CN111733687A - 一种全天候桥梁通道的通风方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全天候桥梁通道的通风方法，当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积大于6×10⁵时采用机械通风；当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积当小于6×10⁵时采用自然通风；当单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积大于2×10⁶时采用机械通风；当单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积小于2×10⁶时采用自然通风；采用以上的通风方式均不需要设置送风道、排风道、大型风机房等通风系统，不仅可以节约建设成本、节省后期维护费用和时间，还可以减少海上台风、暴雨等恶劣气候条件对桥梁通道行车通行的影响。

Description

一种全天候桥梁通道的通风方法

技术领域

本发明属于桥梁设备技术领域，具体涉及一种全天候桥梁通道的通风方法。

背景技术

随着我国国家综合实力增强和工程修建技术的不断提高，我国交通基础设施建设取得迅速发展，修建例如台湾海峡通道、琼州海峡通道、渤海海峡通道等跨越海峡的具有重大经济、社会意义的通道呼声日益高涨。特别是台湾海峡通道的修建，不仅有利于加强我国各地之间的联系，带动沿线经济发展，促进国民经济大发展。跨海全天候桥梁通道方案是为保证车辆在浓雾、暴雨、强风等恶劣气候条件下也能安全、畅通的通行，将行车道从开口桥面移动至箱梁内，车辆改为在全封闭的箱梁内通行。

考虑到跨海全天候桥梁通道特长全封闭的结构特点和存在的汽车污染问题，为保证司乘人员和通道内工作人员身体健康，提高行车的安全和舒适性，必须要对跨海全天候桥梁通道进行通风。然而，目前国内对跨海全天候桥梁通道的研究，还主要集中在桥梁桥型选择和跨度选择方面，对跨海全天候桥梁通道的通风的研究国内外尚属空白。

发明内容

本发明提供了一种全天候桥梁通道的通风方法，以跨海全天候桥梁通道为研究对象，结合跨海全天候桥梁通道的建筑环境特点，提出适合跨海全天候桥梁通道的通风方法，在全天候桥梁通道断面内形成有效的空气稀释、流动和交换，达到通道内风流均匀稳定分布的效果。

为达到上述目的，本发明所述一种全天候桥梁通道的通风方法，当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积大于等于6×10⁵或单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积大于等于2×10⁶时采用机械通风；当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积当小于6×10⁵或单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积小于2×10⁶时采用自然通风；其中，机械通风包括全横向通风，半横向通风以及混合式通风，所述混合式通风包括通风竖井加半横向混合式通风，送风半横向加排风半横向混合式通风，半横向加全横向混合式通风，以及送风半横向加纵向通风加全横向混合式通风。

进一步的，当全天候桥梁通道长度L为2km-5km时，采用半横向通风；当全天候桥梁通道的纵向风速大于8m/s时，采用全横向通风，当采用全横向通风时需要开设的通风口使桥梁通道的强度小于安全阈值时，采用混合式通风。

进一步的，采用全横向通风方式时，在跨海全天候桥梁通道顶板上设置送风孔，送风孔上安装送风机；在桥梁通道的下侧桥梁箱梁上开设排风孔，排风孔上安装送排风机，以将桥梁通道内的污染空气和外界空气的交换，同时在全天候桥梁通道内产生横向风流。

进一步的，采用全横向通风方式时，送风孔沿着桥梁通道方向均匀布置，相邻的送风孔间距为5m～7m；排风孔沿着桥梁通道方向均匀布置，相邻的排风孔间距为10m～14m；送风孔和排风孔沿着桥梁通道延伸方向间隔布置，送风孔开口角度为15°～25°。

进一步的，半横向通风方式包括送风半横向通风和排风半横向通风，送风半横向通风方式是通过安装在送风孔上的送风机将外界空气送入到桥梁通道中，对桥梁通道内的污染空气和烟尘进行稀释，达到桥梁通道内通风卫生标准；排风半横向通风方式则通过安装在排风孔上的排风机将通道内的污染空气排出桥梁通道，来对桥梁通道内的污染空气和烟尘进行稀释，达到通风卫生标准；所述送风孔或通风孔开设在桥梁箱梁上。

进一步的，当采用风型半横向通风时，送风孔位置布设在桥梁通道的边墙底部，送风孔竖向开口角度为15°～25°，纵向开口角度为30°～40°，所述送风孔间距为25m。

进一步的，通风竖井加半横向混合式通风包括送风型半横向加排风竖井混合式通风，以及排风型半横向通风+送风井混合式通风；当采用送风型半横向+排风竖井的混合式通风时：若桥型为斜拉桥或者悬索桥时，将排风口和风机房一并设置在桥塔结构内部，利用箱梁内和桥塔顶部的热位差和超静压差进行排风，降低动力消耗，实现通风；否则将排风孔和通风塔布设在箱梁的顶部和边墙位置；当采用排风型半横向通风加送风井混合式通风方式时，排风孔设置在桥梁通道顶部和边墙上部，若桥型为斜拉桥或者悬索桥的时，将送风井和风机房一并设置在桥塔结构内部，否则将送风孔和通风塔布设在箱梁的顶部和边墙位置。

进一步的，当采用送风半横向加排风半横向混合式通风时，送风孔设置在底板上，排风孔设置在顶板上，排风孔和送风孔设置在同一纵断面内，排风口设置在通道进口至1/3全长处，以及2/3全长至出口处，送风口设置在1/3至2/3全长处。

进一步的，当采用半横向加全横向混合式通风，送风孔设置在底板上，排风孔沿着整个通道顶板上均匀分布，排风孔和送风孔设置在同一纵断面内，送风口设置在通道进口至1/3全长处。

进一步的，当采用送风半横向加纵向通风加全横向混合式通风时，送风孔设置在底板上，排风孔设置在顶板上，排风孔和送风孔设置在同一纵断面内，送风口设置在通道进口至1/3通道全长处，排风口布置在通道进口至1/3全长，以及通道2/3全长至出口位置。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

全天候桥梁的通风是其运营中必须解决的问题，目前针对全天候桥梁的通风设计尚属空白。本发明提供了跨海全天候桥梁通道的通风结构和通风方法，解决了跨海全天候桥梁的通风问题，为这一桥梁通道的建成及运营提供了基础。

本发明提供了全天候桥梁通道的通风方案，为全天候桥梁通道采用公路交通的方式提供可能。相比于铁路通道，通风在公路隧道中尤为重要。新鲜空气对司乘人员呼气、机动车燃料燃烧、降低通道烟尘以及有害气体浓度具有重要意义。本发明的意义则在于构建合理通风结构和通风方法，科学经济的将新鲜空气引入通道，将污浊空气排出通道，实现封闭通道的通风。

本发明根据需风量的不同，提供了自然通风、机械通风(包括全横向、半横向、混合式)等通风方式，提供了全天候桥梁通道在不同需风量工况下的通风方法。

本发明结合桥梁通道的特征提供了通风竖井、通风口等的设置形式及位置等，不用针对该封闭通道专门重新建设一套通风设备，降低了工程量，提高了全天候桥梁通道各构件的使用率，降低了工程造价，节约工期。

本发明考虑不同方式通风下的通道内空气流动特点，以及通道外部空间清洁空气的高效利用，提供了桥梁通道的通风口设置位置、设计角度、设置形状等，使通道在发明给出的通风方式下，气流均匀，污浊空气排出效率高。从而提高了桥梁通道的通风效率，节约通道的运营成本，降低工程投资。本发明可以实现跨海桥梁的全天候通行，提高运输效率，提升运营安全。

本发明提供的通风方案在火灾工况下可以通过开启相应区段的风机，进行灵活的通风控制，控制烟气流动，保证人员逃生安全；不需要布设送(排)风道、风机房等常规通风系统构件通风系统，减少能量损失，节省建设费用。

附图说明

图1是全天候桥梁通道横截面示意图；

图2是全天候桥梁通道自然通风示意图；

图3是全天候桥梁通道全横向通风示意图；

图4是全天候桥梁通道送风型半横向通风示意图；

图5是全天候桥梁通道排风型半横向通风示意图；

图6是全天候桥梁通道竖井示意图；

图7是全天候桥梁通道送风半横向+排风竖井混合式通风示意图；

图8是全天候桥梁通道排风半横向+送风竖井混合式通风示意图；

图9是全天候桥梁通道排风半横向+送风半横向混合式通风示意图；

图10是全天候桥梁通道全横向+半横向排风混合式通风示意图；

图11是全天候桥梁通道全横向+纵向+半横向混合式通风示意图；

图12是送风孔单向布置时通道内流场分布图；

图13是送风孔双向布置时通道内流场分布图；

图14送风孔间距为3m的通道中心横截面速度等直线图；

图15送风孔间距为3m的通道中心纵截面速度等直线图；

图16送风孔间距为5m的通道中心横截面速度等直线图；

图17送风孔间距为5m的通道中心纵截面速度等直线图；

图18送风孔间距为7m的通道中心横截面速度等直线图；

图19送风孔间距为7m的通道中心纵截面速度等直线图；

图20送风孔间距为9m的通道中心横截面速度等直线图；

图21送风孔间距为9m的通道中心纵截面速度等直线图；

图22入射角为10°时的横截面速度等直线图；

图23入射角为15°时的横截面速度等直线图；

图24射角为20°时的横截面速度等直线图；

图25入射角为25°时的横截面速度等直线图；

图26入射角为30°时的横截面速度等直线图；

图27入射角为35°时的横截面速度等直线图；

图28入射角为40°时的横截面速度等直线图；

图29入射角为45°时的横截面速度等直线图；

图30送风孔间距为20m时速度分布图；

图31送风孔间距为22m时速度分布图；

图32送风孔间距为25m时速度分布图；

图33送风孔间距为28m时速度分布图；

图34送风孔间距为30m时速度分布图；

图35送风孔纵向开口角度为10°时横截面速度分布图；

图36送风孔纵向开口角度为10°时水平面速度分布图；

图37送风孔纵向开口角度为20°时横截面速度分布图；

图38送风孔纵向开口角度为10°时水平面速度分布图；

图39送风孔纵向开口角度为30°横截面速度分布图；

图40送风孔纵向开口角度为30°时水平面速度分布图；

图41送风孔纵向开口角度为40°横截面速度分布图；

图42送风孔纵向开口角度为40°时水平面速度分布图；

图43送风孔纵向开口角度为50°横截面速度分布图；

图44送风孔纵向开口角度为50°时水平面速度分布图；

图45风孔纵向开口角度为60°横截面速度分布图；

图46风孔纵向开口角度为60°时水平面速度分布图；

图47风孔形状为圆形时横截面速度分布图；

图48风孔形状为圆形时水平面速度场分布图；

图49风孔形状为圆形时横截面速度分布图；

图50孔形状为方形时水平面速度场分布图。

附图中：1-箱梁、2-行车道、3-救援梯道、4-送风孔、5-排风孔、6-桥塔(内设竖井)、7-竖井与箱梁联络风道，8-风机，9-自然通风孔，10-排风井，11-送风井。

具体实施方式

为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。

参照图1，一种跨海全天候桥梁，其下部结构及上部受力结构采用悬索桥或斜拉桥的结构体系。其双向行车道板2置于一封闭箱梁1内，箱梁1采用钢结构或钢筋混凝土结构。箱梁1截面尺寸按照所设计桥梁行车道的数量确定，箱梁1中间设置救援梯道3，留取足够净空保证行车安全及安装通风系统等附属设施。箱梁1上方救援梯道3两侧对称开设有排风孔5，箱梁1下方两侧对称开设有送风孔4，箱梁1上方两侧对称开设有风道连接口。本发明提出的通风方式分为自然通风和机械通风两种，其中机械通风包括：全横向通风、半横向通风和混合式通风三种。其中半横向通风包括：送风半横向通风方式和排风半横向通风方式。混合式通风包括：通风竖井+半横向通风、送风半横向+排风半横向通风、半横向通风+全横向混合式通风，以及送风半横向+纵向通风+全横向通风。

以上机械通风方式均是通过在桥梁箱梁1的顶部、侧壁和底部开口并安装送风机或排风机实现与外界空气的交换。

当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L(m)与设计小时交通量N(veh/h)之积大于等于6×10⁵时采用机械通风；当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L(m)与设计小时交通量N(veh/h)之积当小于6×10⁵时采用自然通风；

当单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L(m)与设计小时交通量N(veh/h)之积大于等于2×10⁶时采用机械通风；当单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L(m)与设计小时交通量N(veh/h)之积小于2×10⁶时采用自然通风。

考虑到通道结构的整体强度与安全性，推荐采用半横向通风。半横向通风适用长度为3km左右的通道，当通道增长时，需风量增加，通道中的纵向风速增加，纵向风速过大时会影响行车或意外发生时的人员安全，因此当纵向风速大于8m/s时，考虑采用全横向通风。当通道需风量过大，导致采用全横向通风时需要建造过于密集的通风口，继而会影响通道结构的受力性能，可考虑采用形式较为复杂的混合式通风。

参照图2，在跨海全天候桥梁通道的桥梁箱梁两侧的同一水平线上交替设置自然通风口9；利用通过风口的海上自然风流和全天候跨海桥梁通道内部行驶的车辆产生的交通风压实现自然通风。利用海上自然风流和全天候跨海桥梁通道内部行驶的车辆产生的交通风压进行通风。通过在桥梁通道周边开设自然通风口来实现桥梁通道的通风换气；同时，这些自然通风口设置防水挡板等防水设施，防止海上出现暴风雨天气时，使雨水进入全天候桥梁通道内部影响正常通行。

参照图3，全横向通风方式即通过在全天候桥梁通道的周边结构位置开口，并安装送风机和排风机的方法实现将桥梁通道内的污染空气和外界空气的交换，同时在全天候桥梁通道内产生横向风流。在跨海全天候桥梁通道的上侧箱梁上设置送风孔，送风孔上设置送风机；在跨海全天候桥梁通道的下侧桥梁箱梁上设置排风孔，排风孔上设置排风机。排风机和送风机均为风机8，安装在排风孔的风机8称为排风机，安装在送风孔的风机8称为送风机；采用此种通风方式时可以不考虑桥梁通道长度和通道内最大纵向风速的影响，具有灵活的通风排烟效果。本方案采用有限元软件Fluent模拟了全天候桥梁通道采用全横向通风方式时的通风细部参数设置方法。主要对全横向通风方式下的送、排风孔布设位置、送排风孔布设间距、送排风孔布设角度和送排风孔形状等因素对通道内通风效果的影响进行了研究，给出了其具体设置参数。其中送风孔位置宜布设在桥梁通道边墙底部两侧位置，送风孔双侧布置时比单侧布置时，不仅通道内风速分布更均匀，而且更有利于风道内污染物的排出，建议在边墙下部对称设置送风孔。同时，排风孔宜设置在桥梁通道顶板中央位置；送风孔开口角度设置在15～25°的范围内；送风孔沿着桥梁通道方向均匀布置，相邻的送风孔间距为5m～7m。同时，排风孔沿着桥梁通道方向均匀布置，相邻的排风孔间距设置在10m～14m范围内时纵向风流分布均匀。送风孔和排风孔沿着桥梁通道延伸方向间隔布置。

半横向通风方式分为：送风半横向通风和排风半横向通风两种，这两种通风方式均是通过在全天候桥梁通道的箱梁上开口并安装送风机或排风的方法实现。

参照图4，在跨海全天候桥梁通道的一侧桥梁箱梁上设置送风孔或排风孔，送风孔上设置送风机，排风孔上设置排风机。送风半横向通风方式是通过送风机和送风孔将外界的新鲜空气送入到桥梁通道中来，对桥梁通道内的污染空气和烟尘进行稀释，达到通道内通风卫生标准。

参照图5，排风半横向通风方式是通过排风机和排风孔将通道内的污染空气排出桥梁通道，来对桥梁通道内的污染空气和烟尘进行稀释，达到通风卫生标准。本方案采用有限元软件Fluent模拟了全天候桥梁通道采用送风型半横向通风方式时的通风细部参数设置方法。主要对送风型半横向通风的送风孔的细部参数设置进行了研究。其中送风孔的细部参数主要包括送风孔位置的设置、送风孔开口角度、送风孔间距和送风孔形状。送风孔位置宜布设在边墙底部，同时保证有竖向开口角度和纵向开口角度，使通道内污染空气得到均匀稀释并沿行车方向扩散，竖向开口角度宜布设为15°～25°，纵向开口角度宜布设为30°～40°。为保证纵向风流的均匀一致性，同时考虑开口数目对工程量的影响，建议送风孔间距设置为25m。

混合式通风是对以上单一的通风方式进行组合，或增加通风竖井，或结合纵向通风，形成新的通风式，利用以上单一通风方式的优点使桥梁通道内的空气达到通风卫生标准，其中包括通风竖井+半横向通风、送风半横向+排风半横向通风、半横向通风+全横向混合式通风，以及送风半横向+纵向通风+全横向通风。以上四种通风方式均利用组合通风的优点来解决全天候桥梁通道长度过长和纵向风速过大通风的问题。

参照图6，为通风竖井的设置形式。箱梁1两侧设置有桥塔6，桥塔6内设竖井，竖井通过联络风道7和风道连接口连接。竖井断面与桥塔6截面空心断面一致。对应这种全天候桥梁，他的竖井只是一个概念的存在，将通风竖井与桥塔相结合。断面尺寸根据需风量计算。

通风竖井+半横向通风又可分为：送风型半横向+排风竖井混合式通风以及排风型半横向通风+送风井(口)混合式通风。

参照图7，当采用送风型半横向+排风竖井的混合式通风方式时主要对排风井10(口)的设置进行了研究。当桥型为斜拉桥或者悬索桥时，将排风井(口)和风机房一并设置在桥塔结构内部，利用箱梁内和桥塔顶部的热位差和超静压差进行排风，降低动力消耗，实现绿色通风。当跨海全天候桥梁通道为其他桥型时可考虑将排风孔和通风塔布设在箱梁的顶部和边墙位置。送风孔设置在底板上。

此时，也对采用排风型半横向通风+送风井11(口)的混合式通风方式的排风孔的和送风竖井的设置进行了研究，参照图8，排风孔设置在隧道顶部和边墙上部。当桥型为斜拉桥或者悬索桥的时，可考虑将送风井和风机房一并设置在桥塔结构内部。当全天候桥梁通道为其他桥型时，可考虑将送风孔和通风塔布设在箱梁的顶部和边墙位置。利用箱梁内和桥塔顶部的热位差和超静压差进行排风，降低动力消耗，实现绿色通风。

参照图9，送风半横向+排送风半横向混合式通风方式由排风式半横向通风和送风式半横向通风组合而成，此种通风方式的优点是适用于通风区段长度较长的情况，同时，在通风区段中部分区域内的风流与交通流方向一致，充分利用通道内的交通风进行通风，减少动力消耗。送风孔设置在底板上，排风孔设置在顶板上，排风孔和送风孔设置在同一纵断面内，排风口设置在通道进口至1/3全长处，以及2/3全长至出口处，送风口设置在1/3至2/3全长处。利用通道底部设置的送风孔中安装的风机将通道外部的新鲜空气送入通道内部，隧道中的污浊空气通过通道顶板排风孔中安装的风机排向通道外。

参照图10，半横向通风+全横向混合式通风方式由半横向通风系统和全横向通风系统组成，此种混合式通风系统的优点是可以解决公路隧道特长且竖井深度太深无法施工的问题，适用于特长全天候桥梁通道通风，利用半横向通风使通道内部的风流方向与通道内车流方向一致，充分利用交通风，节省通风动力消耗。送风孔设置在底板上，排风孔设置在顶板上，排风孔和送风孔设置在同一纵断面内，送风口设置在通道进口至1/3全长处，排风口全长布置。利用通道底部设置的送风孔中安装的风机将通道外部的新鲜空气送入通道内部，隧道中的污浊空气通过通道顶板排风孔中安装的风机排向通道外。通道下游的污浊空气通过顶板排风孔排出同时可借助交通风通过通道出口排出。

参照图11，送风半横向+纵向通风+全横向通风混合式通风方式是由纵向通风系统、半横向通风系统和全横向通风系统组合而成，此种混合式通风系统的优点在于并不需要通风竖井和通风风道，适合特长全天候桥梁通道通风，不仅省去了建设风道和风机房等通风建筑结构，而且通道内部的风流方向与车流方向一致，可以充分利用了交通风，节省通风动力消耗。送风孔设置在底板上，排风孔设置在顶板上，排风孔和送风孔设置在同一纵断面内，送风口设置在通道进口至1/3通道全长处，排风口布置在通道进口至1/3全长，以及通道2/3全长至出口位置。利用通道底部设置的送风孔中安装的风机将通道外部的新鲜空气送入通道内部，隧道中的污浊空气通过通道顶板排风孔中安装的风机排向通道外。通道中游的污浊空气通过交通风带至通道下游，通过下游顶板排风孔或通道出口排出。

实施例1：

跨海全天候桥梁通道长度为127km，其中主跨为跨径3500m悬索桥，其他部分为其他桥梁形式，桥梁为双向十车道，桥梁箱梁内有两个室分别进行单向交通，交通量为2096辆/h，为保证在正常运行和火灾状态下的通风排烟效果良好，选择机械通风中的全横向通风方式进行通风。

全天候跨海桥梁通道采用全横向通风方式时，在全天候桥梁通道下部和上部位置分别布置送风孔和排风孔，在送风孔位置直接安装送风机，排风孔位置直接安装送风机，实现通道内污染空气烟尘与外界新鲜空气交换。主要考虑全横向通风中送排风孔位置、送排风孔间距、送排风孔角度和送排风孔形状对通风效果的影响。

由于跨海全天候桥梁通道长度较长，在计算中只截取50m的桥梁通道作为计算长度，并建立了三维几何模型进行计算，其中全天候桥梁通道模型外形尺寸有：纵向长度为50m，宽度为15m，高度为5m。全天候桥梁通道模型内轮廓即为隧道建筑限界，边界条件采用Fluent中常用边界条件，其中桥梁通道模型两侧的进风口采用流量入口边界条件，排风孔采用速度边界条件，模型中的桥梁通道出口和入口均采用对称边界条件，同时，考虑桥梁通道的壁面摩阻系数，在模型计算设置中打开质量守恒方程并运用k～ε紊流模型，采用SIMPLE算法进行模拟计算。

(1)送、排风孔位置研究

送、排风孔位置研究时，设置两组工况分别是：1)送风孔单侧布置于一侧边墙底部，同时，排风孔布置于另一侧顶板上；2)送风孔布置于双侧边墙底部，且排风孔布置于顶板中央位置。其中具体通风计算时采用的参数设置表1-1所示。

表1-1通风计算参数表

在计算结果中分别截取Z＝42.5截面(隧道长度方向最后一个送风孔所在的截面),观察横断面内的流场分布，分别如图12和图13所示。

由此可知，当送风孔单侧布置时，通道内流场分布呈现出沿入射角度分布且逐渐向两侧扩散的规律，横向风流主要集中分布在入射角度中央范围内，并且对两侧区域范围内的影响较小，在通道横断面左侧边墙下部空间角隅处的横向风速几乎为零。当送风孔双侧布置时，两侧流场对称分布且流场均匀分布在整个通道空间内，不存在通道内部空间角隅处的横向风速为零情况。故送风孔双侧布置时通道内流场分布比单侧布置送风孔的情况下流场分布更均匀，流场中风流分布基本对称，更有利于污染物排出。

(2)送风孔和排风孔间距设置

此工况下建立的模型与上一工况的模型大小、边界条件和计算方法完全一致，在此模型中送风孔间距分别为3m、5m、7m和9m；排风孔间距分别对应为6m、10m、14m和18m。具体计算模型参数参照表1-2所示。

表1-2送风孔排风孔间距设置工况表

对以上四种工况结果进行整理，分别截取出在隧道长度方向最后一个送风孔位置处的横截面X方向的风速等值线图和行车道中心线所在纵截面上的Y方向风速等值线图，见图14～21所示。

从以上的通风模拟结果分析可以看出，送风孔间距和排风孔间距对通道内纵向风流的分布影响显著，送风孔间距在5～7m，同时排风孔间距10～14m时，纵向流场分布较均匀，速度变化不大；而送风孔间距在3m时，纵向流场分布均匀，同时风速变化不大，风速较高，能够保证污染空气的及时排出，但送风孔间距过小导致送分孔分布过密，致使工程造价和维护费用较高；送风孔间距在9m的时候，纵向流场分布不均匀，速度变化较大，两个排风孔中间存在速度为零的区域，不利于污染空气的及时排出。因此，建议全横向通风时送风孔间距宜设置为5～7m范围内，排风孔间距宜设置为10～14m范围内。

(3)送风孔开口角度

此工况下主要研究在风量和送排风孔直径和间距不变的情况下，送风孔的开口方向与水平方向的夹角α对通道内风流分布的影响，此工况下建立的模型与上一工况的模型大小、边界条件和计算方法完全一致，具体的送排风孔设置参数如下表1-3所示。

表1-3送风孔开口角度工况表

对上述布置的七种工况进行计算结果整理分析得：取通道内Z＝45m截面(隧道长度方向最后一个送风孔所在的横截面)进行X方向的速度场和X＝7.5m隧道中心线截面上的Y方向的速度场进行分析，得不同送风孔开口角度下所对应的速度等值线图如图22～29所示。

从以上模拟结果图22-29可以看出：送风孔竖向开口角度对通道内横截面内的风流场分布产生很大影响，当开口角度从15°变化到25°时，风速在横断面内的变化较均匀，风流场在隧道边墙顶部依然存在风流，有利于污染气体的扩散排出，当开口角度从30°变化到45°时，风速在横截面内变化很大，风速分布非常不均匀，风流分布主要集中在隧道顶板位置，而行车道中间位置横向风速为零，污染空气会始终在这里积聚，十分不利于车辆底部污染空气的排出。因此，建议全横向通风时，送风孔竖向开口角度宜布设在15°～25°范围内。

综上可知，由于跨海桥梁通道车道数目较多，横截面积较大的原因，送风孔宜对称布设在桥梁通道边墙下部位置，排风孔宜布设在顶板中央位置，送风孔间距宜布设为5m，排风孔间距设置为10m。可电动控制角度的通风口竖直开口角度宜控制在15～25°范围内，纵向角度为90°(因为全横向通风对应送风口和排风口在同一断面，因此纵向角度为90°即为最优角度)。送风孔形状采用圆形。

实施例2：

跨海全天候桥梁通道长度为3km，桥梁为双向十车道，桥梁箱梁内有两个室分别进行单向交通，交通量为2090veh/h，为保证在正常运行和火灾状态下的通风排烟效果良好，选择机械通风中的半横向通风方式进行通风。

全天候跨海桥梁通道采用送风半横向通风方式时，由于跨海全天候桥梁通道长度较长，在计算中只截取100m的桥梁通道作为计算长度，并建立了三维几何模型进行计算，在全天候桥梁通道下部布置送风孔，在送风孔位置直接安装送风机，实现通道内污染空气烟尘与外界新鲜空气交换。主要研究半横向通风中送排风孔位置、送排风孔间距、送排风孔角度和送排风孔形状对通风效果的影响。

(1)送风孔间距

分别计算五种不同的通风孔间距工况，通风孔间距分别为20m，22m，25m，28m和30m。选取其中长度为100m的区段进行建模分析(横断面形式同实施例1)，边界条件采用Fluent中常用边界条件，其中桥梁通道模型两侧的进风口采用流量入口边界条件，排风孔采用速度边界条件，模型中的桥梁通道出口和入口均采用对称边界条件，同时，考虑桥梁通道的壁面摩阻系数，在模型计算设置中打开质量守恒方程并运用k～ε紊流模型，采用SIMPLE算法进行模拟计算，其他计算条件保持一致，见表2-1所示。

表2-1送风孔布设间距参数表

在以上五种不同的送风孔间距布设工况的计算结果中，选取模型中Y＝1.5m高度处的平面，观察在不同通风口间距下Z方向的速度等值线图，水平面上的速度分布等直线图见图30-34所示。

通过对以上五种不同的通风孔布设间距工况的计算结果分析得，在水平面内纵向风速等值线图中可以看出，当送风孔间距为20m时，纵向风速可达0.6m/s，在水平截面上纵向两个送风孔间存在风流合流区域，有利于污染物排出；当送风孔间距为25m时，纵向风速可达1m/s，且在水平截面上纵向两个送风孔间存在风流合流区域，有利于污染物排出；当送风孔间距为30m时，纵向风速可达0.4m/s，且纵向两送风孔间不存在交叠区域，中间部分区域纵向风速为零，不能形成纵向合流，不利于污染物的排出。因此，建议在送风型半横向通风时，送风孔间距宜设置为25m。

(2)送风孔开口角度

本节主要研究送风孔纵向开口角度对风速的影响。由于半横向送风模型较长，实际跨海通道内的风压中间位置最高，并沿通道纵向逐渐降低至通道出口为零，因此在这里对模型进行简化，选取长度为100m的一段建立模型进行分析(横断面形式同实施例1)，具体通风计算设置参数见表2-2所示。

表2-2送风孔纵向开口角度参数表

对以上六种不同的送风孔开口角度计算结果进行分析处理时，分析截面均取自于Z＝80m处(模型中最后一个送风孔处)截面上沿X方向分布的速度等值线图和Y＝1.5m处(具体路面1.5m高度处)的截面上沿Z方向分布的速度等值线图，不同送风孔纵向开口角度下的横截面X方向速度等值线图和水平截面Z方向的速度的分别见图35-图46所示。

从以上六种不同纵向开口角度的计算处理结果可以看出：送风孔纵向开口角度在30～40°时，风流场在行车方向上稳定汇聚，可以有效形成沿行车方向的风流，有利于污染物的排放。当纵向开口角度小于30°时，也能够形成合流，但是中间位置会出现涡流场，阻碍风流沿行车方向发展，从稀释和排放污染空气的角度来看，并不是有利的纵向开口角度。当纵向开口角度大于30°时，从等值线图中可以看出，两股风流已经汇聚，并且互相干扰，使风流场混乱，使进入风流的能量迅速耗散，不利于污染空气的排放。因此，建议采用送风型半横向通风方式时，送风孔纵向开口角度宜设置为30°～40°。

(3)送风孔形状

为研究送风孔形状对通道内风流分布的影响，本小节主要讨论送风孔形状为方形和圆形两种工况下，通道内风流分布的特点。同样选取长度为100m的一段建立模型进行分析(横断面形式同实施例1)，边界条件采用Fluent中常用边界条件，其中桥梁通道模型两侧的进风口采用流量入口边界条件，排风孔采用速度边界条件，模型中的桥梁通道出口和入口均采用对称边界条件，同时，考虑桥梁通道的壁面摩阻系数，在模型计算设置中打开质量守恒方程并运用k～ε紊流模型，采用SIMPLE算法进行模拟计算。两种形状送风孔的面积大小一样，其余参数见表2-3所示。

表2-3送风孔形状参数表

对以上两种不同的送风孔形状计算结果进行处理时，分析截面均取自于Z＝90m处(隧道长度方向模型中最后一个送风孔处)横截面上沿X方向分布的速度等值线图和Y＝1.5m高度处的截面上沿Z方向的速度等值线图，不同送风孔纵向开口角度下的速度等值线图分别见图46～49所示。

通过对以上两种不同送风孔形状工况下分析处理的四个等值线图中可以看出：送风孔形状为圆形时和为方形时，对横截面内的风流影响不大，但从以上两者的水平面上Z方向速度等值线图可以看出，送风孔为方形时，纵向风流场并没有送风孔为圆形时风流发展均匀。同时，在行车道中间部分区域存在纵向风速为零，很容易造成污染物积聚，不利于污染物浓度的排放。因此，建议将送风孔形状设计为圆形。

由于跨海桥梁通道车道数目较多，横截面积较大的原因，送风孔宜对称布设在桥梁通道边墙下部位置。送风孔间距宜设置为25m。通风口的通风边界和实施例1相同，因此采用实施例1的研究成果，通风口竖直开口角度宜控制在15～25°范围内，纵向开口角度宜控制在30°～40°范围内。送风孔形状采用圆形。

实施例3：

全天候跨海桥梁通道采用送风半横向+排风竖井通风方式时，在全天候桥梁通道下部布置送风孔，在送风孔位置直接安装送风机，将外界的新鲜空气送入到桥梁通道中来。其中送风孔的布置参数与实施例2相同，当通道内纵向风速要求大于10m/s时，设置排风井或排风孔，排风井和排风孔的设置依据桥梁形式进行设置，具体如下

当全天候跨海桥梁通道桥型为悬索桥和斜拉桥时，考虑在桥塔内部设置风机房和排风竖井，实现将通道内污染空气烟尘排出到全天候跨海桥梁通道外部。

当全天候跨海桥梁通道桥型为悬索桥和斜拉桥以外的其他桥型时，在箱梁顶部布设排风孔并安装排风机，实现将通道内污染空气烟尘排出到全天候跨海桥梁通道外部。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，

当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积大于等于6×10⁵或单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积大于等于2×10⁶时采用机械通风；

当双向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积当小于6×10⁵或单向交通的跨海全天候桥梁通道的通道长度L与设计小时交通量N之积小于2×10⁶时采用自然通风；

其中，机械通风包括全横向通风，半横向通风以及混合式通风，所述混合式通风包括通风竖井加半横向混合式通风，送风半横向加排风半横向混合式通风，半横向加全横向混合式通风，以及送风半横向加纵向通风加全横向混合式通风。

2.根据权利要求1所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，当全天候桥梁通道长度L为2km-5km时，采用半横向通风；当全天候桥梁通道的纵向风速大于8m/s时，采用全横向通风，当采用全横向通风时需要开设的通风口使桥梁通道的强度小于安全阈值时，采用混合式通风。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种跨海全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，采用全横向通风方式时，在跨海全天候桥梁通道顶板上设置送风孔(4)，送风孔(4)上安装送风机；在桥梁通道的下侧桥梁箱梁上开设排风孔(5)，排风孔(5)上安装送排风机，以将桥梁通道内的污染空气和外界空气的交换，同时在全天候桥梁通道内产生横向风流。

4.根据权利要求3所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，采用全横向通风方式时，送风孔(4)沿着桥梁通道方向均匀布置，相邻的送风孔(4)间距为5m～7m；排风孔(5)沿着桥梁通道方向均匀布置，相邻的排风孔(5)间距为10m～14m；送风孔(4)和排风孔(5)沿着桥梁通道延伸方向间隔布置，送风孔(4)开口角度为15°～25°。

5.根据权利要求1所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，半横向通风方式包括送风半横向通风和排风半横向通风，送风半横向通风方式是通过安装在送风孔(4)上的送风机将外界空气送入到桥梁通道中，对桥梁通道内的污染空气和烟尘进行稀释，达到桥梁通道内通风卫生标准；排风半横向通风方式则通过安装在排风孔(5)上的排风机将通道内的污染空气排出桥梁通道，来对桥梁通道内的污染空气和烟尘进行稀释，达到通风卫生标准；所述送风孔(4)或通风孔开设在桥梁箱梁上。

6.根据权利要求5所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，当采用风型半横向通风时，送风孔(4)位置布设在桥梁通道的边墙底部，送风孔(4)竖向开口角度为15°～25°，纵向开口角度为30°～40°，所述送风孔(4)间距为25m。

7.根据权利要求1所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，所述通风竖井加半横向混合式通风包括送风型半横向加排风竖井混合式通风，以及排风型半横向通风+送风井混合式通风；当采用送风型半横向+排风竖井的混合式通风时：若桥型为斜拉桥或者悬索桥时，将排风口和风机房一并设置在桥塔结构内部，利用箱梁内和桥塔顶部的热位差和超静压差进行排风，降低动力消耗，实现通风；否则将排风孔(5)和通风塔布设在箱梁的顶部和边墙位置；

当采用排风型半横向通风加送风井混合式通风方式时，排风孔(5)设置在桥梁通道顶部和边墙上部，若桥型为斜拉桥或者悬索桥的时，将送风井和风机房一并设置在桥塔结构内部，否则将送风孔(4)和通风塔布设在箱梁的顶部和边墙位置。

8.根据权利要求1所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，当采用送风半横向加排风半横向混合式通风时，送风孔(4)设置在底板上，排风孔(5)设置在顶板上，排风孔(5)和送风孔(4)设置在同一纵断面内，排风口设置在通道进口至1/3全长处，以及2/3全长至出口处，送风口设置在1/3至2/3全长处。

9.根据权利要求1所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，当采用半横向加全横向混合式通风，送风孔(4)设置在底板上，排风孔(5)沿着整个通道顶板上均匀分布，排风孔(5)和送风孔(4)设置在同一纵断面内，送风口设置在通道进口至1/3全长处。

10.根据权利要求1所述的一种全天候桥梁通道的通风方法，其特征在于，当采用送风半横向加纵向通风加全横向混合式通风时，送风孔(4)设置在底板上，排风孔(5)设置在顶板上，排风孔(5)和送风孔(4)设置在同一纵断面内，送风口设置在通道进口至1/3通道全长处，排风口布置在通道进口至1/3全长，以及通道2/3全长至出口位置。

Images