胶州湾大桥运营期防台风对策

胶州湾大桥位于青岛胶州湾北部，于2007年5月24日正式开工，2011年6月30日建成通车，是我国北方冰冻海域首座特大型桥梁集群工程。胶州湾大桥主线全长26.737km，主线宽35米，双向6车道，设计行车速度80km/h。项目包括：大沽河航道桥、红岛航道桥、沧口航道桥以及李村河互通立交、红岛互通立交、红岛连接线、海上非通航孔桥、路上引桥等。

青岛海湾大桥风影响概率分析

一、胶州湾地区风灾资料及概率分析

青岛位于沿海地区，具有海洋性气候的基本特征，对结构产生影响的极端风速主要是由夏秋季台风所引起的，年台风次数为3-5次。

根据胶州湾大桥工程可行性研究报告，青岛地区终年多为东南和西北两个风向，年平均风速4.9m/s，各月平均风速以3月最强，为5.6m/s；9月最弱，为4.1m/s。百年以来，平均风速最强的时次为1923年11月24日，达到32.4m/s。瞬间最大风速则首推1939年8月31日，达到40.3m/s，前者受寒潮影响，后者为台风所造成。

根据设计资料，青岛海湾大桥桥位不同重现期的计算风速如表1。从表1中可见，桥位处10年一遇的风速为30.3m/s，对应等级为11级风。

二、青岛地区风暴潮资料及概率分析

台风等风灾的危害性不仅在于风大、强风持续时间长，而且在于在大风暴雨的共同作用下，容易引发沿海地区风暴潮，使危害加剧并具有很强的破坏力。风暴潮可分为台风引起的台风风暴潮和由温带气旋引起的温带风暴潮两大类，青岛主要受台风风暴潮的影响。

青岛虽不处于台风正常必经之地，但部分台风北上途中每年都会影响青岛。根据气象资料统计可知，青岛的台风季节，一般在5～10月间，其中以7、8、9月的台风最为活跃。台风北上时对青岛天气产生影响的（包括台风边缘及外围天气系统的影响），近百年来共计有130次之多。而从1949年至2003年的55年内，其一共在青岛造成了14次潮位高度大于5.1m的风暴潮。比较典型的有：

1.1956年9月5日，22号台风在福州登陆，经过福建、浙江和江苏等省后在连云港附近入海，沿东北方向继续向前移动。台风中心途经青岛以南约100海里附近，造成青岛的特大暴雨和9级的东北大风天气。这次台风，青岛的最大风速虽仅20.3米/秒，却创下了青岛市日降水量269.6毫米的历史最高纪录。

2.1981年9月1～2日，8114号台风自舟山附近转向东北移动，青岛距台风中心最近距离为480公里，主要受其外围势力的影响，风力大都在7～8级，瞬间最大风速为22.1米/秒、造或青岛沿岸巨大的台风风暴潮，有的高达十几米，造成海水倒灌，波浪冲击，给青岛地区造成了严重的灾害。

3.1985年8月19日，8509号台风在青岛引起10级大风，阵风达12级以上，同时带来19日、20日两天降水量达254.6毫米。全市死亡29人，受伤368人，造成直接经济损失5亿多元。市区和近郊的109条高压供电线路断电49条，全市164条长话线路有146条中断。10万余平方米市区干道、30万余平方米马路被冲坏、淹没、过水、内涝，倒伏农作物349.9万亩；刮坏、刮倒树木251.8万棵；倒塌、损坏房屋2.63万间；折断、倒伏电讯、电力杆2.84万根，农村供电、通讯、广播绝大部分中断；有88座桥、涵槽被冲毁，43座小型水库塘坝决口；公路冲毁321公里，交通运输中断；暴雨狂风共冲走毁坏渔船976条；9346亩盐田被淹，损失盐17800吨。

4.1997年11号台风，途经我国沿海六省二市，8月20日在我市引发特大风暴潮，青岛出现建国以来的最高水位551cm，近海出现6米的波高。浅海养殖业损失惨重，伤亡10人，直接经济损失9亿元人民币。

风对青岛海湾大桥的影响

一、风对桥梁结构的影响

大风通常是大跨径桥梁安全的控制因素之一，对结构的作用包括静力、动力、稳定性等，危害较大。其中风对大桥的静力作用主要是风荷载作用；动力作用主要是各种振动效应，包括自激振动（颤振、驰振和涡激振动）和强迫振动（包括涡流激振和抖振）两大类；而稳定作用则包括颤振稳定性和静风稳定性。

以大沽河桥为例分析风灾对青岛海湾大桥的影响。

大沽河航道桥为自锚式悬索桥，该桥型缆索系统柔度大，振动振型较多且出现较早，相对其他两座通航孔桥，需更加注意其抗风方面的安全性。

首先，依据《大沽河航道桥抗风性能分析》，从静力、动力、稳定等三方面分析风对大沽河航道桥整体的影响——

1.静力稳定性方面，大沽河桥结构静力扭转发散临界风速824.3m/s，横向屈曲临界风速637.3m/s，均远大于检验值98.2m/s，大沽河航道桥悬索桥具有很高的静风稳定性安全储备，不会发生静风失稳。

2.颤振稳定性方面，颤振临界风速节段模型风洞试验结果如表2所示，在三种风攻角下的颤振临界风速均远高于该桥的颤振检验风速74.1m/s，因此结构颤振稳定性能完全满足设计要求。

3.此外，涡振对结构安全的影响非常小，主要影响行车安全，可不予考虑；而抖振效应已作为荷载有所考虑。

综上可知，大沽河航道桥对风灾具有较好的防御能力，风灾对其整体结构的影响并不严重。因而需主要注意风灾下局部构件的损伤。

根据实际情况，可能出现局部损伤的区域包括：

1.钢三角撑：为提高全桥结构的抗扭刚度改善结构的动力特性，大沽河航道桥在索塔两侧设有钢三角撑，在其上设置钢箱梁的竖向支座。钢三角撑锚固在混凝土索塔内，形成了组合结构。三角撑承受直杆和斜杆相交处结点的竖向荷载，直杆受到较大的轴向拉力和弯矩的作用。为此，工程在三角撑的关键区域特别布置了若干应力及变形测点，以便在实际运营过程中对三角撑进行健康监测，及时发现问题并进行处理。可见严重风灾袭击下，作为钢-混结合部分的三角撑区域可能成为结构的薄弱环节，具体表现为索塔表面混凝土因受力而开裂或钢直杆处的加劲板屈曲。

2.主缆锚固端：大沽河航道桥的所有索股锚固在一厚度100mm且垂直于主缆轴线的钢锚板上。由于主缆锚固区域的主梁处于墩顶负弯矩区，承受着较大的总体体系的内力，同时还承受着较大的主缆力，所以受力较为复杂，可能成为结构的薄弱环节。而其中发生最大应力锚板最应引起注意。

3.吊索锚固端：吊索下端与主梁锚固于横向连接箱内的承压式套筒，而为适应吊索的转动，减小锚头处钢丝的弯折疲劳效应，吊索的上、下锚头还设置了关节轴承，这些构件在风作用影响下可能成为结构的薄弱环节。需要注意的是，一旦吊索与主梁连接处出现问题而未及时处理，之后的积水可能导致严重的锈蚀，进而引发结构安全问题。

二、风对交通运营的影响

汽车在行驶过程中如果受到侧风的作用，可能发生侧滑、侧倾等安全问题。在上下坡道时，逆、顺向的强风也可能使驱动力或制动力不足，影响车辆的安全行驶。此外，大风对行车安全的影响，不仅表现为交通事故本身，还更多地表现在其所造成的长时间交通阻塞，以及由此带来的不良经济和社会影响。

桥面行车安全和舒适性问题涉及桥梁工程、气象学和汽车动力学等多学科内容，是一项复杂的综合课题。首先，汽车空气动力学特性直接决定汽车行驶过程中的抗侧风能力；其次，桥位气象条件决定了桥梁风导致行车安全问题的程度；同时，桥面高程以及主梁、桥塔和附属设施的形式也影响着桥面风速的变化。具体而言，在区域方面，由于风致侧翻事故与风速有关，故事故最易发生于风速最大点，即桥面高度最高的主桥跨中，以及存在风速扰动的主桥桥塔区域。而在车型方面，小车的体积较小，侧面迎风面积相应不大，且具备流线造型设计，风阻极小，因此侧风稳定性最好，一般没有侧风行驶安全性问题；集装箱车的侧风稳定性一般，空载时问题比较严重；微型客车类的侧风稳定性最差，强风天气时驾驶比较困难。此外，行车安全性随着车速增大而降低，因此车辆限速是减少侧风行车事故率的有效途径。

总的来说，大风将显著增加交通事故在大桥某些位置发生的可能，导致人员伤亡以及时间和管养费用的损失。根据风对行车安全影响的基本规律，主桥跨中以及桥塔附近是空载集装箱车和微型客车的主要事故区域。

三、其他影响

除结构、交通两方面外，风对附属构件的影响，将是风灾对胶州湾大桥造成损失的重要方面之一，包括照明、供电、监控系统损坏以及助航系统丢失。

防灾减灾措施（大沽河桥风障材料）

一、结构健康检测

胶州湾大桥结构监测巡检养护管理系统，通过在大桥各控制点及难于人工检测的部位安装自动监测传感器，并规划人工定期检测，获取用于大桥结构安全性、耐久性和使用性评估相关的数据，通过专业的数据处理和分析方法，为大桥结构健康评估提供各类数据，为大桥养护管理服务。

共设置536个传感器，其中光纤应变和温度传感器276个、风速仪3个、GPS测站7个、加速度计55个、索力传感器40个、温湿度仪68套、耐久性监测传感器26套等。上述传感器主要安装在结构特征部位、巡检不易到达的部位，用于获取长期、连续、稳定的监测量，以便通过量值及其变化趋势判断结构相关技术状况。

胶州湾大桥结构监测巡检养护管理系统运营维护服务的目标包括——

1.全面长期监测结构性能参数的变化，定期评价结构安全状况，提供桥梁养护建议；

2.及时发现异常事件、预警及报警信息，及时沟通确认并给出结构安全状况的评价，为病害的早期发现及养护提供建议；

3.保证系统监测、检测数据的完整性和准确性，为桥梁养护维修工作、为桥梁离线评估、为设计验证与科研试验积累可靠有用的数据仓库；

4.定期优化、完善相关软件算法、阈值模型体系，逐步形成有针对性的、实用的、为养护服务的软件体系；

5.保证系统软硬件始终处于稳定、可靠、顺畅的工作状态，为有效服务于养护提供坚实的基础。

胶州湾大桥结构健康监测系统的功能——

1.胶州湾大桥结构健康状态、环境变量等的实时在线监测。如下图为胶州湾大桥结构健康监测系统监测沧口航道桥、大沽河航道桥风力风向数据绘制而成的风玫瑰图。

沧口跨中及大沽河跨中风玫瑰图

2.灾后结构状态分析与评估

当发现台风、短时大风、风暴潮时，立即启动临时评估，对重点事件进行监控，对结构安全进行评估，为养护管理的联动预案提供技术支持。由于突发及重大事件的偶发、突发性质，该类评估工作注重及时性和专业性，需结构工程师使用Midas或Sap2000等有限元软件进行专项建模和分析，以得到准确可靠的结论。

以台风麦德姆经过青岛为例，下图是台风路径。

台风麦德姆路径

台风经过时，胶州湾大桥养护管理部门通过结构健康监测系统、人工巡检等手段，对结构状况进行了全过程监控，台风过后从风荷载、结构响应（包括梁端位移、斜拉索的拉力、结构震动、结构应力）等方面进行了分析。

台风期间大沽河桥塔顶风速时程曲线

二、合理设置风障

风障是设置在桥梁两侧的挡风构造物，可以有效降低桥面侧风，是提高行车安全性的重要措施。针对胶州湾大桥的结构特点和气象条件，为降低桥面侧风，消除桥塔区风速突变，减少大风对行车安全产生的不利影响，在胶州湾大桥关键路段设置了风障。

三、管理措施

为提高大桥在台风、风暴潮情况下的运行安全，合理有效的管理措施是必不可少的。根据胶州湾大桥情况提出如下管理策略——

1.密切关注气象广播、气象警报，公司与青岛市气象局、青岛市海洋与渔业局、中国海洋局北海分局建立良好合作关系，实现数据共享，能够及时有效地获得各类气象及海洋活动信息，当可能出现大风时做好宣传、预警提示、信息发面，提前做好应急准备；

2.当风速达到30公里/小时从而影响行车时，采取措施限制交通，通过电子显示牌发布气象信息，实行限速行驶并派出大桥巡逻车加强交通巡逻；

3.当风速达到65公里/小时从而严重影响行车安全时，立即封闭大桥并联系交通部门对车辆进行引导、疏散，待风灾过后尽早恢复交通；

4.一旦发生交通事故，根据相应事态，采取行动，抢救伤员，同时尽快组织恢复交通；

5.风灾过后巡视桥梁有无因车辆引起的结构损伤，监控摄像头及结构监测设备是否出现松动或脱落，助航系统是否发生移位，并尽快修复。

本文刊载 / 《大桥养护与运营》杂志 2018年 第4期 总第4期

作者 / 荆玉才

作者单位 / 山东高速集团青岛公路有限公司

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