型風(fēng)洞測力試驗結(jié)果，分析擋風(fēng)障高度、孔隙率及開孔形狀等相關(guān)參數(shù)對車輛行駛穩(wěn)定性的影響規(guī)律，與擋風(fēng)障測速試驗結(jié)果對比，得到如下結(jié)論：

(1)安裝橋梁擋風(fēng)障后，車輛氣動側(cè)力及側(cè)傾力矩隨來流風(fēng)速的增加而增加，在不同風(fēng)速來流條件下，氣動側(cè)力及側(cè)傾力矩變化規(guī)律一致。

(2)安裝擋風(fēng)障后，測得車輛模型氣動側(cè)力及側(cè)傾力矩隨著擋風(fēng)障高度增加而減小，隨著擋風(fēng)障的孔隙率增加而變大；車輛氣動升力隨擋風(fēng)障高度增加先增加后減小，而與擋風(fēng)障孔隙率關(guān)系不明顯。

(3)圓孔擋風(fēng)障提升車輛穩(wěn)定性的效果優(yōu)于障條式擋風(fēng)障。

(4)采用等效風(fēng)速折減系數(shù)作為擋風(fēng)障整體效率的評價指標(biāo)效率更高；然而，需要考慮安裝擋風(fēng)障后，橋面風(fēng)場不同高度處壓差變化對車輛氣動升力產(chǎn)生的影響。

文中探究了橫風(fēng)作用下，橋梁擋風(fēng)障參數(shù)對于橋面行駛車輛穩(wěn)定性影響規(guī)律，對比橋梁擋風(fēng)障車輛測力試驗與流場測速試驗結(jié)果，驗證遮擋效果評價指標(biāo)的一致性，然而未考慮加裝擋風(fēng)障對橋梁結(jié)構(gòu)本身產(chǎn)生的影響，針對具體橋梁風(fēng)致作用下各擋風(fēng)障參數(shù)對橋梁的氣動特性影響規(guī)律仍有待進(jìn)一步研究。