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福州绕城公路东南段长门特大桥抗风性能与行车风环境研究

时间:2017-11-08     来源:厅成果处     字体显示:        阅读:{{ pvCount }}次

  1、课题来源与背景 

  长门特大桥位于闽江下游,濒临入海口处,东临东海。大桥在福州市连江县长门村和在琅岐岛之间跨越闽江,是福州绕城高速公路东南段的控制性工程。该桥为双塔双索面混合梁斜拉桥,跨径布置为41.9m + 49.6m + 57.5m + 550m + 64.5m + 60.5m = 824m。长门特大桥结构轻而柔、阻尼较小,对风的作用十分敏感。而闽江口又是我国东、南部沿海台风频袭地区之一,曾多次受到强台风的正面袭击。根据长门大桥桥位气象观测、风参数研究报告,桥位10米高度处10年重现期基本风速高达39.7m/s,桥面高度颤振检验风速为80.4m/s。因此长门特大桥的抗风性能将是决定大桥结构安全性的关键因素之一。 

  长门特大桥桥面设计标高较高,由于大气边界层存在的梯度风效应,大桥主梁高度的风速远远高于地面引线高度公路的风速。这就意味着大桥和引线高速公路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,非常有必要对其行车风环境进行研究,通过采取桥面减风措施来降低桥面风速,提高行车安全性,使之具有与引线高速公路相近的安全行车风速。 

  由于受到桥塔的遮挡效应,缆索承重桥梁(包括斜拉桥和悬索桥)桥塔附近桥面区域风场变化剧烈。这种风速的突然变化会给正在高速行驶中的车辆安全带来较大的不利影响。因此为提高桥塔临近区域行车风环境的安全性,也可以采取减风措施来降低桥塔临近区域的风速变化率,避免风速的突然变化带来的行车安全隐患。 

  2、科技原理及性能指标 

  研究采用了多种形式的风洞试验(包括常规比例节段模型风洞试验、大比例节段模型试验、桥面行车风环境大比例节段模型风洞试验、全桥气动弹性模型风洞试验)以及基于流体动力学的桥面行车风环境CFD分析。 

  性能指标: 

  1、长门特大桥主桥成桥和施工阶段主梁基准高度设计基准风速分别为53.0m/s和48.8m/s;成桥和施工阶段颤振检验风速分别为80.4m/s和74.0m/s;成桥和施工阶段静风失稳检验风速分别为63.6m/s和58.5m/s。 

  2、长门特大桥主桥在成桥运营及施工状态时均匀流场中 3 攻角范围内颤振临界风速需高于相应阶段的颤振检验风速,具有足够的颤振稳定性。 

  3、长门特大桥主桥在成桥运营及施工状态时均匀流场中 3 攻角范围内静风失稳临界风速需高于相应阶段的静风失稳检验风速,具有足够的静风稳定性。 

  4、长门特大桥主桥成桥运营状态在均匀流场中 3 攻角范围内如果发生竖向及扭转涡激共振,其振幅不能超出相应容许值,竖弯涡振及扭转涡振允许振幅分别为0.122m和0.142 o。 

  5、长门特大桥桥面风环境应满足"全线等效侧向风速一致性原则",即汽车在长门特大桥主桥和引桥桥面上的等效侧向风速应接近其在引线地面道路上的等效侧向风速。 

  3、技术的创造性与先进性 

  在"全线等效侧向风速一致性原则"下,通过桥面风环境大比例模型试验和CFD分析,给出了透风率最优的变高度变透风率的主桥和引桥标准风障,降低桥面风速,显著改善了桥面行车风环境,提高了桥梁通行能力,使长门特大桥主桥及引桥具有了与地面高速公路相同甚至更优的侧风行车安全性,从而在大风天气下不再成为整条高速公路的阻塞区域,保证了整条高速公路的畅通。 

  给出的桥塔局部风障建议,可以消除桥塔附近桥面的风速超出标准主梁断面桥面风速的现象;实现桥塔中心无风区向标准主梁断面桥面风速的平稳过度,避免风速突变现象的出现。从而改善了主桥桥塔附近区域大风情况下行车安全性。 

  通过模型试验和CFD分析,在国内首次采用平面曲线式钢立柱加标准钢制矩形风障条的风障。 

  经过文献查新,研究中所提出的"全线等效侧向风速一致性原则",以及为实现该原则所进行的一系列研究,并最终给出的改善全桥(包括主桥和引桥)桥面行车风环境的风障解决方案,在全国同类型桥梁中均属首创。 

  4、技术的成熟程度,适用范围和安全性 

  本研究中所采用的各种类型的风洞试验和流体动力学数值计算方法是国内外应用于桥梁和结构抗风性能、桥面风环境研究的主流方法。这些研究方法非常成熟,研究中所采用的技术路线正确,方法合理,结论可信。 

  本研究所采用的方法适用于大跨度桥梁抗风性能与桥面行车风环境研究,所得结果具有很高的可信度,完全可以保证研究对象的抗风安全性,显著改善桥面行车风环境,提高桥面行车安全性。 

  5、应用情况及存在问题 

  通过本项目对桥梁结构抗风性能和桥面行车风环境进行研究,不仅保证了长门特大桥的抗风安全性,改善了大桥桥塔附近区域大风情况下行车安全性,保证了大桥具有与地面接线高速公路相通的大风通行能力,充分发挥大桥琅岐岛生命通道的重要作用,还指导设计对大桥主梁断面进行了优化,节省了工程造价约541万元。课题的研究成果具有很高的经济社会效益。 

    目前桥梁所使用风障正在申请国家专利,专利号:201710034809X,专利名称:一种风障及具有该风障的桥梁。

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