摘要
本文在交通安全方面对风屏效率进行了研究，提出一项新颖的桥梁结构设计方法。其中有关交通安全的议题也在初步设计阶段中一并进行了考虑。基于标准紊流模型的数值法被用于任意形状的车辆风力作用计算；本文对设置在高架桥两侧的风屏几何形状对桥上车辆的最终风力影响进行了分析，分析使用的数值法已通过了风洞实验的验证；可以用来分析车辆运营动态的复杂的多体模型也被提出；此外，车辆模型也被用来验证风力是怎么影响车辆动力及交通安全问题；本文对设置风屏这种特定情况下相应的交通安全情况也进行了分析探讨。
介绍
Crni Kal高架桥是斯洛文尼亚最大和最高的桥梁。该桥桥面距地面100m高，主跨140 m，双幅桥(每幅三条行车道)，左幅桥长度 1053.50m，右幅长度 1056.35m，Y 形墩高度9～87.5m。自从高架桥建成坐落于临近亚得里亚海的海岸后, 它就开始暴露在强烈的东北风和西南风吹拂下。这种风在气象变化时频繁发生，尤其是在一年的秋末,初春和冬季。而这种季节性东北冷风的速度可以达到200km/h。为修建Crni Kal高架桥,风-结构相互作用的研究工作从项目一开始便进行了。事实上，关于风力影响的两项研究目前也已完成。
图1 Crni Kal高架桥
第一项研究分析了在建结构在各施工阶段中的风效应，其中结构部分重要构件在风剧烈作用下达到了临界振幅。第一项研究的成果被用于各施工阶段结构设计及用以减小构件振幅的临时锚索的设计。应该特别指出,在施工阶段,作用的风力将达到临界状态，且相比已将自由悬臂段合拢的已建成结构，它会对某些特殊构件产生更大的荷载。在本项研究中对在已建桥梁上安装风屏引起的附加风力也进行了分析，结果表明它们并不重要。
第二项研究讨论了与风屏设计和交通安全有关的问题。第二项研究的最终目标是改进风屏在维护及对风影响车辆动力方面的设计。根据风对交通安全影响方面的经验，预计影响行车安全的关键问题是风力对行驶中的车辆影响。为改善交通安全状况，在第二项研究中，在某些特殊情况下，对风引起交通事故的危险评估进行了分析。根据建议的风屏设计方案，此项研究还对重型车辆在行驶时在具体风速和车速范围内的动态反映进行了分析。根据已完成的分析工作，生成的相关资料可作为预防和预警功能协助公路经营者和司机确保交通方式最有效率和低风险，而且还可使旅程安全、舒适。通过这种方式，安全系统已大大改善。且对现实中的交通事故研究显示，仅仅通过改善安全系统，便可以大为改善基础设施交通安全状况。但一些在桥梁隧道这些基础设施处发生的事故，而抢救工作不能被现代救援支持系统有效地支持的情况也时有发生。本文对第二项研究细节做了详细阐述。
风屏设计
风屏被安装在高架桥两侧边缘外。因为高架桥横坡的缘故，其左右两侧风屏高度有所不同。在高架桥较低一侧，风屏高度为4m；相对较高一侧，风屏高度为3.5m。
风屏由多个部件组成。每一个部件通过间距3500mm的厚壁(8mm)矩形(250 mm×150mm)不
锈钢撑柱和14mm厚强化玻璃C形板(3300 mm×400mm)及弹性橡胶连接而成。丙烯酸酯面板安装在顺桥向的两个撑柱之间，每块面板彼此平行安装，间距100mm，用以保证在不丧失风力屏蔽效率的同时减少风屏侧面风荷载。这种弹性联合体系统大大降低了丙烯酸酯玻璃板上的局部应力。对每个风屏部件的标准设计也可确保其易于组装及在损坏后可以不使用特殊装备维修更换损坏的部件。典型的风屏节段(原型)见图2。
图2 风屏
实验分析与测量结果
风屏部件在实验室进行了
在
由于测量结果数量庞大，本文对实验结果的分析仅限于第三块面板。图3显示了在温度T=+20℃时第三跨跨中测得的随时间变化的应变值。实验结果表明：由风荷载在丙烯酸酯面板内引起的的最大应力没有超过最终应力值的10%。
图3 在风速0～216 km/h和0～198km/h之间的应变值
结论
Crni Kal高架桥于2004年9月正式通车，从那以后，在每年吹袭亚德里亚海沿岸的季节性东北冷风对交通状况引起危险期间，高架桥上的一切情况都被监测了。如要求一样，风屏使得车辆上风力大大减少。因此，即使在最高风速下，在高架桥上行车也是可能的。而且在此期间也没有因风导致车辆不稳定而引发的事故发生。至今，风屏的任何部分也没有因为气候条件的原因而遭受破坏。〖BFQ〗
试验表明：风屏是一种非常重要的安全设施，它能相当大地改进交通安全状况。可以说,没有风屏，Crni kal 高架桥并不符合基本安全标准，也就不能开放市民使用。但先进的安全研究的结果显示：即便设置了风屏，重型车辆还是可能遭受风力引起的横向运动。因此，对细节还要进一步进行深入研究，以确定安全状况的最坏情况，并对一定的风速间隔范围内行车采取适当的对策。
可以预见的是高架桥及其它与交通相关建筑物的功能第一是保证乘客在任何气候条件安全出行。因此，只有将安全分析作为设计过程的一部分，才能确保做到这点。
资料来源： November 2005，StructuralEngineering International
