桥梁风障挡风性能的试验研究

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第35卷第8期 振动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK 

桥梁风障挡风性能的试验研究 

李波 ,张剑 ,杨庆山 

(1.北京交通大学土木建筑工程学院,北京100044;2.结构风工程与城市风环境北京市重点实验室,北京1000444) 

摘 要:通过测速风洞试验,得到了孔隙率、障条宽度对桥梁风障挡风性能的影响规律,并对桥梁风障的模拟方法 及其挡风性能评价参数进行了研究。试验结果表明,风障有效挡风高度约为2.OH(H为风障高度),在1.OH范围内,风速 降低较多,在1.OH高度处,流场湍流度达到最大。孑L隙率对风障挡风性能影响较大,随着孔隙率的增大,风障下游风速 增大,湍流度减小。障条宽度对风障挡风性能影响较小,相同孔隙率时,障条宽度对风障下游湍流度的影响可以忽略。按 压力等效定义的风速折减系数较好反映了风速的变化规律,能够来用定量评价风障的挡风效果。 关键词l风障;挡风;桥梁;风}同试验;孔隙率;障条宽度 中图分类号:TU973.212 文献标志码:A 

Experimental study on windbreak performance of wind barriers on bridge 

B0 ,ZHANG Jian ,YANG Qing—shan , 

(1.School of Civil Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China; 2.Beijing’s Key Laboratory of Structural Wind Engineering and Urban Wind Environment,Beijing 100044,China) 

Abstract: Wind tunnel velocity tests have been carried out to investigate the windbreak performance of wind 

barriers on bridges considering different barrier porosities and widths,the wind barrier wind tunnel simulation method and 

evaluation parameter of windbreak performances are discussed in the paper.Test results show that the shielding region of 

wind barriers is about 2.OH(H is the height of wind barrier)and that wind speed decreases significantly when the height is below 1.OH.The turbulence intensity of the downstream flow Oil the wind barrier reaches the maximum at a height of 

1.OH.Windbreak performance depends on porosity of wind barrier,wind speed will rise and turbulence intensity decreases 

with increasing porosity.Barrier width seems to have no relationship with windbreak performance;when porosity is the 

same,the effect of barrier width can be ignored.The wind speed reduction coefficient can be used to evaluate windbreak 

performance.which iS defined by pressure equivalence. 

Key words:wind barrier;windbreak;bridge;wind tunnel test;porosity;width of barrier 

桥梁是现代交通运输系统中的重要组成部分,在 国民经济与社会发展中占有极其重要的地位¨ 。风是 

大跨度桥梁结构设计的主要控制性载荷,由于抗风设 

计不合理风致桥梁破坏事故屡见不鲜;另一方面,因高 

风速而禁止车辆通行更是影响桥梁运营的瓶颈问题, 造成了巨大的经济损失 J。经过数十年的不懈努 

力,桥梁风致振动理论已经逐步完善起来,千米跨度范 围内的各类桥梁均有较为成熟的措施用来保证桥梁的 

抗风性能。因此,改善桥梁(特别是大跨桥梁)的使用 

基金项目:国家自然科学基金项目(51 378060);高等学校学科创新引智 计划(B13002) 收稿日期:2015—09—29修改稿收到日期:2015—11一O5 第一作者李波男,博士,副教授,1978年生 E—mail:libo_77@163.con 功能越来越受到研究者和设计人员的关注。 桥梁风障是设置于桥梁两侧,用于降低风速、防止 

车辆侧翻,保证车辆在侧风作用下行车安全的桥梁附 

属结构。通过加设风障能够降低桥面风速、增加桥面 

行车舒适性、是改善桥梁使用功能的一种主要手段。 

一般情况,桥梁大多采用“钢立柱+障条”的条式风障 

(见图1),其中,立柱起支撑作用,障条起挡风作用,通 

过调节障条的宽度、间距以及数量控制风障的挡风效 

果。英国赛文桥、香港青马大桥、中国杭州湾大桥均是 通过风障提高桥梁运行效率的成功案例 |1 。 

由于桥梁的安全是关注的焦点,已有研究往往是 

针对某个实际工程,采用数值模拟的方法分析风障的 

挡风性能,并未就桥梁风障的模拟方法及其对下游流 场的影响进行专门研究 。基于上述情况,本文将 

采用风洞试验的方法,对上述问题进行研究,为进一步 第8期 李波等:桥梁风障挡风性能的试验研究 81 

明,此时风速基本已不受风障的影响。不同高度处,风 

速沿桥面都是先降低后逐渐增大,风速在第五车道处 

达到了最小值。对于三类车辆而言,50%孑L隙率的风 

障对轿车的挡风效果最好,且在第五车道处风速能够 

达到最小。 

图9给出了不同高度处,8个车道最大风速比分布 

图。可以看出,对全桥而言,不同孔隙率风障的有效遮 

挡高度均为 ,在该区域内,全封闭风障风速比能下降 

至0.25U,随着孔隙率的增加,有效遮挡区域内的风速 

逐渐增加。当孔隙率达到60%时,风速比增至0.82U。 

图9风速比极值分布 Fig.9 Distribution of the maximum of relative wind velocity 

根据实际风速剖面可以计算出相应的等效风速, 

其计算原理是将实际风剖面等效为矩形,等效原则为 

实际风剖面和矩形风剖面的压力总和相等。定义无量 

纲化后的矩形等效风速为风速折减系数,可按下式进 

行计算: 

式中,r为风速折减系数,h,表示所选风剖面高度,本文 

取3.OH,“(^)表示高度h处测得的风速。 

表3给出了在不同孔隙率的风障遮挡下,一至五 车道的风速折减系数。可以看出,风速折减系数较好 

反映了风速的变化规律,能够定量表示风障在不同位 

置处的挡风效果。 

表3风速折减系数分布 Tab.3 Distribution of wind speed reduction coefficient 

图l0给出了第三车道湍流度沿高度的分布。可 

以看出,全封闭风障(孔隙率0%)对湍流度的影响高 

度最大,达到3H;设置一定孔隙率(40%~60%)后,湍 流度影响高度降至2H,并且,随着孔隙率的增大,湍流 

度变小。值得注意的是,不同孔隙的风障,湍流度都在 

1H高度达到最大。 

图10湍流度分布 Fig.10 Distribution of Turbulence Intensity 

图11给出了不同高度处,8个车道最大湍流度分 

布图。可以看出,对全桥而言,湍流度也是在1H高度 

处达到最大。同样高度处,湍流度大致随着孔隙率的 

增大而减小。 

图11湍流度极值分布 Fig.1 1 Distribution of the maximum of turbulence intensity 

3风障障条宽度的影响 

图12给出了风障孔隙率为50%,不同障条宽度 

时,第三车道无量纲风速比沿高度的分布。 

可以看出,风速在1H高度范围内有一定差异,但 

在该高度以上,各工况时测得的风速基本相同。这说 

明,相同孔隙率时,障条宽度对风障挡风效率的影响 

不大。 图13给出了在不同障条宽度时,第三车道湍流度 

沿高度的分布。 

可以看出,孔隙率相同时,仅在1H高度处,障条宽 

度对湍流度有一定影响,其它位置处,障条宽度对湍流 

度的影响也不大。这说明,相同孔隙率时,障条宽度对 

风障下游湍流度的影响可以忽略。

 振动与冲击 2016年第35卷 

图12风速比分布 Fig.12 Distribution of ratio of wind velocity 

图13湍流度分布 Fig.13 Distribution of turbulence intensity 

4 结论 

本文通过风洞试验,研究了风障孔隙率以及障条 

宽度对桥面风速、湍流度的影响。主要结论如下: 

(1)在风洞模拟风障的挡风性能时,除几何尺度 

相似外,风障的孔隙率、厚度也要按要求进行相似比 设计。 (2)孔隙率对桥梁风障的挡风性能影响较大,障 

条宽度影响较小。随着孔隙率的增大,风障下游风速 

增大,湍流度减小。 (3)风障有效挡风高度约为2.OH(日为风障高 

度),在1.OH范围内,风速降低较多,但在1.OH高度 

处,流场湍流度达到最大。 (4)按压力等效定义的风速折减系数能够用来定 

量评价风障的挡风效果。 

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