桥梁挡风障参数对行车稳定性影响分析_王兆樑.pdf

第 卷 第 期 年 月公 路 交 通 科 技 .收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）；福建省自然科学基金项目（）；福建省普通公路科研项目（；）；福建省高校产学合作项目（）；厦门市风工程服务平台项目（）作者简介：王兆樑（），男，福建尤溪人，硕士（.）：.桥梁挡风障参数对行车稳定性影响分析王兆樑，练江峰，詹铠臻，刘功毫，林 立，（.厦门市公路事业发展中心，福建 厦门；.厦门中平公路勘察设计院有限公司，福建 厦门；.福建省风灾害与风工程重点实验室，福建 厦门；.厦门理工学院，福建 厦门）摘要：为探究桥面横风作用下，桥梁挡风障高度、孔隙率、开孔形状参数对桥面行驶车辆稳定性影响规律，以及等效风速折减系数与车辆气动力对挡风障阻风性能两种指标评价结果的差异性，设计了孔隙率与高度范围分别为，的 组圆孔与障条形式的桥梁挡风障方案。分别于.和.两种试验来流风速条件下，测量典型 车道箱梁简化模型上，各行车道不同高度测点的风速及中间车道车辆模型气动六分力。分析挡风障参数变化对车辆行驶稳定性的影响规律，并对比桥梁挡风障等效风速折减系数与气动侧力、侧倾力矩无量纲后的系数，验证遮挡效果评价指标的一致性。试验结果表明：两种试验风速下，桥梁挡风障对其后方车辆遮挡效果规律一致，车辆模型气动侧力及侧倾力矩受挡风障孔隙率及高度参数影响明显，均随着挡风障高度增加而减小，随着挡风障的孔隙率增加而变大；气动升力主要受高度影响较大，且随高度增加先增加后减小，而与孔隙率关系不明显；等效风速折减系数与气动侧力折减系数及侧倾力矩折减系数偏差主要集中于.，不同评价指标得到结果具有一致性，采用等效风速折减系数作为风障挡风效率的评价指标更为直观有效，但需要考虑安装挡风障后桥面风场不同高度处压差变化对车辆气动升力产生的影响。关键词：桥梁工程；评价指标；风洞试验；挡风障；参数中图分类号：.文献标识码：文章编号：（），（.，；.，.，；.，；.，）：，.，第 期王兆樑，等：桥梁挡风障参数对行车稳定性影响分析 .（），.，.（），.（）.，.：；引言随着中国国民经济的发展与桥梁建设水平的提升，越来越多大跨度跨海桥梁得以建设，随着桥梁跨度的增加，风荷载对桥梁结构影响日益显著。在桥梁没有挡风设施的条件下，桥面风速可达到来流风速的 以上，特别在沿海地区极端气候条件下，桥面出现高速横风概率较大，货车等大型车辆容易发生侧翻事故，桥面行驶车辆安全问题突出。目前，设置挡风障是减少桥面横风对行驶车辆影响的最有效措施。近些年，、王露等利用风洞试验、流体仿真等手段，发现挡风障显著提高了桥面通行车辆稳定性，但并未系统开展挡风障参数对行车稳定性影响规律的研究；，李波，周奇，陈宁，高剑，丁嘉杰，林晓波，苏洋，詹铠臻等，在没有车辆的桥梁模型上，测量挡风障后方桥面风场各车道的平均风速剖面图，计算桥面等效风速来评价桥梁挡风障挡风性能，研究了桥梁挡风障高度、孔隙率等参数对桥面风速遮挡效率影响规律，然而，桥面横风直接作用对象为桥面行驶车辆，挡风障参数对桥面行驶车辆稳定性的影响规律与桥面等效风速折减系数评价结果是否一致仍有待研究。因此，开展了桥梁挡风障孔隙率、高度、孔形等参数对于车辆行驶稳定性影响的研究，并与挡风障测速试验研究结果进行对比，检验等效风速折减系数与车辆气动力评价指标结果一致性。试验模型模型制作除了确保模型与实际尺寸几何相似，及控制加工尺寸误差在 以内之外，还选用刚度较高的材料，以保证模型须具有足够大的刚度，避免试验过程时出现较大振动，影响试验精度。.模型安装平台将桥梁挡风障及车辆模型安装于长为 的等截 面 箱 梁 平 台 上，该 平 台 设 置 了 个 宽 为.的车道，平台如图 所示。桥梁模型几何缩尺比的选择考虑阻塞比的影响，阻塞比 按式（）计算。，（）式中，为风洞试验段的横截面积；为试验模型在试验段横截面的最大投影面积。模型几何缩尺比设为 ，其放置于试验段的最大阻塞率为.，满足小于 的试验要求。图 模型安装平台.挡风障模型模型主要参数有孔隙率、高度、孔形等。风洞试验证明，孔隙率的挡风障遮挡效率既高，又不会大幅降低桥梁气动稳定性；同时，左右高度的挡风障能有效降低桥面风速。故设置 组不同开孔形状的孔隙率为 ，高度为 模型如图 所示，方案参数见表。公路交通科技第 卷图 挡风障模型实物图与试验图.表 挡风障模型主要参数.方案形式障条式挖孔式方案编号孔隙率 高度.车辆模型在横向侧风作用下，桥面行驶车辆容易发生侧滑，特别是货车等大型车辆可能发生侧翻等事故。本次研究设计并制作了货车模型进行风洞试验。货车模型采用树脂材料制作而成，几何模型采用与箱梁及桥梁挡风障一致的缩尺比 ，车辆模型参数如表 所示，车辆模型及测力试验如图 所示。表 货车模型主要参数.参数名称车身总长车顶离地高度宽度轴距悬空高度轮胎半径数值 图 车辆模型实物图与试验图.试验设置.试验条件测力试验与测速试验均在厦门理工学院 风洞进行。在实际桥梁管理中，当桥面风速达到 时，通常采取封桥等交通管制措施以确保行车安全性，为了研究大风条件下挡风障对货车行驶稳定性影响程度，设置实际来流风速为 工况；同时考虑沿海地区极端气候下桥梁挡风障的阻风效果，设置 风速工况。试验风速与实际风速应满足相似关系，主要有雷诺准则与弗劳德准则，其中，对于桥梁等分离点比较明显的钝体结构，可以忽略雷诺数的不相似对试验结果影响。故，试验风速取值保证弗劳德数相似，弗劳德数计算如式（）：，（）式中，为重力加速度；为物体特征长度；为物体运动速度。由于模型几何缩尺比为 ，试验风速较实际风速须缩小 倍。因此，测力试验与测速试验均在均匀流场中进行，来流平均湍流强度.，试验风速分别为.和.。.测量位置车辆测力试验采用的传感器有 眼镜蛇脉动风速仪（）与 六分量高频天平（），仪器主要参数如表 所示。测速试验采用 眼镜蛇三维脉动风速仪测量第车道中心线车辆模型高度附近处，即 高度的风速剖面图；测点间隔、采样频率与时长分别为.，测点布置如图 所示。第 期王兆樑，等：桥梁挡风障参数对行车稳定性影响分析表 传感器参数.仪器名称产地型号参数量程精度 眼镜蛇脉动风速仪澳大利亚（）.六分量高频天平美国，.，（）.（）.图 测速试验测点布置图（单位：）.（：）车辆模型安装于桥面第车道，为了避免试验过程中，车辆模型与桥梁接触带来的误差，将车轮与桥面保持 的距离，通过定制立杆将货车与六分力天平连接，车辆模型安装及天平架子如图 所示。图 模型安装示意图.试验结果分析.测力试验结果分析本次试验中测得的数据主要为货车模型的六分力，根据 路面汽车空气动力学委员会发布的 标准，乘用车空气动力学坐标系由右手定则来确定，乘用车空气动力学坐标系如图 所示。标准对作用在车身的六分力定义及计算公式的总结于表。图 汽车空气动力学坐标系.表 标准对作用在车身上的六分力定义.六分力气动阻力气动侧力气动升力侧倾力矩俯仰力矩符号方向向后为正向右为正向上为正向前为正向右为正 在横风作用下，车辆稳定性主要受气动侧力、气动升力和侧倾力矩影响。因此，将测力试验测得的气动侧力、侧倾力矩、气动升力数据按汽车空气动力学坐标系转换后取均值，汇总于表、图。绘制不同参数挡风障后，货车模型测得的气动侧力、升力及侧倾力矩对比图并进行分析。（）不同高度、孔隙率障条式挡风障遮挡效率分析图 为设置孔隙率为，高度分别为，及高度为 ，孔隙率分别为，的障条方案后的测力试验结果对比图。由图 可知：在不同风速横风作用下，模型气动侧力与侧倾力矩规律相近。在同一孔隙率条件下，障条挡风障后方模型侧倾力矩及气动侧力随着挡风障高度的增加而减小；风障高度增加与模型气动侧力降低呈现出非线性关系，在风障高度由 增长至 的过程中，货车气动侧力降低幅值呈现加速状态，而在高公路交通科技第 卷表 货车模型风洞试验结果汇总.方案裸桥风速.（）.风速.（）.图 两种风速工况下，各方案气动侧力、气动升力、侧倾力矩对比.，度由 增长至 过程中，发现气动侧力降低幅值的速度放缓，这是由于风障顶部的上方存在一定的加速区域，在风障高度较小时，货车迎风面与该区域有重叠部分，使得货车受到气动侧力及侧倾力矩较大，而随着挡风障高度的增加，上述加速区域与货车重叠区域减小，货车迎风面在该区域风压降低，货车受到的力与力矩随之减小。同一高度条件下，障条挡风障后方模型侧倾力矩及气动侧力随孔隙率减小而减小，这是由于障板阻挡来流的面积随着阻塞率的减小而增加，降低了气动侧力及侧倾力矩。货车气动升力随障条高度增加先上升，后下降。这是由于挡风障高度较低时，来流小部分通过障条空隙，而大部分从风障结构顶部上绕流通过后，进入到车底，使得车顶、车底压差较小。对后方车道遮挡高度随着风障高度增加而增加，车顶与车底压差先增大后减小。在不同孔隙率的障条型挡风障后方车道上测得的货车气动升力接近，这是由于风障高度一定时，孔隙率对风速分布影响较小，货车底部、顶部风压变化不大，其受到气动升力大致不变。鉴于风速对遮挡规律影响有限，计算.下，不同高度方案测得气动侧力、侧倾力矩、气动升力标准偏差分别为.，.，.；不同孔隙率方案测得气动侧力、侧倾力矩、气动升力的标准偏差分别为.，.，.。这表明，挡风障后方车辆气动侧力与侧倾力矩受障条式高度、孔隙率影响大，气动升力值受高度影响大，这是由于孔隙率影响后方气流风速而高度对后方气流分布规律影响较大导致。（）不同高度、孔隙率圆孔挡风障遮挡效率分析图 为设置不同高度与孔隙率的圆孔挡风障方案后，测得的货车模型气动侧力、升力及侧倾力矩。由图 可知：在不同风速横风作用下，测得的货车气动侧力与货车侧倾力矩规律相近。在孔隙率相同时，货车侧倾力矩及气动侧力随高度增加而减小。货车气动侧力随高度增长而降低的幅度具有差异性，在高度由 增长至 过程中，呈现逐步降低的趋势。同一高度条件下，货车侧倾力矩及气动侧力随孔隙率增加而增加。货车气动升力随圆孔挡风障高度的增加呈现出先上升，而后下降的趋势。不同孔隙率的圆孔挡风障后方测得气动升力接近。计算了.下，不同高度圆孔方案后方测得气动侧力、侧倾力矩、气动升力的标准偏差分别 第 期王兆樑，等：桥梁挡风障参数对行车稳定性影响分析图 两种风速工况下各障条方案的测力结果对比.图 两种风速工况下各圆孔方案的测力结果对比.为.，.，.；不同孔隙率障条方案后方测得气动侧力、侧倾力矩、气动升力的标准偏差分别为.，.，.。这表明，挡风障后方车辆气动侧力与侧倾力矩受圆孔式高度、孔隙率影响大，气动升力值受高度影响大。（）不同开孔形状挡风障遮挡效率分析公路交通科技第 卷图 为桥面各风障方案后，测得的货车模型气动侧力、侧倾力矩及气动升力对比图。图 两种风速下，障条与圆孔挡风障后方车辆模型气动侧力、侧倾力矩、气动升力对比.，由图 可知，安装挡风障方案能有效降低货车模型的气动侧力与侧倾力矩，但是出现模型气动升力大于裸桥工况的现象，这是由于挡风障对结构高度范围内风场遮挡效果较好，而对模型顶部遮挡效果较差，使得车辆模型上下两侧压差较大造成的。因此，在评价挡风障性能时，需考虑安装挡风障后，桥面风场不同高度处压差变化对车辆气动升力产生的影响。整体上，圆孔挡风障方案遮挡效果优于障条式。.测力试验结果与流场测速试验结果比对测速试验得到第车道中心线 高度的平均风速剖面图，根据矩形风剖面和实际风剖面压力总和相等的原则，得到不同挡风障方案的等效风速，将其无量纲后得到折减系数，等效风速折减系数按式（）计算。（），（）式中，为风剖面高度范围，取 ；（）为 高度处测点的横向风速值；为来流风速。两种风速工况下各方案的风速折减系数汇总如表 所示。在桥梁上设置挡风障主要目的是减少桥面侧向横风对桥面行驶车辆的影响，提升桥面车辆在大风天气下的行驶舒适性与安全性。目前，桥梁挡风障采用桥面等效风速折减系数作为挡风性能评价指标，但桥梁挡风障对桥面行驶车辆稳定性的影响规律及其与桥面等效风速折减系数评价结果是否一致？因此，将在不同挡风障方案后方测得的车辆模型的气动侧力、倾覆力矩进行无量纲化获得相应的折减系数，与该处的桥面等效风速折减系数进行比对，鉴于气动升力与车辆底部与顶部局部风场关系密切，应当作为辅