風(fēng)屏障高度對(duì)城軌專用斜拉橋車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響

何瑋，郭向榮，朱志輝，何旭輝

風(fēng)屏障高度對(duì)城軌專用斜拉橋車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響

何瑋，郭向榮，朱志輝，何旭輝

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院，高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075)

在綜合考慮風(fēng)屏障高度對(duì)橋梁及橋上列車氣動(dòng)特性影響的前提下，采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究在橋梁上設(shè)置不同高度風(fēng)屏障的情況下列車與橋梁的氣動(dòng)力系數(shù)以及車橋系統(tǒng)周圍的流場(chǎng)分布情況。研究結(jié)果表明：隨風(fēng)屏障高度增加，橋梁的阻力系數(shù)明顯增大，而橋上列車的阻力系數(shù)相應(yīng)減小，橋梁與列車的升力系數(shù)變化不明顯；在側(cè)風(fēng)作用下，風(fēng)屏障高度對(duì)處于橋面迎風(fēng)位置列車的所受氣動(dòng)力影響較明顯；風(fēng)屏障高度對(duì)車橋系統(tǒng)周圍流場(chǎng)的影響較明顯，當(dāng)風(fēng)屏障高度增加時(shí)，梁體迎風(fēng)面正壓區(qū)顯著增大；車體迎背風(fēng)面的壓力分布不僅受風(fēng)屏障高度的影響，而且受列車在橋面的位置的影響。

風(fēng)洞試驗(yàn)；車橋系統(tǒng)；風(fēng)屏障；氣動(dòng)特性

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)城市軌道交通獲得了新的發(fā)展機(jī)遇，軌道交通橋梁也同時(shí)迎來(lái)了新的挑戰(zhàn)，對(duì)跨度的要求越來(lái)越高。斜拉橋作為一種整體剛度較強(qiáng)的柔性結(jié)構(gòu)，由于其具有較強(qiáng)的跨越能力，因而在軌道交通建設(shè)中越來(lái)越受到關(guān)注。然而，由于大跨度斜拉橋多建于開(kāi)闊區(qū)域，受風(fēng)荷載影響較大，且列車與橋梁間氣動(dòng)干擾往往會(huì)增加列車受到的風(fēng)荷載，進(jìn)一步增加橋上行車的安全風(fēng)險(xiǎn)。為了提高側(cè)風(fēng)下的橋上行車安全，目前最有效且最常用的措施是在橋上行車線兩側(cè)設(shè)置風(fēng)屏障[1]。風(fēng)屏障由于能給列車提供一個(gè)相對(duì)較低風(fēng)速的環(huán)境，可以有效提高行車安全性。許多研究者對(duì)風(fēng)屏障防風(fēng)效果進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明風(fēng)屏障高度對(duì)軌道上方的流場(chǎng)分布及車輛風(fēng)荷載有較大影響[2?5]，當(dāng)風(fēng)屏障高度較大時(shí)，其防風(fēng)效果較好[6?9]。然而，對(duì)設(shè)有普通型風(fēng)屏障的橋梁，若側(cè)向來(lái)流的風(fēng)速很大，則高度較大的風(fēng)屏障雖然可以保護(hù)列車行車安全，但它對(duì)橋梁主梁帶來(lái)了較大的氣動(dòng)作用力。尤其是對(duì)于跨度相對(duì)較大的斜拉橋，高度較大的風(fēng)屏障可能引起橋梁動(dòng)力穩(wěn)定性下降。以往的研究主要集中在風(fēng)屏障對(duì)列車氣動(dòng)性能的影響方面，然而，當(dāng)線路基礎(chǔ)為大跨度橋梁時(shí)，有必要綜合考慮風(fēng)屏障高度對(duì)橋梁梁體及橋上列車氣動(dòng)特性的影響。為此，本文作者采用風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究在橋梁上設(shè)置不同高度風(fēng)屏障情況下列車與橋梁的氣動(dòng)力系數(shù)以及車橋系統(tǒng)周圍的流場(chǎng)分布情況。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)在中南大學(xué)高速鐵路風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的高速試驗(yàn)段進(jìn)行，高速試驗(yàn)段長(zhǎng)15.0 m，寬3.0 m，高3.0 m；試驗(yàn)風(fēng)速在0~94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，風(fēng)場(chǎng)順風(fēng)向湍流度小于0.3%。為同步測(cè)試不同工況下列車和橋梁各自的氣動(dòng)力，列車和橋梁模型別分固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力分離；在列車和橋梁模型兩端分別裝有動(dòng)態(tài)測(cè)力天平(共安裝4個(gè)天平)以采集列車和橋梁的氣動(dòng)力；通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，節(jié)段模型可繞圓盤中心作同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)攻角調(diào)節(jié)；整個(gè)測(cè)力裝置由固定在風(fēng)洞地板上的豎向支撐系統(tǒng)支撐。使用的動(dòng)態(tài)測(cè)力天平為日本NITTA公司生產(chǎn)的IFS型六分量動(dòng)態(tài)天平，測(cè)力分辨率為0.02 N。采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針采集尾流處三維風(fēng)速及靜態(tài)壓力，采集點(diǎn)位于模型下游1.5 m處，高度與主梁頂面高度一致(距離地面約為1.0 m)。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

列車模型采用城市軌道客運(yùn)常用的A型列車，高度為4.4 m，寬度為3.5 m。橋梁主梁模型采用扁平流線型箱梁外形，尺寸見(jiàn)圖1。在車道兩側(cè)設(shè)置高度分別為2.5，3.0，3.5和4.0 m的風(fēng)屏障，風(fēng)屏障距主梁斷面中心處距離為7.55 m。列車模型、橋梁主梁模型及風(fēng)屏障模型的縮尺比都為1/40，節(jié)段模型長(zhǎng)度為 2.0 m。為減少端部繞流的影響，在模型兩端加裝端板。為保證風(fēng)環(huán)境下模型的剛度，列車模型采用鋼骨架塑料材質(zhì)模型，橋梁模型采用鋼骨架木質(zhì)模型，風(fēng)屏障模型采用5 mm厚塑料材質(zhì)模型。根據(jù)以往研究成果可知，除風(fēng)屏障高度之外，風(fēng)屏障的透風(fēng)率、孔洞尺寸、開(kāi)孔方式等都會(huì)影響其防風(fēng)效果[1?2]。因此，為保證試驗(yàn)的相似性、排除其他因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，4種不同高度風(fēng)屏障模型的透風(fēng)率統(tǒng)一為30%，開(kāi)孔方式統(tǒng)一采用8 mm×8 mm方形孔洞且孔洞在風(fēng)屏障上均勻分布。本試驗(yàn)的風(fēng)屏障照片見(jiàn)圖2。

數(shù)據(jù)單位：cm

模型比例尺為1/40

1.3 試驗(yàn)分組及數(shù)據(jù)處理

本文的風(fēng)洞試驗(yàn)共分為8組，每組在0°和±3°風(fēng)攻角下進(jìn)行吹風(fēng)測(cè)試，其中第1~4組為迎風(fēng)工況，第5~8組為背風(fēng)工況。試驗(yàn)流場(chǎng)為均勻流場(chǎng)。試驗(yàn)風(fēng)速U分別為10 m/s和15 m/s，試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。由于采樣點(diǎn)風(fēng)速和靜壓隨時(shí)間的分布具有隨機(jī)性，在流動(dòng)持續(xù)一段時(shí)間后，可認(rèn)為隨機(jī)過(guò)程的隨機(jī)特征不隨時(shí)間變化，即此過(guò)程是穩(wěn)定的[10?11]。因此，本文各組試驗(yàn)均在風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定值并穩(wěn)定5 s后開(kāi)始采樣，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時(shí)間為20 s。

表1 各組試驗(yàn)參數(shù)

動(dòng)態(tài)測(cè)力天平采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理得到列車和橋梁的氣動(dòng)三分力系數(shù)。風(fēng)軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)計(jì)算公式[12]分別如下：

其中：D為阻力系數(shù)；D為阻力；U為試驗(yàn)參考風(fēng)速；空氣密度1.225 kg/m3；為測(cè)力節(jié)段模型長(zhǎng)度；L為升力系數(shù)；L為升力；M為扭矩系數(shù)；為扭矩；阻力系數(shù)以模型高度為參考長(zhǎng)度；升力系數(shù)、繞形心的扭矩系數(shù)均以模型全寬為參考長(zhǎng)度。

2 數(shù)值模擬

2.1 基本控制方程

采用分離渦模擬DES(detached eddy simulation)方法將大渦模擬方法與常規(guī)RANS方法結(jié)合進(jìn)行分離渦模擬[13?15]。對(duì)于任何復(fù)雜的湍流流動(dòng)，非穩(wěn)態(tài)的連續(xù)方程和NS控制方程都是適用的。流體控制方程中連續(xù)性方程的笛卡爾張量形式為

其中：為流體密度；為流體速度沿方向的分量。動(dòng)量守恒方程的笛卡爾張量形式為

2.2 湍流的數(shù)值模擬

對(duì)于模擬圓柱繞流，常用的湍流模型有RNG(re-normalization group)?模型和SST (shear- stress transports)?模型[14]。RNG?模型是高雷諾數(shù)湍流模型，對(duì)低雷諾數(shù)下近壁面情況需要采用半經(jīng)驗(yàn)的壁面函數(shù)，而SST?模型的特點(diǎn)在于不包含?模型中的非線性黏性衰減函數(shù)，能夠更精確地模擬計(jì)算物的邊界層。本文基于SST?兩方程湍流模 型[16?17]模擬側(cè)風(fēng)作用下車?橋系統(tǒng)周圍的定常繞流 流場(chǎng)。

在SST?模型中，湍動(dòng)能和比耗散率的運(yùn)輸方程為：

為了使運(yùn)輸方程從近壁面改進(jìn)的?模型過(guò)渡到外部的標(biāo)準(zhǔn)?模型，采用混合函數(shù)1計(jì)算各系數(shù)：

混合函數(shù)1按下式計(jì)算：

2.3 車橋系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算模型

采用大型商業(yè)流體計(jì)算軟件FLUENT對(duì)不同高度風(fēng)屏障環(huán)境下車橋系統(tǒng)的二維流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。車橋系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算模型外形與風(fēng)洞試驗(yàn)節(jié)段模型一致，尺寸與實(shí)際尺寸的比例為1:1。計(jì)算網(wǎng)格采用由結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格組成的混合網(wǎng)格，其中模型附近區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)三角形網(wǎng)格，在模型表面處設(shè)置總厚度為0.02 m的邊界層，遠(yuǎn)離橋梁區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格。為保證流場(chǎng)的充分發(fā)展，數(shù)值區(qū)域上邊界到模型中心的距離為80 m，下邊界到模型中心的距離為70 m，入口邊界距模型中心的距離為100 m，出口邊界距模型中心的距離為300 m。數(shù)值邊界條件中速度入口風(fēng)速取10 m/s，車橋系統(tǒng)及上下面邊界條件為無(wú)滑移壁面邊界，出口邊界條件為壓力出口。

3 結(jié)果分析

3.1 風(fēng)屏障高度對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)的影響

側(cè)風(fēng)下各組工況列車和橋梁所受氣動(dòng)力經(jīng)過(guò)計(jì)算得出列車和橋梁的氣動(dòng)力系數(shù)，由于體軸與風(fēng)軸坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力系數(shù)可以相互換算，因此，本文僅給出風(fēng)軸坐標(biāo)系下各組試驗(yàn)的氣動(dòng)力系數(shù)。風(fēng)攻角為0°時(shí)風(fēng)屏障高度由2.5 m增大至4.0 m，橋梁與列車氣動(dòng)力系數(shù)的變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3和圖4。從圖3和圖4可以看出：由風(fēng)洞試驗(yàn)獲得的列車與橋梁氣動(dòng)力系數(shù)結(jié)果與CFD數(shù)值模擬計(jì)算所得結(jié)果基本一致。由圖3(a)可知：當(dāng)列車處于橋面迎風(fēng)側(cè)時(shí)，隨著風(fēng)屏障高度增加，橋梁的阻力系數(shù)明顯增大而列車的阻力系數(shù)相應(yīng)減小。然而，由圖4(a)可見(jiàn)：當(dāng)列車處于背風(fēng)側(cè)行車線時(shí)，雖然橋梁的阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障高度增大而增大，但列車的阻力系數(shù)受風(fēng)屏障高度的影響不大。此外，由圖3(b)和圖4(b)可以看出：當(dāng)橋梁風(fēng)屏障高度由2.5 m增大至4.0 m時(shí)，橋梁和橋上列車的升力系數(shù)變化均不太明顯。

從風(fēng)攻角為0°時(shí)的計(jì)算結(jié)果可以看出：風(fēng)屏障高度對(duì)橋梁及橋上列車的阻力系數(shù)影響較大，而對(duì)升力系數(shù)的影響不明顯。進(jìn)一步研究列車位置和風(fēng)攻角的變化對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在各工況下，當(dāng)風(fēng)攻角為?3°，0°和+3°時(shí)，橋梁和橋上列車阻力系數(shù)的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表2和表3。由表2可知：當(dāng)風(fēng)屏障高度由2.5 m增大至4.0 m時(shí)，各風(fēng)攻角的橋梁阻力系數(shù)均呈明顯增大趨勢(shì)。而由表3可見(jiàn)：當(dāng)列車處于橋面迎風(fēng)側(cè)時(shí)，各風(fēng)攻角的列車阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障高度的增大而減??；當(dāng)列車處于橋面背風(fēng)側(cè)時(shí)，各攻角的列車阻力系數(shù)受風(fēng)屏障高度的影響均較小。

(a) 阻力系數(shù)；(b) 升力系數(shù)

3.2 風(fēng)屏障高度對(duì)車?橋系統(tǒng)周圍流場(chǎng)的影響

從風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可知：隨著風(fēng)屏障高度增加，橋梁所受到的氣動(dòng)力顯著增大而橋上列車所受到氣動(dòng)力相應(yīng)減小。為了比較分析在橋面設(shè)置不同高度風(fēng)屏障時(shí)車?橋系統(tǒng)周圍的流場(chǎng)，選取風(fēng)攻角為0°，風(fēng)屏障高度為2.5 m和4.0 m，列車分別處于橋面迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)，計(jì)算車?橋系統(tǒng)周圍的壓力分布。計(jì)算的靜壓云圖如圖5和圖6所示。

(a) 阻力系數(shù)；(b) 升力系數(shù)

表2 橋梁阻力系數(shù)(風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果)

表3 列車阻力系數(shù)(風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果)

從圖5可見(jiàn)：當(dāng)列車處于橋面迎風(fēng)位置時(shí)，隨著風(fēng)屏障高度增大，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障的迎風(fēng)面正壓區(qū)高度增大，與此同時(shí)，列車車體迎風(fēng)面正壓區(qū)風(fēng)壓明顯減小，而其背風(fēng)面負(fù)壓區(qū)風(fēng)壓明顯增大。這表明在側(cè)向來(lái)流作用下，當(dāng)列車處于橋面迎風(fēng)側(cè)行車線時(shí)，車體因風(fēng)屏障高度增加受到的側(cè)向氣動(dòng)力明顯降低，而梁體相應(yīng)承受了更多的側(cè)向氣動(dòng)力。圖6所示為列車處于橋面背風(fēng)位置時(shí)車?橋系統(tǒng)周圍流場(chǎng)的靜壓等值線云圖。從圖6可以看出：在側(cè)向來(lái)流作用下，當(dāng)風(fēng)屏障高度由2.5 m增大至4.0 m時(shí)，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障的迎風(fēng)面正壓區(qū)高度明顯增大，這表明梁體因風(fēng)屏障高度的增加受到了更大的側(cè)向氣動(dòng)力；而隨著風(fēng)屏障高度增加，車體迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓力均減小，但車體迎背風(fēng)區(qū)壓力差變化不明顯，這表明風(fēng)屏障高度對(duì)背風(fēng)位置處列車車體的側(cè)向氣動(dòng)力影響不大。

風(fēng)屏障高度/m：(a) 2.5；(b) 4.0

風(fēng)屏障高度/m：(a) 2.5；(b) 4.0

4 結(jié)論

1) 在風(fēng)攻角分別為?3°，0°和+3°時(shí)，風(fēng)屏障高度在2.5~4.0 m范圍內(nèi)每增加0.5 m，迎風(fēng)與背風(fēng)工況中的橋梁阻力系數(shù)均增大至少10%，而橋梁升力系數(shù)變化不明顯，這表明在側(cè)風(fēng)環(huán)境中風(fēng)屏障高度對(duì)梁體所受側(cè)向氣動(dòng)力的影響較明顯。

2) 風(fēng)屏障高度對(duì)列車阻力系數(shù)的影響因列車處于橋面的位置而異。當(dāng)列車處于橋面迎風(fēng)位置時(shí)，各風(fēng)攻角的列車阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障高度增大而減小；當(dāng)列車處于橋面背風(fēng)位置時(shí)，各風(fēng)攻角的列車阻力系數(shù)受風(fēng)屏障高度的影響均較小。此外，風(fēng)屏障高度對(duì)列車升力系數(shù)的影響較小。

3) 風(fēng)屏障高度對(duì)車橋系統(tǒng)周圍流場(chǎng)的影響比較明顯。當(dāng)風(fēng)屏障高度增加時(shí)，梁體迎風(fēng)面正壓區(qū)高度顯著增大，從而導(dǎo)致梁體受到的側(cè)向氣動(dòng)力增大。風(fēng)屏障高度對(duì)迎風(fēng)位置處列車車體兩側(cè)的壓力差影響較大，而對(duì)背風(fēng)位置處列車車體兩側(cè)的壓力差影響不大。

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(編輯 陳燦華)

Effect of wind barrier’s height on train-bridge system aerodynamic characteristic of cable-stayed bridge for urban railway transportation

HE Wei, GUO Xiangrong, ZHU Zhihui, HE Xuhui

(National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction,School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In order to consider the effects of wind barrier’s height on both bridge deck and train, a method that combines wind tunnel test and numerical simulation was adopted to study the aerodynamic coefficients of bridge deck and train and the flow field around train-bridge system with wind barriers at different heights. The results show that with the increase of wind barrier’s height, aerodynamic coefficient of the bridge increases obviously, and yet aerodynamic coefficient of the train decreases. On the contrary, lift coefficient of bridge and train is almost unchanged. The wind barrier’s height has a more remarkable influence on the aerodynamic force on the train in windward cases than that in leeward cases. Moreover, the wind barrier’s height can impact the flow field around train-bridge system. With the increase of wind barrier’s height, the positive pressure zone on the windward side of the bridge deck increases obviously. Besides that, the wind pressure distribution around train depends not only on the wind barrier’s height but also on the position of the train on bridge deck.

wind tunnel test; train-bridge system; wind barrier; aerodynamic characteristic

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.08.035

V211.74

A

1672?7207(2017)08?2238?07

2016?09?12；

2016?11?22

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51678576，51378511，51178471)；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFB1201204)；湖南省高校創(chuàng)新平臺(tái)開(kāi)放基金資助項(xiàng)目(13K006)(Projects(51678576, 51378511, 51178471) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2017YFB1201204) supported by the National Key R&D Program of China; Project(13K006) supported by the Innovation Platform Open Fund Project of Hunan Province)

朱志輝，副教授，從事車橋耦合振動(dòng)研究；E-mail：zzhh0703@163.com