公鐵同層橋梁列車軌道優(yōu)化布置風(fēng)洞試驗(yàn)研究*

周 旭 李的平 何旭輝 敬海泉*

(中南大學(xué)土木工程學(xué)院1) 長(zhǎng)沙 10075) (中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司2) 武漢 430063)(高速鐵路建造技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室3) 長(zhǎng)沙 410075)

0 引 言

我國(guó)地域遼闊，風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)的全面建設(shè)，強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車的運(yùn)行安全問(wèn)題日益突出[1].橋梁結(jié)構(gòu)由于剛度較小，車橋耦合振動(dòng)明顯，因此，橋上行車的抗風(fēng)安全問(wèn)題變得更加嚴(yán)峻[2].為保證強(qiáng)風(fēng)作用下列車的運(yùn)行安全，目前國(guó)內(nèi)外的研究一方面從列車自身的角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)列車幾何外形的優(yōu)化，改善列車的氣動(dòng)性能[4-6]，另一方面，通過(guò)在橋上安裝附加氣動(dòng)裝置，改善列車運(yùn)行時(shí)的風(fēng)環(huán)境，鄒云峰[7-9]等研究了各種類型的風(fēng)屏障對(duì)橋上風(fēng)環(huán)境的影響，以及對(duì)列車風(fēng)致受力性能的改善.

公鐵同層橋梁橋面較寬，截面繞流沿主梁寬度方向變化明顯，列車在橋面的不同位置處，車橋氣動(dòng)干擾的特點(diǎn)具有明顯的差異，列車風(fēng)荷載也隨之不同.然而，既有的研究成果對(duì)公鐵同層車-橋系統(tǒng)的氣動(dòng)力特性的報(bào)道很少.因此，本文以金海大橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)深入研究公鐵同層車-橋系統(tǒng)的氣動(dòng)力特性，從抗風(fēng)的角度優(yōu)化列車軌道布置位置.

1 工程背景

金海大橋?yàn)橹骺? m×340 m的四塔斜拉橋，采用挑臂式鋼箱梁，全長(zhǎng)1 371.8 m.全橋立面布置見圖1.公路與鐵路同層合建，橋面總寬49.6 m.鋼箱梁主箱采用單箱三室截面，頂板采用正交異性鋼橋面板.鋼箱梁沿順橋向每隔3.0 m設(shè)置一道箱內(nèi)斜撐，沿順橋向每隔6.0 m設(shè)置一道箱外斜撐.橋梁斷面見圖2.橋塔每側(cè)各設(shè)13對(duì)斜拉索，全橋共104對(duì)，按雙索面扇形布置，縱向索距12 m.主橋采用剛構(gòu)+連續(xù)梁體系，即中塔塔梁墩固結(jié)，邊塔塔梁固結(jié)，塔墩分離，在梁底設(shè)雙排支座，支座縱向間距10.4 m.

圖1 金海大橋立面布置圖(單位:m)

圖2 金海大橋主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位:m)

金海大橋位于珠海市，瀕臨南海，屬于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū).2017年臺(tái)風(fēng)天鴿瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)51.9 m/s，打破珠海市風(fēng)速記錄.因此，橋位處設(shè)計(jì)風(fēng)速較大，對(duì)于車-橋耦合抗風(fēng)問(wèn)題需要重點(diǎn)考慮.

2 試驗(yàn)概況

橋梁為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，即在一個(gè)方向上有較大的尺度，而在另兩個(gè)方向的相對(duì)尺度較小.風(fēng)對(duì)橋梁和列車的作用近似滿足片條理論，可通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行抗風(fēng)研究.

依據(jù)相似原理，按1∶50的縮尺比制作橋梁節(jié)段模型，節(jié)段模型長(zhǎng)L=2.04 m、高H=0.09 m、寬B=0.99 m，長(zhǎng)寬比L/B=2.06>2.主梁在跨中截面布置測(cè)壓孔，截面幾何形狀突變處適當(dāng)加密，見圖3，共計(jì)109個(gè)測(cè)壓孔.列車采用CRH2機(jī)型，同樣以1∶50的縮尺比進(jìn)行縮尺，列車長(zhǎng)度與主梁節(jié)段長(zhǎng)度相同，為2.04 m，高度和寬度分別為0.070 m和0.068 m.在縱向中心截面布置測(cè)壓孔，測(cè)壓孔共計(jì)30個(gè)，見圖4.各測(cè)壓孔與電子高頻壓力掃描閥(Scanivalve,ZOC33/64PxX2)間用PVC管連接，測(cè)得壓力時(shí)程.每個(gè)測(cè)壓孔采樣點(diǎn)數(shù)為20 000，采樣頻率為625 Hz.PVC管內(nèi)徑為0.6 mm，外孔徑為1.8 mm，長(zhǎng)度低于1.5 m.

圖3 主梁測(cè)壓孔布置圖

將列車模型固定于主梁節(jié)段模型上，在0°風(fēng)攻角下測(cè)取列車在橋面上不同位置各測(cè)壓孔的壓力時(shí)程.各試驗(yàn)工況下列車位置見表1和圖5.其中，量綱一的量距離表示列車中心到橋面迎風(fēng)側(cè)端部的距離與橋面總寬的比值，3#和4#列車位置為原設(shè)計(jì)列車軌道位置，其余列車位置對(duì)稱、均勻分布于橋面中心兩側(cè).為了便于列車在橋面不同位置處的安裝固定，移去欄桿、軌道板等橋面系裝置.

表1 列車測(cè)試位置

節(jié)段模型在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中剛性固定，左右兩側(cè)端板迎風(fēng)端打磨成表面光滑的流線型，保證模型處于二維流場(chǎng)中.車橋節(jié)段模型測(cè)壓系統(tǒng)見圖6，各試驗(yàn)工況的試驗(yàn)風(fēng)速均為10 m/s.

圖6 節(jié)段模型測(cè)壓系統(tǒng)

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

引入量綱一的量的靜力三分力系數(shù)，描述具有同樣形狀截面的靜力風(fēng)荷載的共同特征，體軸坐標(biāo)系下，靜力三分力系數(shù)定義為

(1)

式中：FH，F(xiàn)V，MT分別為單位長(zhǎng)度模型的升力、阻力和轉(zhuǎn)矩；CH，CV，CM分別為體軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ρ為空氣密度；U為自由來(lái)流風(fēng)速；H*,B*分別為模型的特征高度和特征寬度.值得注意的是，為了方便對(duì)比，單主梁和車橋系統(tǒng)的靜力三分力系數(shù)均采用橋梁特征參數(shù)進(jìn)行量綱一的量化.

在風(fēng)軸坐標(biāo)系下，扭矩系數(shù)不變，阻力系數(shù)和升力系數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(2)

式中：CD，CL分別為風(fēng)軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)和升力系數(shù).

3.1 車橋系統(tǒng)和列車靜力三分力系數(shù)

對(duì)主梁和列車截面各個(gè)測(cè)壓孔的壓力時(shí)程數(shù)據(jù)測(cè)壓積分，再根據(jù)式(1)～(2)計(jì)算風(fēng)軸坐標(biāo)系下主梁和列車的三分力系數(shù)，同時(shí)將主梁與列車風(fēng)荷載疊加再以橋梁特征參數(shù)進(jìn)行量綱一的量化，計(jì)算得到車橋系統(tǒng)靜力三分力系數(shù).

在0°風(fēng)攻角、風(fēng)軸坐標(biāo)系下，列車在橋面不同位置處車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)見圖7.隨著列車相對(duì)于主梁迎風(fēng)側(cè)的后移，阻力系數(shù)呈階梯狀增大，列車在橋面橫向中心附近，即4#和5#位置，阻力系數(shù)變化較??；升力系數(shù)為正值，隨著列車的后移不斷增大，且在下游半幅橋面趨于定值0.9左右.與單橋氣動(dòng)力系數(shù)相比，隨著列車位置的不同，阻力系數(shù)增加了42%～80%，升力系數(shù)從0增加到最大值0.92，轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化相對(duì)較小.

CD0，CL0，CM0分別為無(wú)車時(shí)主梁的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)圖7 列車不同位置處車橋系統(tǒng)三分力系數(shù)

在0°風(fēng)攻角、風(fēng)軸坐標(biāo)系下，列車在橋面不同位置處列車三分力系數(shù)見圖8.隨著列車位置的后移，阻力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的絕對(duì)值不斷減小，且近似呈線性遞減趨勢(shì).當(dāng)列車位于上游半幅橋面時(shí)，升力系數(shù)負(fù)值；位于下游半幅橋面時(shí)為正值.列車分別位于3#和4#位置(橋面中心兩側(cè))時(shí)，升力系數(shù)增長(zhǎng)幅度較大，而在其他列車位置時(shí)增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小.

圖8 列車三分力系數(shù)

橫風(fēng)作用下，列車橫向力和傾覆力矩對(duì)行車的舒適性和安全性有較大影響，升力系數(shù)的影響較小，因此，從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看列車相對(duì)于主梁迎風(fēng)側(cè)的后移可以顯著提高其抗風(fēng)穩(wěn)定性；但是，列車相對(duì)主梁迎風(fēng)側(cè)的后移同時(shí)會(huì)導(dǎo)致橋梁阻力系數(shù)和升力系數(shù)的顯著增加，對(duì)橋梁抗風(fēng)安全不利；綜合考慮行車安全和橋梁安全，上下行列車位于3#和4#位置時(shí)，應(yīng)為最優(yōu)軌道布置方案.

3.2 主梁和列車表面的壓力分布

列車在橋面的不同位置，主梁和列車的三分力系數(shù)均有較大的差異，說(shuō)明列車和主梁之間存在著顯著的氣動(dòng)干擾，且該氣動(dòng)干擾的強(qiáng)弱和特征隨著列車在橋面位置的改變而改變.為進(jìn)一步分析橫風(fēng)作用下車橋之間氣動(dòng)干擾的特點(diǎn)，分析了列車和主梁表面的壓力系數(shù)分布.為簡(jiǎn)潔直觀地得到列車在橋面位置的不同對(duì)車橋氣動(dòng)干擾的影響，現(xiàn)僅給出無(wú)車、1#列車位置和6#列車位置時(shí)列車和主梁表面的壓力系數(shù)分布進(jìn)行對(duì)比分析，見圖9～ 11.

圖9 0°風(fēng)攻角下無(wú)車時(shí)主梁壓力系數(shù)分布圖

圖10 0°風(fēng)攻角下列車在1#位置時(shí)主梁和列車壓力系數(shù)分布圖

無(wú)車時(shí)主梁上表面迎風(fēng)前側(cè)區(qū)域有較大的負(fù)壓，下游部分壓力系數(shù)很小.有車時(shí)，主梁上表面在列車前側(cè)區(qū)域?yàn)檎龎?，列車后?cè)區(qū)域?yàn)樨?fù)壓.對(duì)于主梁下表面的流場(chǎng)分布，列車的有無(wú)和列車橋面位置對(duì)其上游前側(cè)區(qū)域影響較小，壓力系數(shù)的分布規(guī)律基本一致，但隨著列車位置向下游的移動(dòng)，主箱背風(fēng)區(qū)域產(chǎn)生較大的負(fù)壓.

列車在橋面的不同位置時(shí)，對(duì)比分析列車表面壓力系數(shù)分布可以看出，列車在不同測(cè)壓位置的壓力系數(shù)分布規(guī)律基本相同：前側(cè)迎風(fēng)受正壓，壓力系數(shù)為正值，列車頂面和背風(fēng)壓為負(fù)值.列車在橋面下游半幅區(qū)域時(shí)，其底部區(qū)域受正壓的作用.同時(shí)，列車相對(duì)于主梁迎風(fēng)側(cè)的后移，其迎風(fēng)面的正壓值和背風(fēng)面的負(fù)壓值均有不同程度的減小，迎風(fēng)面最大正壓值處減小幅度達(dá)16%，說(shuō)明列車的后移，改善了橋上列車周圍的風(fēng)環(huán)境，減弱了橫風(fēng)效應(yīng).

4 結(jié) 論

1) 隨著橋上列車相對(duì)于主梁迎風(fēng)側(cè)的后移，車橋系統(tǒng)阻力系數(shù)呈階梯狀增大，升力系數(shù)朝正值方向不斷增大至穩(wěn)定值0.9；列車距離主梁迎風(fēng)端越遠(yuǎn)，車橋系統(tǒng)阻力系數(shù)和升力系數(shù)越大，對(duì)橋梁抗風(fēng)安全越不利.

2) 隨著列車相對(duì)于主梁迎風(fēng)端的后移，列車的阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)不斷減小，對(duì)保障行車舒適性和安全性有利.

3) 列車對(duì)其前側(cè)氣流和后側(cè)氣流分別具有阻滯作用和遮擋作用，使得主梁上表面相應(yīng)區(qū)域分別為正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)，且正壓區(qū)和負(fù)壓區(qū)的區(qū)域范圍隨著列車在橋面位置的變化而變化.列車對(duì)主梁下表面上游區(qū)域的壓力分布影響較小，下表面下游區(qū)域由于列車后移造成尾流流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的變化，產(chǎn)生負(fù)壓.

4) 綜合考慮列車的行車安全和橋梁的抗風(fēng)安全，公鐵平層橋梁的列車軌道緊靠中線對(duì)稱布置為最優(yōu)布置方案.