高速公路封闭式声屏障的风荷载及干扰效应研究

高速公路封闭式声屏障的风荷载及干扰效应研究

叶明

广州市北二环交通科技有限公司  510540  广东省

摘要：广州市黄埔区某全封闭声屏障体型复杂，其风致动力效应较为显著，且现行的《建筑结构荷载规范》GB50009-2012没有明确规定风压系数的取值方法，针对以上问题，采用直流式风洞试验系统，首先对大气边界层流场进行模拟，其次分别给出一期声屏障屋面、迎风面及背风面的风压分布特性，分析了声屏障上的典型测点的平均风压系数随风向角变化情况。试验结果表明一期声屏障的风荷载受周边建筑物的气动干扰影响较大，所得结果对于声屏障的抗风设计具有重要的指导意义。

关键词：全封闭声屏障；风荷载；干扰效应；风洞试验

引言

声屏障是经济实效的降噪措施，其在高速公路领域已得到了广泛应用，但大部分采用的直立式声屏障。为更有效解决民生难题、改善周边居住环境、降低高速公路周边特殊敏感点的噪声，国内高速公路特别是广东省部分高速公路已开始采用封闭式声屏障。封闭式声屏障结构外形与隧道结构类似，汽车经过时产生汽车风效应[1]。因此，封闭式声屏障在其使用寿命内受到汽车风和自然各方向风的共同作用，可能发生结构破坏并影响行车安全[2]。已有学者对声屏障的风荷载进行了研究。郑史雄等[3]系统研究了桥梁、路基声屏障的风荷载体型系数，比较了不同工况时的风荷载体型系数的影响，获得了风荷载体型系数。赵晶[4]以数值模拟计算方式研究了高速列车通过隧道的空气动力学问题，获得了三维流场图，给出了会车压力变化公式。DU等[5]研究了列车速度与声屏障高度对声屏障所受到的压力幅值的影响。韩旭等[6]系统分析了风速、雷诺数效应、风攻角、侧视断面位置等因素对全封闭声屏障气动特性的影响。张慎旭等[7] 结合宁德市高速公路古田段桥梁防撞墙加设声屏障设计实例讨论了声屏障在风荷载作用下及汽车碰撞作用下对防撞墙抗弯结构性能的影响。陈波等[8-10]系统研究了屋面、桁架、大跨空间结构等方面的静风荷载及风振响应方面问题。目前声屏障的风荷载研究在房屋及城轨上的研究已较成熟，但高速路封闭式声屏障的风载及干扰效应研究仍处于起步阶段。

本文以广州市黄埔区某全封闭声屏障作为研究对象，通过模拟大气边界层流场，分别给出一期声屏障受周边建筑影响下的风压分布特性，分析了声屏障上的典型测点的平均风压系数随风向角变化情况。试验结果对声屏障的抗风设计具有重要的指导意义。

1试验简介

本实验基于广州市黄埔区某全封闭声屏障，其中一期建筑高约18米，长约481米，最宽处为60余米，最窄处为48米左右。一期整体分为桁架部分和钢架部分，桁架部分长度约为233m，钢架部分长度约为248m。

1.1 实验设备

本实验采用直流式风洞，风洞洞体采用全钢焊接结构，由洞壁蒙板、隔框、纵向筋板和支撑框架等焊接而成。气动轮廓最大尺寸为4.4m×3.4m×31.23 m，实验段尺寸：2.4m×1.8m×15m(宽×高×长)，风洞由进气段、稳定段、收缩段、实验段、大角扩散段、方变圆过渡段、动力段和出口段等部分组成。同时风洞还附加了壁面射流装置，预留了风雨实验或者风沙实验装置安装位置。

实验中，在实验段迎风上游布置了尖塔和粗糙元等，采用被动的方法来形成大气边界层风速剖面。在实验段后部靠近风洞扩散段入口处装有转盘。实验模型安装在转盘中心，模型如图2。

图1 风洞实验模型

本实验为刚性模型测压实验，实验主要采用了风速控制系统、风向角控制系统、风场测试系统和风压测试系统四部分配合完成模型的风荷载测试实验，风压测试采用美国PSI公司的电子压力扫描阀测试结构表面的风压。压力采集设备主要为美国PSI公司生产的ESP-64HD微型压力扫描模块。

1.2 风洞试验概况

1.2.1 风场模拟

根据建筑物周边的建筑环境，确定本实验的大气边界层流场模拟为B类地貌风场，风洞实验风场缩尺比与模型几何缩尺比均为1：250。通过调整尖劈和粗糙元等几何参数，在模型实验区获得《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）中所对应地形要求的平均风速和湍流度随高度变化的变化曲线，如图3所示，与规范规定的B类风场吻合较好，拟合风速剖面指数值为0.15。

图2 风洞实验模拟平均风速和湍流强度剖面图

1.2.2 模型测点布置

测压对象为声屏障一期工程。按1:250的模型和实物缩尺比，用ABS材料和有机玻璃制作了刚性测压模型，并根据屋面表面特征布置了测压点布置方案。实验风向角间隔取为10度，即实验共模拟了36个风向的作用。风向角定义如图4所示。

图3 风向角定义

由于建筑物表面覆盖面积较大，本实验布置了较多测压点，共计950个。实验工况如下表：

表1：一期声屏障测压实验工况

1.3 实验数据处理

1.3.1 参考点高度和风压符号系数规定

风洞实验过程中，选定一个不受建筑模型影响和风洞洞壁影响的位置作为实验参考点，用于计算各测点风压与参考点高度处风压的比值作为无量纲风压系数。

本文的所有风压系数的参考高度均为：离地面10m高度处。

风压系数约定为：风压力（即正压力，表示压力的作用方向指向作用面）的风压系数数值为正；风吸力（即负压力，表示压力的作用方向背离作用面）的风压系数数值为负。

1.3.2 风压系数定义

建筑物表面的压力通常用无量纲压力系数表示为

                            (1)

其中为测点i处t时刻的压力系数，为作用在测点i处的压力，和分别是参考高度处的总压和静压。

根据式（1），可以得到建筑物表面各测点的平均风压系数和均方根风压系数。

平均风压系数为：

                             (2)

其中M是脉动风压的样本采集数。

均方根压力系数为：

                         (3)

参考高度为10m时，根据式（1）和式（2）定义的平均风压系数与《建筑结构荷载规范》中风压高度系数和体型系数有以下关系：

(4)

其中表示10m高度处的风压高度系数，对于B类地貌为1.0；为规范所规定各点h高度处的风压高度系数，为各点体型系数。

1.4模型测压点相对位置

声屏障测压点相对位置如图5所示，其中IHGLK为声屏障的桁架段，CBADC为声屏障的刚架段：

声屏障顶部视图（面AEBIJKNL）

声屏障左视图（面AaLl）

声屏障右视图（面KkIiBb）

图4 声屏障测点相对位置

2 代表风向下的平均风压系数变化规律

本文中的平均风压系数乘以相当于《建筑结构荷载规范》中风压高度系数和体型系数的乘积。

其中上下表面叠加风压系数是上表面减去下表面风压系数，风荷载作用在上表面。

2.1屋面风压系数分析

0度和180度风向角下，整个屋面的平均风压系数见图5，风从0度和180度吹来时屋面的风压分布规律基本一致，在屋面的迎风前缘，由于来流的分离作用以及上下表面风压系数叠加的合力作用，此部分屋面的负压普遍较大。随着风逐渐向下游移动，产生了气流的再附着现象，在屋面的后缘部分，部分平均风压系数由负变正，且逐渐增加。

在声屏障钢架段，此部分屋面在两个风向角下的平均风压系数均值基本一致，约为-1.6。在钢架段的屋面区域以及后缘部分在两个风向角下的平均风压系数均值同样差别不大，均值分别约为-1.1和-0.3。由于左下角的高层建筑的影响，声屏障桁架段的屋面在0度和180度的平均风压系数存在差异，在0度风向角下的屋面平均风压系数趋势符合一般屋面的分布规律，存在来流的分离现象以及气流的再附着现象，而在180度风向角下，声屏障的前方来流方向有较多的高层建筑，周边的建筑的气动干扰效应明显，此风向角下的整个屋面的平均风压系数较为平均，约为-0.55，和0度风向角下屋面各部分的平均风压系数结果差别较大。

（a）0度风向角

（b）180度风向角

图5 一期声屏障屋面平均风压系数图

2.2迎风、背风墙面风压系数分析

在0度风向角下，高层建筑物位于声屏障桁架段的下游方向，迎风墙面的平均风压系数不受干扰，由图6可见，声屏障桁架段和钢架段迎风面的平均风压系数均值约为0.76。声屏障迎风面两端的平均风压系数值较中间大，原因在于侧面气流的角线分离，使得此处的风速比中间区域来流风速大。由于高层建筑的影响，背风面受到气流反馈，桁架段背风墙面的平均风压系数均为正值。距离高层建筑越远，受到的气流反馈影响就越小，桁架段到钢架段背风面的平均风压系数值逐渐减小。

在180度风向角下，高层建筑物位于声屏障桁架段的上游方向，气动干扰较为明显，声屏障桁架段迎风面平均风压系数均为负值，同样的，钢架段迎风面距离高层建筑较远，受到的气流反馈随着距离的增大而变小，由图7可见，桁架段到钢架段迎风面的平均风压系数值逐渐增大。声屏障的背风墙面的平均风压系数不受高层建筑的干扰，此处平均风压系数趋势符合一般背风墙面的分布规律。

（a）0度风向角

（b）180度风向角

图6 迎风面平均风压系数图

（a）0度风向角

（b）180度风向角

图7 背风面平均风压系数图

3 结论

通过对一期声屏障屋面、迎风、背风墙面的表面风压系数试验分析与对比，本文得到以下结论：

（1）当测得建筑处在风向下游时，高层建筑会对风压系数均值产生较大的影响，受影响部位一般在声屏障的桁架段。声屏障的钢架段由于与高层建筑距离较远，所受影响较小。

（2）声屏障迎风面两端的平均风压系数值较中间大，背风墙面的平均风压系数不受高层建筑的干扰

（3）当声屏障的前方来流方向有较多的高层建筑时，周边的建筑的气动干扰效应明显。

参考文献

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