CN113026586A - 一种桥梁挡风障的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种桥梁挡风障的设计方法，包括以下过程：a.进行桥梁挡风障模型制作并进行风洞实验，确定桥梁挡风障形式；b.进行二元二次多项式拟合，得出挡风板高度x、挡风板孔隙率y和桥面风速折减系数z的拟合公式；c.确定挡风板高度x，控制桥面风速折减系数z小于设定值，代入过程b的拟合公式中,计算得到挡风板孔隙率y；d.将挡风板高度x和挡风板孔隙率y应用于过程a的挡风障形式中进行设计，得到最终的桥梁挡风障结构。本发明为桥梁挡风障结构的参数设计提供指导，通过本发明设计方法，控制桥面风速折减系数在设定值内，而可以保证最终设计的挡风障的遮挡效率，对于存在极端风速较大情况的桥梁，也可以保证在大风天气下正常行车。

Description

一种桥梁挡风障的设计方法
技术领域
本发明涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种桥梁挡风障的设计方法。
背景技术
汽车在行驶过程中受到侧风作用，会发生侧滑、侧倾等安全问题。例如厦门这样的台风多发地区，全年大于或等于8级大风的天数为22.4天，跨海大桥上行驶的汽车，由于桥面高程、结构绕流加速等因素，使得风对汽车安全行驶的影响更为突出，不仅使车辆驾驶员不舒适，甚至会引起汽车倾翻等严重安全事故。因此，当风速超过一定的范围时，一些重要桥梁将限速或禁止通行，给交通带来极大的不便，极大的影响了交通效率。
为了汽车能够在台风或大风天气正常行驶，使交通基本不受大风影响，需要在桥梁上设置挡风障，从而提升桥面的行车安全性和舒适性，也使得在灾害天气下，人员能够通过桥梁正常疏散。
目前，由于车辆、桥梁、挡风障之间空气动力的复杂性，往往使得挡风障设计需要的关键技术参数难以确定，另一方面，我国没有相应的技术文件以指导设计，非桥梁的抗风设计规范不能满足桥梁挡风障设计以及车辆运行安全的正确评估的需要。现有的桥梁挡风障结构多采用障条形式，结构形式单一，在某些极端风环境中无法满足桥梁运营需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种桥梁挡风障的设计方法，以指导桥梁挡风障的设计，使得挡风障的遮挡效率高。为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种桥梁挡风障的设计方法，包括以下过程：
a.进行桥梁挡风障模型制作并进行风洞实验，确定桥梁挡风障形式；
b.利用不同参数下挡风障的风速折减系数的变化规律，以风洞实验数据和结果作为拟合公式的参数值，进行二元二次多项式拟合，得出挡风板高度x、挡风板孔隙率y和桥面风速折减系数z的拟合公式；
c.确定挡风板高度x，控制桥面风速折减系数z小于设定值，代入过程b的拟合公式中,计算得到挡风板孔隙率y；
d.将挡风板高度x和挡风板孔隙率y应用于过程a的挡风障形式中进行设计，得到最终的桥梁挡风障。
其中，过程b中的拟合公式为：
z＝0.9861-0.2973x+0.1373y-0.004015x2+0.3207xy-0.14y2。
优选地，过程c中桥面风速折减系数z的设定值≤0.63。
优选地，过程a中桥梁挡风障形式为：包括若干竖直设置的立柱以及安装于相邻两立柱之间的挡风板，所述的挡风板上设有均匀排布的圆孔，且圆孔的半径从上至下逐渐减小。
进一步地，所述的挡风板包括上部板体和下部板体，所述的上部板体上设有若干均匀排布的第一圆孔，所述的下部板体上设有若干均匀排布的第二圆孔，所述的第二圆孔的半径小于第一圆孔的半径。
其中，所述的立柱及挡风板的顶部还安装有上封板。
其中，所述的挡风板高度x为1m～3m，挡风板孔隙率y为30％～45％。
其中，过程a的具体步骤如下：
S1.将每一工况下不同形式的桥梁挡风障进行风洞试验，得到各个车道中心线高度范围内的平均风速剖面图；
S2.计算不同形式的桥梁挡风障各个车道的等效风速；
S3.按照如下公式计算各个车道的局部风速折减系数r：
Figure BDA0002978696840000021
其中：zr为桥梁风剖面的高度范围；u(z)为各个行车道在z高度处的横向风速值；u0为来流风速；
S4.选择局部风速折减系数最小的桥梁挡风障形式。
优选地，所述的桥梁挡风障形式适用于单幅桥梁以及于每幅桥梁外侧安装桥梁挡风障的双幅桥梁。
由于采用了上述的结构，本发明具有如下有益效果：
1、本发明为桥梁挡风障结构的参数设计提供指导，通过研究得出对挡风障挡风效率影响程度最大的三个参数：挡风板高度x、挡风板孔隙率y、风障形式，首先确定桥梁挡风障的风障形式(孔形及排列方式)，然后得出挡风板高度x、挡风板孔隙率y和桥面风速折减系数z的拟合公式，确认计算得到另外两个参数以指导设计，在实际风障设计中具有较强的设计指导作用。由于桥面风速折减系数越小，则挡风障的遮挡效率越高，通过本发明设计方法，控制桥面风速折减系数在设定值内，而可以保证最终设计的挡风障的遮挡效率，对于存在极端风速较大情况的桥梁，也可以保证在大风天气下正常行车。
2、本发明的拟合公式的自变量x和y对因变量z的解释能力强，其拟合的数据较好，并且通过该公式预测出的数据较为准确。
3、本发明确定的桥梁挡风障形式为圆孔形式，且圆孔的半径从上至下逐渐减小，该形式风障的挡风效率高且易于批量生产。
附图说明
图1为本发明的实施例一的桥梁挡风障的主视示意图。
图2为本发明的实施例二的桥梁挡风障的主视示意图。
其中：1.立柱、2.挡风板、201.上部板体、202.下部板体、203.中部板体、3.第一圆孔、4.第二圆孔、5.法兰、6.上封板。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
本发明公开了一种桥梁挡风障的设计方法，包括以下过程：
a.进行桥梁挡风障模型制作并进行风洞实验，确定桥梁挡风障形式。过程a的具体步骤如下：
S1.将每一工况下不同形式的桥梁挡风障进行风洞试验，得到各个车道中心线0～45cm(缩尺比例模型1:10)高度范围内的平均风速剖面图。
S2.计算不同形式的桥梁挡风障各个车道的等效风速。
S3.按照如下公式一计算各个车道的局部风速折减系数r：
Figure BDA0002978696840000031
其中：zr为桥梁风剖面的高度范围；u(z)为各个行车道在z高度处的横向风速值；u0为来流风速。
S4.选择局部风速折减系数最小的桥梁挡风障形式。
本发明通过具体的风洞实验得出的桥梁挡风障形式为采用圆孔形式挡风板。该桥梁挡风障形式适用于单幅桥梁以及于每幅桥梁外侧安装桥梁挡风障的双幅桥梁。其具体结构包括若干竖直设置的立柱以及安装于相邻两立柱之间挡风板，挡风板上设有均匀排布的圆孔，且圆孔的半径从上至下逐渐减小。
如图1所示，本实施例中，桥梁挡风障的挡风板2包括上部板体201和下部板体202，上部板体201上设有若干均匀排布的第一圆孔3，下部板体202上设有若干均匀排布的第二圆孔4，第二圆孔4的半径R2小于第一圆孔3的半径R1。在实际的安装作业中，桥梁挡风障的立柱1可通过桥梁上预埋的法兰5以及锚栓，竖直安装在桥梁上，为了加强立柱1及挡风板2之间连接的稳固性，强化桥梁挡风障结构，还可在立柱1和挡风板2的顶部安装上封板6。
如图2所示，另一实施例中挡风板2还可以设计为包括上部板体201、中部板体203和下部板体202三个部分的结构形式，每部分的板体均设有若干孔径一致、排布均匀的圆孔，并且三部分圆孔半径的大小排列如下：上部板体的圆孔半径R1>中部板体的圆孔半径R2>下部板体的圆孔半径R3。
b.利用不同参数下挡风障的风速折减系数的变化规律，以风洞实验数据和结果作为拟合公式的参数值，进行二元二次多项式拟合，得出挡风板高度x、挡风板孔隙率y和桥面风速折减系数z的拟合公式，如下公式二。
z＝0.9861-0.2973x+0.1373y-0.004015x2+0.3207xy-0.14y2。(公式二)
c.确定挡风板高度x，控制桥面风速折减系数z小于设定值，代入过程b的拟合公式中,计算得到挡风板孔隙率y。
由于各地道路限速不同，以下表1为厦门地区桥梁限速为标准总结风速折减系数与行车速度关系：
表1
车型 风速折价系数 行车速度(km/h)
轿车 ≤0.71 100
箱式 ≤0.71 70
货车 ≤0.63 100
因此，过程c中桥面风速折减系数z的设定值确定为0.63。挡风板高度x一般为1m～3m，挡风板孔隙率y为30％～45％。
d.将挡风板高度x和挡风板孔隙率y应用于过程a的挡风障形式中进行设计，得到最终的桥梁挡风障结构。
通过本发明的桥梁挡风障设计方法设计的桥梁挡风障的挡风效果优于其他类型的挡风障，桥梁挡风障的桥面风速折减系数更小。对此，进行了一系列的实验，来验证本申请的桥梁挡风障的有益效果。实验过程如下：
本实验采集了近5年厦门沿海地区的台风数据，利用实测风速风向资料进行桥梁挡风障CFD数值风洞计算，并制作多组参照组桥梁挡风障模型，进行风洞实验。
实验1
S1.研究挡风障形式、挡风板2孔洞形式、孔隙率和高度等参数对桥梁挡风障挡风效果的影响。
S2.确定对照实验1主要参数的各项数值，等比例建立不同类型、规格的桥梁挡风障模型，部分对照组实验参数数据如表2所示。其中，板挖圆孔挡风障即为在挡风板2上设有若干半径一致、并均匀排布的圆孔的挡风障，板挖椭圆孔挡风障和板挖方孔挡风障与此相似。
表2
Figure BDA0002978696840000051
S3.进行风洞实验，利用每一工况下风洞实验得到的风压时程数据计算桥面各车道中心线0～45cm高度范围的平均风速剖面，根据矩形风剖面和实际风剖面压力总和相等的等效原则，计算不同挡风障方案(包括无挡风障工况)中，桥面各车道的等效风速，将等效风速无量纲即可得到桥面各车道的局部风速折减系数r，局部风速折减系数r满足公式一。
S3.实验结果如表3所示，为各类型、规格的挡风障在两种风速条件下，三个车道的局部风速折减系数。
表3
Figure BDA0002978696840000061
在风速、挡风板高度和孔隙率不变的条件下，采用板挖圆孔挡风障在桥面各车道的局部风速折减系数小于其它形式挡风障在各车道的局部风速折减系数，因此，板挖圆孔挡风障的挡风效果最好。
在板挖圆孔挡风障中，挡风板2的高度、孔隙率影响风速折减系数，在其它参数不变的前提下，挡风板2的高度越高，风速折减系数越小；挡风板2的孔隙率越小，风速折减系数越小。
实验2
本组实验的实验过程与实验1相似，此处不再赘述。
本组实验主要研究板挖圆孔挡风障的孔隙率、孔洞组合方式等参数对挡风障挡风效果的影响。本组实验同时加入对公路市政桥梁双幅六车道桥梁的对照，用于对比考虑在桥梁两侧安装4片挡风障(即每幅桥梁两侧均安装有挡风障)，以及在道路外侧安装2片挡风障(即仅在每幅桥梁的外侧安装挡风障)的对照实验结果。部分对照组实验参数数据如表4所示。
其中，上下拼接的板挖圆孔挡风障即为本实施例的桥梁挡风障结构，其挡风板2包括上部板体201和下部板体202，上部板体201上设有若干均匀排布的第一圆孔3，下部板体202上设有若干均匀排布的第二圆孔4，第二圆孔4的半径小于第一圆孔3的半径。渐变的板挖圆孔挡风障即为挡风板2上的每行圆孔的直径从上至逐渐减小。统一孔径的板挖圆孔挡风障即为挡风板2上所有的圆孔的直径均一致。
表4
Figure BDA0002978696840000071
在风速不变的条件下，进行风洞实验，计算各个挡风障的风速折减系数，实验结果如表5所示。
表5
Figure BDA0002978696840000081
根据实验结果可知，在桥面的整个区域风速上，上下拼接的板挖圆孔挡风障的风速折减系数小于统一孔径的板挖圆孔挡风障和渐变的板挖圆孔挡风障，所以上下拼接的板挖圆孔挡风障的挡风效果更好。
对于双幅桥梁，在安装2片挡风障的工况中，风速折减系数由低到高分别为：上下拼接的板挖圆孔挡风障、统一孔径的板挖圆孔挡风障、渐变的板挖圆孔挡风障。在安装4片挡风障的工况中，风速折减系数由低到高分别为：统一孔径的板挖圆孔挡风障、上下拼接的板挖圆孔挡风障、渐变的板挖圆孔挡风障。综上，对于双幅桥梁而言，在安装2片挡风障的工况中，上下拼接的板挖圆孔挡风障的挡风效果较好。
本发明的桥梁挡风障的设计方法的拟合公式是利用不同参数下挡风障的风速折减系数的变化规律，以本实验的实验数据和结果作为拟合公式的参数值，进行二元二次多项式拟合，为实际桥梁挡风障的设计提供指导。其中，挡风板初始高度x0即为本实验的各上下拼接的板挖圆孔挡风障的挡风板2的高度，挡风板初始孔隙率y0即为本实验的各上下拼接的板挖圆孔挡风障的挡风板2的孔隙率，初始桥面风速折减系数z0即为本实验结果中的上下拼接的板挖圆孔挡风障的风速折减系数。根据本实验确定的各实验变量的初始值为：
x0＝[1 2 3 3 3 0 0 1 5]T；
y0＝[0.5 0.5 0.5 0.6 0.4 0.1 0.91 1]T；
z0＝[0.8658 0.7452 0.5826 0.6627 0.4656 1 1 1 1]T；
使用MATLAB软件，采用二元二次多项式拟合公式，得到本发明的公式二，如下。
z＝0.9861-0.2973x+0.1373y-0.004015x2+0.3207xy-0.14y2。
通过线性回归统计指标验证该拟合公式的准确性，其SSE(和方差)为0.0006446，趋近于0，R-square(确定系数)为0.9981，趋近于1，RMSE(均方根)为0.01466，该拟合公式的自变量x和y对因变量z的解释能力强，其拟合的数据较好，通过该拟合公式预测出的数据较为准确。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，包括以下过程：
a.进行桥梁挡风障模型制作并进行风洞实验，确定桥梁挡风障形式；
b.利用不同参数下挡风障的风速折减系数的变化规律，以风洞实验数据和结果作为拟合公式的参数值，进行二元二次多项式拟合，得出挡风板高度x、挡风板孔隙率y和桥面风速折减系数z的拟合公式；
c.确定挡风板高度x，控制桥面风速折减系数z小于设定值，代入过程b的拟合公式中,计算得到挡风板孔隙率y；
d.将挡风板高度x和挡风板孔隙率y应用于过程a的挡风障形式中进行设计，得到最终的桥梁挡风障。
2.如权利要求1所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，过程b中的拟合公式为：z＝0.9861-0.2973x+0.1373y-0.004015x2+0.3207xy-0.14y2。
3.如权利要求1所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，过程c中桥面风速折减系数z的设定值≤0.63。
4.如权利要求1所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，过程a中桥梁挡风障形式为：包括若干竖直设置的立柱以及安装于相邻两立柱之间的挡风板，所述的挡风板上设有均匀排布的圆孔，且圆孔的半径从上至下逐渐减小。
5.如权利要求4所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，所述的挡风板包括上部板体和下部板体，所述的上部板体上设有若干均匀排布的第一圆孔，所述的下部板体上设有若干均匀排布的第二圆孔，所述的第二圆孔的半径小于第一圆孔的半径。
6.如权利要求4或5所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，所述的立柱及挡风板的顶部还安装有上封板。
7.如权利要求1所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，所述的挡风板高度x为1m～3m，挡风板孔隙率y为30％～45％。
8.如权利要求1所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，过程a的具体步骤如下：
S1.将每一工况下不同形式的桥梁挡风障进行风洞试验，得到各个车道中心线高度范围内的平均风速剖面图；
S2.计算不同形式的桥梁挡风障各个车道的等效风速；
S3.按照如下公式计算各个车道的局部风速折减系数r：
Figure FDA0002978696830000011
其中：zr为桥梁风剖面的高度范围；u(z)为各个行车道在z高度处的横向风速值；u0为来流风速；
S4.选择局部风速折减系数最小的桥梁挡风障形式。
9.如权利要求1所述的桥梁挡风障的设计方法，其特征在于，所述的桥梁挡风障形式适用于单幅桥梁以及于每幅桥梁外侧安装桥梁挡风障的双幅桥梁。
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