周玉娟，陳方東，沈旭東，郭震山

（1.寧波市高等級公路建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315000；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310006；3.同濟大學(xué)，上海市 200092）

力洋港大橋橋面行車風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗研究

周玉娟1，陳方東2，沈旭東2，郭震山3

（1.寧波市高等級公路建設(shè)指揮部，浙江 寧波 315000；2.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310006；3.同濟大學(xué)，上海市 200092）

通過風(fēng)洞試驗研究了在設(shè)置防撞欄和風(fēng)障兩種情況下力洋港大橋橋面風(fēng)速分布情況。試驗結(jié)果表明，在設(shè)置了風(fēng)障后，消除了橋面2～4.5 m高度范圍內(nèi)橋面高風(fēng)速區(qū)，有效降低了橋面?zhèn)认蝻L(fēng)速，使得大橋橋面具有了比其接線高速公路更為優(yōu)良的側(cè)風(fēng)行車安全性。

橋面行車風(fēng)環(huán)境；防撞欄，風(fēng)障；風(fēng)洞試驗；橋面等效風(fēng)速；側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

0 引言

我國東南部沿海地區(qū)經(jīng)常受到臺風(fēng)侵襲，東南沿海高速公路中跨越江海等的大跨度橋梁經(jīng)常會因為橋面風(fēng)速過大而封閉交通，與此同時，整條高速公路其它路段由于路面風(fēng)速并未達到封閉交通的標(biāo)準(zhǔn)而可以繼續(xù)通行。這樣，高速公路中的大跨度橋梁就成為整條高速公路通行的瓶頸。本文以甬臺溫高速復(fù)線工程中力洋港大橋為工程背景，研究了大橋橋面風(fēng)速與其引線高速公路風(fēng)速的關(guān)系，確定了橋面所需的減風(fēng)效果系數(shù)，并通過風(fēng)洞試驗方法對增加風(fēng)障前后的橋面減風(fēng)效果進行了測試，驗證了選定風(fēng)障的減風(fēng)效果。研究結(jié)果表明，通過在橋面的合適位置增加適當(dāng)高度、透風(fēng)率的風(fēng)障可以明顯改善大跨度橋梁表面的行車風(fēng)環(huán)境、降低橋面?zhèn)蕊L(fēng)風(fēng)速，使之達到與其接線高速公路相同的大風(fēng)天氣通行能力。

1 工程概況

力洋港大橋是浙江省甬臺溫高速復(fù)線三門灣大橋及接線工程中的控制工程，跨越寧波地區(qū)的三門灣海域。主橋方案為主跨120 m的四跨連續(xù)梁雙薄壁連續(xù)剛構(gòu)橋，跨徑布置為70 m+120 m+ 120 m+70 m=380 m。主橋縱向?qū)ΨQ軸處主梁設(shè)計標(biāo)高為37.6 m，見圖1。主梁由兩幅對稱箱梁構(gòu)成，每幅主梁寬度16.25 m，兩幅主梁間距0.5 m，全寬33.0 m；每幅主梁均采用變高度設(shè)計，三個薄壁墩頂主梁高度為7.5 m，120 m跨跨中截面高度和70 m跨過渡墩截面高度均為3.2 m，見圖2。

每幅主梁上設(shè)3車道，共6車道，主梁最外側(cè)布置兩條緊急停車帶。緊急停車帶寬度3 m，車道寬度為3.75 m。車道具體位置及布置情況見圖2，緊急停車帶和車道序號都是自來風(fēng)方向開始。橋面系設(shè)計有兩種方式：

（1）不設(shè)風(fēng)障布置，在兩幅主梁的兩側(cè)設(shè)置4道防撞欄，見圖2。防撞欄結(jié)構(gòu)尺寸見圖3，混凝土墻體總高度為142 cm，頂端到橋面高度為100 cm。

（2）在兩幅主梁的外側(cè)安裝風(fēng)障，內(nèi)側(cè)采用防撞欄，見圖4。風(fēng)障結(jié)構(gòu)尺寸見圖5。風(fēng)障由下部混凝土墻體和上部4條水平障條構(gòu)成，總高度為3 264 mm，風(fēng)障障條最頂端距離橋面3 084 mm。風(fēng)障下部混凝土墻體與原防撞欄下部混凝土墻體相同，總透風(fēng)率為31%，除去混凝土墻部分（混凝土墻頂端到水平障條頂端2 088 mm高度范圍內(nèi)）透風(fēng)率為46%。

2 橋面行車風(fēng)環(huán)境評估基本原則

通常情況下跨海大橋為了滿足通航等需求，主橋必須具有足夠的通航凈空，因此主橋及與其連接的部分引橋設(shè)計高程遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于與其相連接的地面道路的標(biāo)高。按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)[1]，大氣邊界層中平均風(fēng)速剖面（即：平均風(fēng)速隨離開地表高度的變化規(guī)律）可用下述冪函數(shù)率表示：

式中：a為冪函數(shù)指數(shù)；z為離開地表高度，Zr為參考高度，Vr和Vz分別為參考高度處的參考風(fēng)速和高度z處的風(fēng)速。

圖1 力洋港大橋主橋總體布置（單位：m）

圖2 120 m跨根部、跨中主梁斷面圖（單位：cm）

圖3 防撞欄尺寸圖（單位：cm）

圖4 風(fēng)障安裝位置示意圖（單位：cm）

圖5 風(fēng)障結(jié)構(gòu)尺寸圖（單位：mm）

根據(jù)式（1），主橋、引橋和地面道路等不同部位的標(biāo)高相差越多，其風(fēng)速也就相差越大。然而，在不考慮橋梁振動的情況下，對于某一輛以恒定速度行駛的確定車輛，其在整條道路不同位置上的抗風(fēng)能力基本是一樣的，因此，橋面行車風(fēng)環(huán)境評估以及風(fēng)障設(shè)計一般可按下述基本原則進行：汽車在橋面上的安全通行能力接近其在接線地面道路上的安全通行能力。上述基本原則可稱為“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”，在本文中，將被進一步具體化為：橋面各車道上方4.5 m范圍內(nèi)的等效風(fēng)速不高于橋位處10 m高度處的風(fēng)速。

3 橋面等效風(fēng)速

當(dāng)側(cè)向風(fēng)吹過橋梁斷面時，橋面系構(gòu)件（如欄桿，防撞欄等）和主梁斷面本身都會對周圍一定范圍內(nèi)的氣流產(chǎn)生干擾，研究表明均勻側(cè)向風(fēng)流經(jīng)橋梁斷面后在橋面以上將形成一定厚度的附面層，其風(fēng)剖面形式類似于自然界地表附近的風(fēng)剖面，橋面附近的側(cè)向風(fēng)速沿垂直方向的分布與式(1)所示的風(fēng)剖面有一定區(qū)別，沿橋面橫向的分布也是很不均勻的，同一高度處越靠近主梁斷面前緣（上風(fēng)側(cè)）側(cè)向風(fēng)速越大。

由于橋面以上側(cè)向風(fēng)速的大小隨著離開橋面的距離而變化，變化規(guī)律也因主梁斷面和橋梁系構(gòu)件不同而不同，為了衡量橋面?zhèn)认蝻L(fēng)速的大小，根據(jù)總風(fēng)壓相等的原則定義橋面等效風(fēng)速為：

式中：z’為離開橋面的高度；Hr為等效風(fēng)速計算高度，與車輛在橋面上行駛時受側(cè)向風(fēng)影響的高度范圍向?qū)?yīng)。當(dāng)研究不同車輛在給定橋梁上的通行風(fēng)速限值時，通常對于大型車輛（大客車或集裝箱貨車）和小轎車Hr可分別取4.5 m和2.0 m。當(dāng)研究改善橋面行車風(fēng)環(huán)境的風(fēng)障措施時，一般需要按大型車輛來考慮，即可統(tǒng)一取，Hr=4.5 m。

4 側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

由于車輛側(cè)風(fēng)受風(fēng)面的中心距離橋面也有一定的高度，以常見大型集裝箱貨車為例，其重心大約距離地面高度為1.5 m，因此將橋面以上1.5 m的位置作為研究橋面?zhèn)蕊L(fēng)向風(fēng)速的基準(zhǔn)高度H，將基準(zhǔn)高度處按式（1）計算的風(fēng)速稱為基準(zhǔn)高度風(fēng)速，即：

式中：參考高度取為10 m；Vs10為橋位處10 m高度10min平均風(fēng)速；h為橋面到地表（水面或地面）的距離；α為風(fēng)剖面指數(shù)，根據(jù)浙江省氣候中心提供的《沿海高速公路（臺州段）氣象專題研究報告》[2]：本工程平均風(fēng)剖面冪函數(shù)指數(shù) α取為0.158。

一般情況下，受橋梁主梁斷面和橋面系構(gòu)件的影響后，橋面等效風(fēng)速會小于基準(zhǔn)高度風(fēng)速，即橋梁的主梁本身、欄桿等橋面系構(gòu)件都具有一定的擋風(fēng)作用，使得橋面以上一定高度范圍內(nèi)的總風(fēng)壓小于橋梁上游來流風(fēng)壓，因此將橋面等效風(fēng)速和基準(zhǔn)風(fēng)速的比值定義為橋面一定高度范圍內(nèi)的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)，即：

側(cè)風(fēng)折減系數(shù)反映了橋梁主梁斷面和橋面附屬構(gòu)件對來流阻滯或遮擋作用的大小，值越小，阻滯或遮擋作用就越大。

5 大橋橋面行車風(fēng)環(huán)境目標(biāo)減風(fēng)效果的確定

從行車安全角度出發(fā)，橋面上的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)應(yīng)小于該橋位處的允許值。因此為改善大橋橋面行車風(fēng)環(huán)境，使其具有與接線高速公路相近等效風(fēng)速和安全通行能力，就必須在大橋（包括主橋和引橋）上安裝風(fēng)障（wind barriers）系統(tǒng)減小橋面風(fēng)速。假定引線高速公路與大橋連接段具有與大橋相同的風(fēng)參數(shù)，那么，橋面基準(zhǔn)高度H處側(cè)風(fēng)折減系數(shù)的允許值[ηV]可根據(jù)前述橋面行車風(fēng)環(huán)境評估來確定，即：

根據(jù)力洋港大橋主橋設(shè)計高程及地面高程數(shù)據(jù)，計算得到了如表1所示的主橋幾個關(guān)鍵控制點處所需的允許側(cè)風(fēng)折減系數(shù)。由表1可知，若主橋上設(shè)置的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)障可以達到0.812的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)，則該主橋?qū)⒕哂信c其接線相同的等效平均風(fēng)速，即大橋主橋在大風(fēng)天氣下具有與其接線高速公路相同的通行能力和安全通行風(fēng)速。

表1 允許側(cè)風(fēng)折減系數(shù)

6 大比例模型風(fēng)洞試驗情況

力洋港大橋橋面行車風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室的TJ-3大型邊界層風(fēng)洞中進行。該風(fēng)洞是一座豎向回流式閉口低速風(fēng)洞，試驗段尺寸為15 m寬、2 m高、14 m長，其規(guī)模在同類邊界層風(fēng)洞中居世界第二位。并列的7臺風(fēng)扇由直流電機驅(qū)動，每臺電機額定功率為45 kW?？诊L(fēng)洞最高風(fēng)速可達17.6 m/s，流場性能良好，試驗區(qū)空風(fēng)洞流場的速度不均勻性小于2%、湍流度小于2%、平均氣流偏角小于0.2°。

如圖1所示，力洋港大橋為4跨主梁變高度連續(xù)薄壁剛構(gòu)橋，因此橋面風(fēng)環(huán)境沿縱橋向分布是連續(xù)變化的?？紤]到結(jié)構(gòu)的對稱性，研究中選擇了其中120 m跨徑進行橋面風(fēng)環(huán)境測試。為考慮兩端主梁及雙薄壁墩等結(jié)構(gòu)對測試橋面風(fēng)環(huán)境的影響，提高試驗段橋面風(fēng)環(huán)境模擬的精確性，在模型設(shè)計中還制作了70 m跨、臨近120 m跨的一半長度60 m、雙薄壁墩及橋臺等結(jié)構(gòu)。試驗中所模擬的力洋港大橋主橋結(jié)構(gòu)范圍見圖6。

圖6 試驗?zāi)M結(jié)構(gòu)范圍及測試截面位置（單位：cm）

模型采用三維剛體模型，幾何縮尺比取為1: 40。整座模型長度6.25 m，包含風(fēng)障高度約為1.02 m，兩幅主梁每幅寬度均為0.406 m，間距0.012 5 m。為提高模型的剛度，模型特別采用類似全橋氣動彈性模型的制作方式，由芯棒和外衣兩部分組成。在兩幅主梁及雙薄壁墩內(nèi)部均采用厚度約2 mm的鋁合金方管制作的芯棒，外衣則有3 mm厚度有機玻璃板制成，外衣和芯棒之間采用剛性連接。外衣完全模擬結(jié)構(gòu)外形，而剛度較大的芯棒則可以讓整個模型具有足夠剛度支撐起整個結(jié)構(gòu)，同時在氣流作用下不會發(fā)生變形和振動，從而保證了測試的精確性。

橋面系模擬了兩種情況，一是原橋面系，即在兩幅主梁的兩側(cè)各設(shè)置防撞欄。二是增設(shè)主橋標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)障，即在兩幅主梁的外側(cè)設(shè)置風(fēng)障，內(nèi)側(cè)設(shè)置防撞欄。防撞欄、風(fēng)障等橋面系采用ABS工程塑料或有機玻璃，由電腦雕刻制作。

7 防撞欄工況下橋面風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗結(jié)果[3]

對5號墩頂（S1）和跨中（S2）截面全部車道風(fēng)環(huán)境進行了測試。測試中各車道測點均位于該車道上風(fēng)側(cè)邊緣處。表2為試驗得到的三個截面各車道距橋面2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)。圖7為兩截面各車道風(fēng)速系數(shù)隨高度變化剖面圖。

表2 墩頂及跨中截面各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)（防撞欄）

圖7 S1、S2截面各車道風(fēng)速系數(shù)剖面（防撞欄）

由風(fēng)洞試驗結(jié)果可知：

（1）S1和S2三個截面，對應(yīng)2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)在橋面各車道從上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)變化規(guī)律不同。由于力洋港大橋以4.5 m高度為橋面等效風(fēng)速計算標(biāo)準(zhǔn)，因此應(yīng)以位于上風(fēng)側(cè)的車道1為橋面?zhèn)蕊L(fēng)行車最不利車道。

（2）跨中S2截面各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)大于墩頂S1截面相應(yīng)車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)，這表明主梁高度對于橋面?zhèn)蕊L(fēng)折減系數(shù)影響較大，對于力洋港大橋主梁截面而言，主梁高度越低，寬高比越大，則橋面?zhèn)蕊L(fēng)折減系數(shù)越大，橋面?zhèn)蕊L(fēng)行車安全性越低。

（3）在同一車道處，2.0 m、4.5 m到5.0 m三種高度范圍內(nèi)的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)依次增大，這表明在橋面上，小型轎車的行車安全性要明顯好于其它大型車輛。

（4）來流受阻擋并繞過防撞欄下部的混凝土墻，在混凝土墻體上方一定高度范圍內(nèi)形成高流速區(qū)，而且主梁高度越大，混凝土墻遮擋區(qū)域內(nèi)風(fēng)速越低，高于遮擋區(qū)后氣流速度變化越快。這一現(xiàn)象在上風(fēng)側(cè)三車道范圍內(nèi)非常明顯，墩頂S1截面車道1～車道3在2.25 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速系在0.1左右，高度超過2.25 m后側(cè)向風(fēng)速迅速變大，在3.25 m時達到最高，約為來流風(fēng)速的1.2倍?？缰蠸2截面由于主梁高度較小，風(fēng)速突變現(xiàn)象僅在車道1時比較明顯。

（5）在防撞欄橋面系情況下，混凝土墻體對1.5～2.0 m高度以下范圍內(nèi)側(cè)風(fēng)阻擋明顯，橋面最不利車道風(fēng)速系數(shù)低0.2；但會在2.0～3.25 m高度范圍內(nèi)形成一個風(fēng)速突變區(qū)，3.25～5.0 m高度范圍內(nèi)風(fēng)速約為來流的1.2倍。其有效遮擋區(qū)域高度在2.0 m左右，對于大型車輛側(cè)風(fēng)行車安全性較為不利。

（6）在防撞欄橋面系情況下，S2截面車道1、2和3側(cè)風(fēng)折減系數(shù)大于側(cè)風(fēng)折減系數(shù)0.812，不滿足“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”的要求。

8 風(fēng)障工況下橋面風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗結(jié)果[3]

對5號墩頂（S1）和跨中（S2）截面全部車道風(fēng)環(huán)境進行了測試。測試中各車道測點均位于該車道上風(fēng)側(cè)邊緣處。表3為試驗得到的三個截面各車道距橋面2.0 m、4.5 m和5.0 m高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)。圖8為兩截面各車道風(fēng)速系數(shù)隨高度變化剖面圖。

表3 墩頂及跨中截面各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)（防撞欄）

圖8 S1、S2截面各車道風(fēng)速系數(shù)剖面（風(fēng)障）

由風(fēng)洞試驗結(jié)果可知：

（1）S1和S2三個截面，對應(yīng)2.0 m高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)在橋面各車道都低于0.2，從上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)變化規(guī)律不明顯；對應(yīng)4.5 m和5.0 m兩個高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)在上風(fēng)側(cè)3車道依次減小，下風(fēng)側(cè)3車道則依次增大，呈現(xiàn)主梁外側(cè)車道大于內(nèi)側(cè)車道，且車道1最大的規(guī)律。由于力洋港大橋以4.5 m高度為橋面等效風(fēng)速計算標(biāo)準(zhǔn)，因此應(yīng)以位于上風(fēng)側(cè)的車道1為橋面?zhèn)蕊L(fēng)行車最不利車道。

（2）跨中S5截面各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)大于墩頂S1和S9截面相應(yīng)車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)，這表明主梁高度對于橋面?zhèn)蕊L(fēng)折減系數(shù)影響較大，對于力洋港大橋主梁截面而言，主梁高度越低，寬高比越大，則橋面?zhèn)蕊L(fēng)折減系數(shù)越大，橋面?zhèn)蕊L(fēng)行車安全性越低。

（3）在同一車道處，2.0 m、4.5 m到5.0 m三種高度范圍內(nèi)的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)依次增大，這表明在橋面上，小型轎車的行車安全性要明顯好于其它大型車輛。

（4）在設(shè)置了風(fēng)障后，在距橋面5 m高度范圍內(nèi)，各車道處側(cè)向風(fēng)速都有了明顯降低?？缰蠸2截面在4.25 m，墩頂S1截面在4.75 m高度范圍的側(cè)向風(fēng)速都小于來流風(fēng)速，結(jié)果表明風(fēng)障的遮擋效果可以達到4.5 m左右，覆蓋了一般大型車輛的高度，主橋標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)障的高度選擇是合理的，可以起到明顯的減風(fēng)效果。

（5）在設(shè)置了風(fēng)障之后，跨中S1和墩頂S2截面各車道側(cè)風(fēng)折減系數(shù)都小于側(cè)風(fēng)折減系數(shù)0.812，滿足“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”的要求。

9 結(jié)語

（1）力洋港大橋側(cè)風(fēng)控制標(biāo)準(zhǔn)可按照“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”來確定：為使汽車在橋面上的等效側(cè)向風(fēng)速接近地面道路上的等效側(cè)向風(fēng)速，應(yīng)當(dāng)使得橋面各車道上方4.5 m范圍內(nèi)的等效風(fēng)速不高于橋址位處10.0 m高度處的風(fēng)速。

（2）防撞欄的有效遮擋高度在2.0 m左右；主梁高度較高的墩頂截面橋面風(fēng)速小于主梁高度較小的跨中截面；從上風(fēng)側(cè)到下風(fēng)側(cè)6個車道，對應(yīng)4.5 m高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)會依次降低，最不利車道均為車道1；5號墩頂及跨中截面車道1的4.5 m高度范圍側(cè)風(fēng)折減系數(shù)分別為 0.715和0.856?？缰薪孛嫔巷L(fēng)側(cè)三車道均不滿足“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”。

（3）設(shè)置風(fēng)障工況后，力洋港大橋120 m主跨跨中和5號墩頂截面橋面全部6個車道風(fēng)環(huán)境測試結(jié)果表明：風(fēng)障的有效遮擋高度在5.0 m左右；主梁高度較高的墩頂截面橋面風(fēng)速小于主梁高度較小的跨中截面；對應(yīng)4.5 m和5.0 m兩個高度范圍的側(cè)風(fēng)折減系數(shù)在上風(fēng)側(cè)3車道依次減小，下風(fēng)側(cè)3車道則依次增大，呈現(xiàn)主梁外側(cè)車道大于內(nèi)側(cè)車道，且車道1最大的規(guī)律。5號墩頂及跨中截面車道1的4.5 m高度范圍側(cè)風(fēng)折減系數(shù)分別為0.296和0.521。滿足“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”。

（4）通過設(shè)置風(fēng)障可以有效降低力洋港大橋橋面?zhèn)蕊L(fēng)風(fēng)速，使得大橋橋面風(fēng)速降低到與其引線高速公路相近的水平，從而實現(xiàn)“全線等效側(cè)向風(fēng)速一致性原則”的目標(biāo)，避免大橋成為影響高速公路大風(fēng)天氣下通行能力的制約因素。

[1]JTG/T D60-01-2004,公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]浙江省氣候中心.沿海高速公路（臺州段）氣象專題研究報告[R].2013.

[3]郭震山.力洋港大橋橋面行車風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗研究[R].同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室研究報告 SLDRCE WT201601,2016.

河北擬再建三條地鐵對接北京

近日，河北省發(fā)改委發(fā)布《河北省軌道交通發(fā)展“十三五”規(guī)劃》，《規(guī)劃》提出將就高速鐵路、普通鐵路和城市軌道同時發(fā)力，基本實現(xiàn)環(huán)京津縣市與京津中心城區(qū)0.5～1 h通勤圈?！兑?guī)劃》還提出研究建設(shè)亦莊至廊坊、大興至固安、房山至涿州等3條地鐵聯(lián)通北京。屆時，京冀市民有望通過地鐵往來。河北環(huán)京縣市將率先體驗到京津冀一體化的便利。

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1009-7716（2017）03-0210-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.058

2016-12-13

周玉娟(1965-)，女，北京人，高級工程師，從事高等級公路建設(shè)設(shè)計科研管理工作。