高速列車經(jīng)過時作用在跨線天橋風壓力數(shù)值模擬①

鄭修凱，楊娜，張建

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

列車在地面上行駛時，由于空氣黏性作用使周圍的空氣被列車表面帶動并隨之一起運動，形成列車風［1－2］。列車風使列車周圍環(huán)境空氣壓力波動，在臨近線路建筑物上產(chǎn)生波動壓力。隨著列車運行速度提高，列車風壓隨之迅速增強，強烈的列車風壓會對沿線建筑物產(chǎn)生很大甚至破壞性影響。設計者在對臨近高速鐵路的建筑物進行設計時，應充分考慮列車風壓對臨近建筑物的影響，以保證這些建筑物的安全。跨線天橋是典型的高速鐵路臨近建筑物，目前國內(nèi)外對于跨線天橋的研究主要集中在列車通過時所引起的天橋振動以及減振措施［3］，對于列車通過時跨線天橋表面的氣動壓力研究主要集中在天橋底面［4］。高速列車經(jīng)過時列車風對跨線天橋迎風面、背風面也會產(chǎn)生顯著影響，但國內(nèi)外對于天橋迎風面、背風面氣動壓力分布規(guī)律研究較少。本文結合我國高速列車和跨線天橋的情況，采用三維非定?？蓧嚎sk－ε二方程湍流模型［4－5］，對高速列車通過跨線天橋時作用在跨線天橋表面上的氣動壓力進行數(shù)值模擬，確定天橋迎風面、背風面和底面所受到的氣動壓力分布規(guī)律。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

列車外型參考CRH380型動車組［6］，CRH380型動車組采用流線化外型，具有良好的氣動特性，其中CRH380頭部結構由縱向雙曲拱面、縱向五曲拱面設計而成。為控制計算規(guī)模，列車由流線化車頭、車身和車尾組成，頭車和尾車長度為25 m，車身長60 m，模型總長110 m，列車寬度3.38 m，列車高度3.7 m，如圖1所示。

圖1 CRH380動車組模型外貌Fig.1 CRH380 EMUmodel appearance

火車站共設5臺7線，其中2條正線、5條到發(fā)線。人行天橋位于站房中心線處，左右對稱，長為81.765 m，寬為64.3 m，高為8.2 m，橋面凈寬15 m，結構形式為鋼結構，采用鋼筋混凝土組合橋面板。

計算區(qū)域尺寸為400 m×200 m×30 m［7－8］，將整個計算區(qū)域分層次劃分網(wǎng)格。列車表面及跨線天橋附近網(wǎng)格劃分較細，外部流域尺寸較大網(wǎng)格劃分較粗。列車通過部分采用滑移網(wǎng)格［9－10］，滑移區(qū)域采用四面體非結構化與六面體結構化混合網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量在180萬左右。

2 邊界條件和計算方法

流場入口與出口位置采用壓力遠場邊界條件，相對總壓為101.325 kPa(工作環(huán)境壓力為0);結構物表面及地面采用無滑移壁面條件。

利用Fluent軟件求解非定常、可壓縮流動的Reynolds Averaged Navier－Stokes(RANS)方程和標準k－ε二方程湍流模型，對跨線天橋的列車風流場進行數(shù)值模擬。用有限體積法離散方程，動量方程、能量方程、k和ε方程中的對流項采用二階迎風格式離散，擴散項采用中心差分格式離散，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法［11－13］。計算時間步長設為0.003 s，共計算2 000步［14］，模擬了自列車車頭位于跨線天橋前60 m至車尾穿過天橋的整個過程，同時在跨線天橋特定位置布置若干個監(jiān)測點和監(jiān)測面，以取得測點的壓力時程數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值模擬方法的驗證

本文主要是通過將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果進行對比來驗證數(shù)值模擬方法的準確性［15］。將數(shù)值模擬得到的列車風壓值與實測值進行對比，如圖2所示，通過對比發(fā)現(xiàn)本文數(shù)值模擬結果與實測結果基本一致，驗證了本文數(shù)值計算方法的可靠性，為下文數(shù)值模擬結果分析奠定了基礎。

圖2 實測值與數(shù)值模擬結果對比圖Fig.2 Comparison ofmeasured values and numerical results

4 數(shù)值模擬結果及分析

4.1 迎風面垂直于軌道方向列車風壓分布

天橋迎風面玻璃板高度約2.2 m，分別在8.2 m(迎風面底部)和10.4 m(迎風面頂部)沿水平方向布置多個監(jiān)測點，其中測點位置15.75 m為正線。不同列車運行速度下8.2 m和10.4 m處各測點列車風壓極值如表1和表2所示，列車風壓分布曲線如圖3和圖4所示。從迎風面不同標高處沿水平方向最大、最小列車風壓分布曲線可知:在天橋迎風面沿水平方向最大、最小列車風壓的分布從正線上方向兩側逐漸遞減，車速為250、300和350 km/h時，高度8.2 m距離正線22 m處的最大列車風壓分別衰減為正線的60.3%，53.2%和49.5%，高度10.4 m距離正線22 m處的最大列車風壓分別衰減為正線的98%，96.7%和94.6%。由此可以看出:不同車速同一高度處，列車風壓由正線向兩側逐漸遞減，速度越大遞減越快。

圖3 8.2 m處列車風壓極值分布曲線Fig.3 Extreme pressure distribution curves at8.2m height

表1 8.2 m處各測點列車風壓極值Table 1 Extreme pressure values at8.2 m height

表2 10.4 m處各測點列車風壓極值Table 2 Extreme pressure values at10.4 m height

圖4 10.4 m處列車風壓極值分布曲線Fig.4 Extreme pressure distribution curves at 10.4 m height

4.2 迎風面正線上方沿高度方向列車風壓分布

天橋迎風面玻璃板高度為2.2 m，從正線上方8.2m(迎風面底部)開始沿高度方向布置監(jiān)測點，共布置8個監(jiān)測點，作用在各監(jiān)測點的列車風壓極值如表3所示，不同速度下的列車風壓極值分布曲線如圖5所示。由高速列車通過正線時上方各點最大、最小列車風壓分布曲線可知:不同速度下，迎風面玻璃板沿高度方向最大、最小列車風壓由下至上均逐漸遞減，車速為250，300和350 km/h時，高度10.4m處的最大列車風壓值分別衰減為8.2m處的57.1%，50.3%和47.5%，最小列車風壓值分別衰減為8.2m處的18.5%，26.9%和31.3%，衰減規(guī)律與列車速度有關，最大列車風壓在速度越大時衰減越快，最小列車風壓在速度越小時衰減越快。

圖5 迎風面沿高度方向列車風壓極值分布曲線Fig.5 Extreme pressure values of windward side along the height direction

4.3 背風面正線上方沿高度方向列車風壓分布

跨線天橋背風面高2.2 m，從正線上方8.2 m (背風面底部)開始沿豎向布置監(jiān)測點，共布置8個監(jiān)測點，作用在各監(jiān)測點的列車風壓極值如表4所示，不同速度下列車風壓極值分布情況如圖6所示。由圖6可知:不同列車速度下，背風面玻璃板上沿高度方向最大、最小列車風壓由下至上均逐漸遞減，車速為250、300和350 km/h時，高度10.4m處的最大列車風壓值分別衰減為8.2 m處的61.8%，59.5%和58.6%，最小列車風壓值分別衰減為8.2 m處的20.1%，31.5%和36.8%，衰減規(guī)律與列車速度有關，最大列車風壓在列車速度越大時衰減越快，最小列車風壓在速度越小時衰減越快。對比圖5和圖6可以看出:背風面與迎風面列車風壓衰減規(guī)律基本一致。

表3 迎風面沿高度方向各點列車風壓極值Table 3 Extreme pressure values of windward side along the height direction

表4 背風面沿高度方向各點列車風壓極值Table 4 The extreme pressure values of leeward side along the height direction

4.4 天橋底面正線上方順軌道方向列車風壓分布

跨線天橋凈寬15 m，在天橋底面沿列車前進方向共布置了6個監(jiān)測點，不同速度下各監(jiān)測點列車風壓極值如表5所示，底面順軌道方向不同速度下列車風壓分布曲線如圖7所示。由風壓分布曲線可知:在天橋底面(標高8.1 m)正線上方沿列車前進方向，最大列車風壓并不在天橋的正中央，而是在天橋高速列車駛入的端口;最小列車風壓也不在天橋的正中央，而是發(fā)生在天橋列車駛出的端口，這主要是由列車頭部進入跨線天橋擠壓空氣產(chǎn)生的氣流以及列車尾部離開天橋時捲吸帶起的空氣流動所造成。

圖6 背風面沿高度方向列車風壓極值分布曲線Fig.6 Extreme pressure values of leeward side along the height direction

表5 天橋底面順軌道方向列車風壓極值Table 5 The extreme pressure values of the bottom surface along the track direction

圖7 天橋底面順軌道方向列車風壓極值分布曲線Fig.7 The extreme pressure values of the bottom surface along the track direction

4.5 天橋底面正線上方垂直軌道方向列車風壓分布

跨線天橋長81.765 m，在天橋底面正中央沿垂直軌道方向每隔一定距離布置一監(jiān)測點，共布置7個監(jiān)測點，不同速度下各監(jiān)測點列車風壓極值如表6所示，列車風壓極值分布曲線如圖8所示。由圖8可以看出:跨線天橋底面從正線上方向兩側列車風壓逐漸遞減;250，300和350 km/h距離正線30 m處最大列車風壓分別衰減為正線的28.1%，23.1%和20.3%;最小列車風壓分別衰減為正線的1.2%，1.7%和2.1%;不同速度下最大列車風壓在速度越大時衰減越快，最小列車風壓在速度越大時衰減越慢;距離正線30 m處列車風壓極值已衰減到很小，其中最小列車風壓接近0。

表6 天橋底面垂直軌道方向列車風壓極值Table 6 Extreme pressure values of the bottom surface perpendicular to track direction

圖8 天橋底面垂直軌道方向列車風壓極值分布曲線Fig.8 The extreme pressure values of the bottom surface perpendicular to track direction

5 結論

(1)高速列車通過跨線天橋時產(chǎn)生的列車壓力波幅值與運行速度有關，列車速度越高，產(chǎn)生的列車壓力波幅值越大。

(2)同一高度處，列車風壓由正線向兩側逐漸遞減，速度越大遞減越快。車速為250，300和350 km/h，高度8.2 m距離正線22 m處的最大列車風壓分別衰減為正線的60.3%，53.2%和49.5%，高度10.4 m距離正線22 m處的最大列車風壓分別衰減為正線的98%，96.7%和94.6%。隨著高度的增加，衰減越來越慢。

(3)迎風面、背風面沿豎向最大、最小列車風壓由下至上均逐漸遞減，衰減規(guī)律與列車速度有關，最大列車風壓在速度越大時衰減越快，最小列車風壓在速度越小時衰減越快。

(4)跨線天橋底部順軌道方向最大列車風壓并不在天橋的正中央，而是在天橋列車駛入端;最小列車風壓也不在天橋的正中央，而是發(fā)生在天橋列車駛出的端口，這主要是由列車頭部進入跨線天橋擠壓空氣產(chǎn)生的氣流以及列車尾部離開天橋時捲吸帶起的空氣流動所造成。

(5)跨線天橋底部從正線上方向兩側列車風壓逐漸遞減，250，300和350 km/h距離正線30 m處最大列車風壓分別衰減為正線的 28.1%，23.1%和20.3%，最小列車風壓分別衰減為正線的1.2%，1.7%和2.1%，不同速度下最大列車風壓在速度越大時衰減越快，最小列車風壓在速度越大時衰減越慢。

［1］賀德馨.風工程和工業(yè)空氣動力學［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.HE Dexin.Wind engineering and industrial aerodynamics［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.

［2］梁習鋒，張健.動力車車體表面壓力分布試驗研究［J］.長沙鐵道學院學報，2002，20(4):89－93.LIANG Xifeng，ZHANG Jian.Investigation of real train test into the air pressure distribution on external surface of power car［J］.Journal of Changsha Railway University，2002，20(4):89－93.

［3］楊亦軍，王慶云，林志興.高速列車通過時跨線鋼板梁橋的風致振動及其對策研究［J］.世界橋梁，2005(1): 46－49.YANG Yijun，WANG Qingyun，LIN Zhixing.Research ofwind－induced vibration of steel plate girder overhead bridge and measures against vibration thereof due to high－speed running train［J］.World Bridges，2005(1):46－49.

［4］雷波，劉應清.高速列車作用在跨線天橋上風壓力的數(shù)值模擬［J］.西南交通大學學報，1999，34(3):259－262.LEIBo，LIU Yingqing.The numerical simulation of the cross－line pressure which was induced by high－speed train［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，1999，34(3):259－262.

［5］Nahamkeon Hur，Chan－Shik Won，Sa Ryang Kim，Chang－koon Choi.Wind load simulation for high－speed train stations［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008:2042－2053.

［6］宋杰.高速列車過站時的數(shù)值模擬及風致振動研究［D］.北京:北京交通大學，2013.SONG Jie.Numerical simulation of roof passing by high speed railway train and vibration analysis［D］.Beijing: Beijing Jiaotong University，2013.

［7］王秀珍，劉堂紅.時速350 km/h動車組過隧道氣動效應分析［J］.鐵道科學與工程學報，2013，10(1):92－97.WANG Xiuzhen，LIU Tanghong.Analysis on aerodynamic effects of 350 km/h EMU passing tunnels［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2013，10(1):92－97.

［8］李志偉，梁習鋒，張健.橫通道對緩解隧道瞬變壓力的研究［J］.鐵道科學與工程學報，2010，7(4):37－41.LIZhiwei，LIANG Xifeng，ZHANG Jian.Study of alleviating transient pressure with cross passage in a tunnel［J］.Journal of Railway Science and Engineering，，2010，7 (4):37－41.

［9］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真［M］.北京:清華大學出版社，2011.ZHU Hongjun，LIN Yuanhua，XIE Longhan.Fluent12－analysis and simulation of fluid engineering［M］.Beijing: Tsinghua University Press，2011.

［10］田紅旗.列車交會空氣壓力波研究及應用［J］.鐵道科學與工程學報，2004，1(1):83－89.TIAN Hongqi.Research and applications for air pressure pulse from trains passing each other［J］.Journalof Railway Science and Engineering，2004，1(1):83－89.

［11］王福軍.計算流體動力學分析－CFD軟件原理與應用［M］.北京:清華大學出版社，2012.WANG Fujun.Computational fluid dynamics analysis－Principle and Application of CFD software［M］.Beijing: Tsinghua University Press，2012.

［12］張小鋼，劉應清，趙海恒.高速列車經(jīng)過路邊建筑物時的非定常湍流繞流數(shù)值模擬研究［J］.鐵道學報，1998，20(2):87－92.ZHANG Xiaogang，LIU Yingqing，ZHAO Haiheng.Numerical simulation of unsteady turbulent flow when a train pass beside a building at high speed［J］.Journal of the China Railway Society，1998，20(2):87－92.

［13］曾劍明，陳南翼，王開春.列車周圍流場數(shù)值研究［J］.長沙鐵道學院學報，1998，16(2):35－39.ZENG Jianming，CHEN Nanyi，WANG Kaichun.Numerical research on flow field around train［J］.Journal of Changsha Railway University，1998，16(2):35－39.

［14］周志勇，程波，艾輝林.高速列車過站空氣動力學效應數(shù)值模擬研究［J］.力學季刊，2010，31(4):521－527.ZHOU Zhiyong，CHENGBo，AIHuilin.Numerical simulation of aerodynamic characteristics of roof passing by high－speed railway train［J］.Chinese Quarterly of Mechanics，2010，31(4):521－527.

［15］楊娜.德州東站人行天橋風壓測試報告［R］.北京:北京交通大學，2011.YANG Na.The pressure test report of dezhou east railway station［R］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2011.