新型風(fēng)聲屏障參數(shù)對(duì)車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響

蔣碩，何旭輝，鄒云峰，蔡陳之，翟利華，農(nóng)興中

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙，410075；3. 廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州，510030)

風(fēng)屏障能夠有效保障強(qiáng)風(fēng)下的橋上行車安全，是重要的橋梁附屬設(shè)施[1-3]。低透風(fēng)率的風(fēng)障雖然有利于降低平均風(fēng)速，但提高了屏障后的湍流動(dòng)能，并不一定取得最優(yōu)的防風(fēng)效果[4-6]。對(duì)于路基風(fēng)障，研究屏障后流場和車輛氣動(dòng)特性可以較好地對(duì)風(fēng)障防風(fēng)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)和對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。然而，當(dāng)在橋梁上安裝使用時(shí)，風(fēng)障會(huì)增強(qiáng)橋梁系統(tǒng)的鈍體特征并顯著改變橋梁周圍的流場。在保護(hù)車輛的同時(shí)，風(fēng)障自身承受了較大風(fēng)荷載并傳遞至橋梁，使橋梁阻力大幅提升，不利于橋梁的氣動(dòng)穩(wěn)定。研究表明，為減小橋梁系統(tǒng)受到的風(fēng)荷載，設(shè)計(jì)風(fēng)屏障時(shí)，應(yīng)盡可能在保障列車安全舒適的前提下提高透風(fēng)率[7-10]。隨著軌道交通的快速發(fā)展，越來越多的線路需要穿越人口密集區(qū)。在穿越城區(qū)的高架線路上，在橋梁兩側(cè)安裝屏障時(shí)除需考慮保障行車安全和減小橋梁風(fēng)載外，還需要滿足人口密集區(qū)的降噪需求，傳統(tǒng)的風(fēng)屏障往往無法滿足上述要求。聲屏障能夠有效隔絕噪聲，但其不透風(fēng)的特性使得屏障自身風(fēng)載過大。

一些學(xué)者開發(fā)了具有空氣流通通道的新型聲屏障對(duì)來流進(jìn)行泄流以減小屏障所受風(fēng)載，其風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明[11-13]，減載式聲屏障雖然具有開孔結(jié)構(gòu)，但仍然能夠在有效降低屏障自身風(fēng)載的同時(shí)提升降噪效果。然而，其研究對(duì)象多集中于屏障本身，對(duì)列車和橋梁氣動(dòng)特性的考慮不足。車橋氣動(dòng)特性對(duì)屏障的參數(shù)變化很敏感，即使高度、透風(fēng)率等參數(shù)變化不大，屏障的其他構(gòu)造參數(shù)如空間姿態(tài)等的改變依然可以劇烈改變屏體后流場，改變車橋氣動(dòng)力和風(fēng)壓分布[14-19]，因此，必須進(jìn)一步研究新型防風(fēng)降噪結(jié)構(gòu)對(duì)車橋氣動(dòng)性能的影響機(jī)理，為橋梁風(fēng)聲屏障設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

為此，本文提出一種新型風(fēng)聲屏障。前期研究表明，該結(jié)構(gòu)盡管具有一定透風(fēng)率，但能夠在輪軌噪聲頻譜范圍內(nèi)保障降噪效果，為此，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究屏障主要參數(shù)葉片傾角對(duì)車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律，探明風(fēng)聲屏障傾角參數(shù)變化對(duì)高架橋梁和橋上列車氣動(dòng)特性的影響機(jī)理，以便為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 風(fēng)聲屏障簡介

為在達(dá)到降噪效果的同時(shí)保留足夠的空氣流通通道，新型風(fēng)聲屏障采用消聲陣列與百葉窗導(dǎo)流葉片組合的構(gòu)造方案(見圖1)，其中屏障高度取較為常見的聲屏障高度3 m。其降噪原理為：通過激發(fā)屏障內(nèi)側(cè)2 排消聲陣列的共振消耗聲波能量，每排消聲陣列可對(duì)應(yīng)1個(gè)中心頻率進(jìn)行降噪，消聲陣列的周期性排布形成了類似聲子晶體的構(gòu)造，可進(jìn)一步增強(qiáng)降噪效果，前期的計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了此結(jié)構(gòu)具有良好的降噪效果。

外層導(dǎo)流葉片具有擋風(fēng)和導(dǎo)流2種作用，其透風(fēng)率可定義為導(dǎo)流葉片豎直投影間隙與屏障高度的比值，為保障降噪效果，新型風(fēng)聲屏障僅保留了空氣流通通道，其透風(fēng)率均為0。屏障主要設(shè)計(jì)參數(shù)為葉片傾角。導(dǎo)流葉片可在0°～180°內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)角定義見圖2。轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°時(shí)的狀態(tài)為完全打開狀態(tài)，轉(zhuǎn)動(dòng)角小于90°時(shí)葉片指向橋面，轉(zhuǎn)動(dòng)角大于90°時(shí)葉片背離橋面。為便于描述，以下將葉片傾角為0°～90°的姿態(tài)稱為葉片下傾姿態(tài)，葉片傾角為90°～180°的姿態(tài)稱為葉片上傾姿態(tài)。通過對(duì)導(dǎo)流葉片的傾角參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)不同的防風(fēng)效果。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图肮r

試驗(yàn)以某3跨地鐵簡支高架橋?yàn)檠芯勘尘?，設(shè)計(jì)最高車速為120 km/h。橋梁模型制作時(shí)選取跨中斷面，并考慮橋梁兩側(cè)設(shè)置的1 m高防撞墻，橋梁原始寬×高為10 m×2 m，線間距為4.2 m；橋上列車模型依據(jù)形狀較規(guī)則的地鐵B 型車中車截面制作。為滿足風(fēng)洞試驗(yàn)規(guī)范要求(即橋梁模型長寬比大于2且模型總體阻塞率低于5%)，模型縮尺比設(shè)定為1∶15，同時(shí)確定橋梁和列車模型長度為1.5 m。模型采用剛度較大的優(yōu)質(zhì)木材和ABS 板制作以保障測試精度。制作時(shí)，忽略除防撞墻外的其他橋梁附屬設(shè)施和車輛轉(zhuǎn)向架等對(duì)氣動(dòng)外形影響較小的構(gòu)造。車橋測點(diǎn)布置如圖3所示，車橋來流方向皆為圖中由右至左。為獲取更準(zhǔn)確的測試信息，在轉(zhuǎn)角及迎風(fēng)面等風(fēng)壓變化較大區(qū)域，測點(diǎn)均加密布置，其中橋梁每個(gè)斷面布置51 個(gè)測點(diǎn)，列車每個(gè)斷面布置32 個(gè)測點(diǎn)。試驗(yàn)時(shí)，通過電子掃描閥系統(tǒng)對(duì)每個(gè)測點(diǎn)連續(xù)采集20 s 共6 600 個(gè)瞬時(shí)風(fēng)壓；同時(shí)，試驗(yàn)通過六分量動(dòng)態(tài)測力天平獲取橋梁-屏障系統(tǒng)的瞬時(shí)氣動(dòng)力。

考慮列車在橋上位置的影響，試驗(yàn)共設(shè)置單車上游、單車下游和單橋共3 種車橋組合狀態(tài)(見表1)。為研究導(dǎo)流葉片傾角對(duì)系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響，共考慮60°，75°，90°，105°和120°共5 種單一傾角狀態(tài)和2 種組合傾角狀態(tài)(如圖2 所示)，同時(shí)，對(duì)不安裝屏障時(shí)的車橋氣動(dòng)力進(jìn)行測試作為對(duì)比。試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行，測試風(fēng)速為12 m/s，風(fēng)偏角為90°(橫風(fēng))。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 Test cases

1.3 數(shù)據(jù)處理

測點(diǎn)i處的風(fēng)壓系數(shù)CPi(t)和脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)CPri可由掃描閥采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后直接獲得，其轉(zhuǎn)換過程如下：

式中：CPi(t)為測壓點(diǎn)i的風(fēng)壓系數(shù)，以模型表面受壓為正；Pi(t)和P0分別為i點(diǎn)測得的風(fēng)壓和無窮遠(yuǎn)處靜壓；Pia(t)為平均風(fēng)壓；ρ為試驗(yàn)條件下空氣密度，取ρ=1.255 g/cm3；UH為試驗(yàn)風(fēng)速；N為每個(gè)測點(diǎn)的測試數(shù)據(jù)點(diǎn)個(gè)數(shù)，本試驗(yàn)中為6 600個(gè)。

將各點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)與對(duì)應(yīng)的積分長度相乘后求和可得到體軸下車橋氣動(dòng)三分力系數(shù)，將天平測得的橋梁-屏障系統(tǒng)氣動(dòng)力與測壓所得橋梁自身氣動(dòng)力求差后可得風(fēng)屏障氣動(dòng)力。三分力定義如下：

式中：CH(t)，CV(t)和CM(t)分別為體軸下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；Li為測壓點(diǎn)i處的積分長度；n為測點(diǎn)總數(shù)；αi為測點(diǎn)i處模型外法線向量與來流反方向夾角，以從來流反方向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正；計(jì)算列車氣動(dòng)力系數(shù)時(shí)，H和B分別為列車模型的高度和寬度。計(jì)算橋梁及橋梁-屏障系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)時(shí)，H和B分別取橋梁的高度和高寬；車橋扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)起距點(diǎn)分別為車橋形心。

2 風(fēng)聲屏障參數(shù)對(duì)列車氣動(dòng)特性的影響

2.1 傾角對(duì)列車氣動(dòng)力的影響

不同傾角時(shí)列車氣動(dòng)力系數(shù)變化趨勢如圖4所示。由圖4可知：安裝屏障能夠大幅度降低列車氣動(dòng)力，列車阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)絕對(duì)值均小于0.3，有利于保障行車安全；不論列車處在來流上游側(cè)或下游側(cè)，氣動(dòng)力總體變化趨勢趨于一致，呈現(xiàn)阻力系數(shù)隨傾角先減小后增大、升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)隨傾角先增大后減小的趨勢。值得注意的是，在單車上游時(shí)，氣動(dòng)力系數(shù)并不總在傾角為90°時(shí)取得極值，這可能是近側(cè)屏障帶來的偏轉(zhuǎn)氣流所致；而在單車下游時(shí)，列車距離迎風(fēng)側(cè)屏障較遠(yuǎn)，列車受屏障影響減小，其氣動(dòng)力系數(shù)絕對(duì)值則基本在傾角為90°時(shí)最小。

2.2 不同傾角時(shí)的列車表面平均風(fēng)壓特性

列車表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布可以體現(xiàn)列車各區(qū)域平均風(fēng)壓變化情況，進(jìn)而探知列車整體氣動(dòng)力變化原因。

車輛位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)，安裝各類型風(fēng)聲屏障時(shí)列車表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布如圖5(a)所示。由圖5(a)可知：不安裝屏障時(shí)，迎風(fēng)側(cè)中部區(qū)域出現(xiàn)正風(fēng)壓系數(shù)，列車迎風(fēng)側(cè)及車底和車頂轉(zhuǎn)角處受來流車體阻擋和繞流加速影響出現(xiàn)2 個(gè)負(fù)壓的極大值，這將使列車承受較大的阻力和扭轉(zhuǎn)力矩；安裝各類風(fēng)聲屏障時(shí)，車體迎風(fēng)側(cè)正壓消失，表面風(fēng)壓波動(dòng)均大幅度降低，傾角改變主要影響列車迎風(fēng)側(cè)附近區(qū)域風(fēng)壓，對(duì)列車背風(fēng)側(cè)風(fēng)壓影響較?。划?dāng)葉片傾角為90°時(shí)，風(fēng)聲屏障完全閉合，其抗風(fēng)效果與直立式聲屏障的抗風(fēng)效果相當(dāng)，此時(shí)，列車表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布較均勻且絕對(duì)值較小，列車整體處于低速風(fēng)環(huán)境，但屏障承受了較大的風(fēng)載，不利于屏障自身和橋梁結(jié)構(gòu)的安全，因此，有必要建立引流通道進(jìn)行泄壓；當(dāng)導(dǎo)流葉片下傾時(shí)，來流經(jīng)葉片引流至橋面方向，列車迎風(fēng)側(cè)下部部分區(qū)域受這部分氣流影響負(fù)壓減小，隨角度增大，該區(qū)域逐漸向車底移動(dòng)，使得阻力系數(shù)升高；當(dāng)傾角較小時(shí)，氣流更容易被引至列車底部，使得車底負(fù)壓增大，吸力增高，從而使列車升力降低；當(dāng)導(dǎo)流葉片上傾時(shí)，來流經(jīng)引流背離橋面，車肩附近負(fù)壓增大。由于該區(qū)域處在列車迎風(fēng)側(cè)和車頂?shù)慕粎R區(qū)域，上傾姿態(tài)屏障將使得列車阻力降低，升力增高。

在單一傾角姿態(tài)時(shí)，葉片下傾主要影響迎風(fēng)側(cè)車底轉(zhuǎn)角區(qū)域風(fēng)壓，葉片上傾主要影響迎風(fēng)側(cè)車肩轉(zhuǎn)角處風(fēng)壓，且單一傾角姿態(tài)無法同時(shí)優(yōu)化列車阻力和升力，因此，考慮使用傾角組合進(jìn)一步對(duì)列車風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。由于傾角為60°和120°時(shí)屏障對(duì)列車風(fēng)壓調(diào)節(jié)作用更明顯，因此，對(duì)這2種傾角進(jìn)行組合：組合狀態(tài)1，屏障上半部分傾角為60°，下半部分傾角為120°；組合狀態(tài)2，上半部分傾角為120°，下半部分傾角為60°。由圖4可知：在組合狀態(tài)1時(shí)，車肩和車底轉(zhuǎn)角處極值風(fēng)壓均得到有效抑制，僅在迎風(fēng)側(cè)2種傾角葉片交匯區(qū)域出現(xiàn)由射流導(dǎo)致的負(fù)壓小幅度降低，列車整體氣動(dòng)特性與安裝傾角為90°的屏障時(shí)的氣動(dòng)特性較接近；在組合狀態(tài)2時(shí)，列車表面整體風(fēng)壓系數(shù)分布較均勻，但車底轉(zhuǎn)角區(qū)域出現(xiàn)較大極值風(fēng)壓，這可能導(dǎo)致列車扭轉(zhuǎn)力矩升高，不利于行車安全。

當(dāng)車輛位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，安裝各類型風(fēng)聲屏障時(shí)列車表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布如圖5(b)所示。由圖5(b)可知：不設(shè)置屏障時(shí)，列車受橋梁繞流和系統(tǒng)尾流影響，迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)正壓，背風(fēng)側(cè)及車底較單車上游工況負(fù)壓增大，使得車輛阻力較迎風(fēng)側(cè)工況大幅增加；安裝各類型屏障時(shí)，由于距離迎風(fēng)側(cè)屏障較遠(yuǎn)，射流對(duì)列車影響較小，列車風(fēng)壓系數(shù)整體分布較均勻；葉片下傾時(shí)，列車整體負(fù)壓隨傾角增加而增大，這是由于葉片下傾傾角接近90°時(shí)其阻風(fēng)作用更強(qiáng)，來流越過屏障時(shí)產(chǎn)生更高的流速，使屏障后分離區(qū)域負(fù)壓增強(qiáng)；同時(shí)，當(dāng)屏障傾角較小接近0°時(shí)，氣流更容易從車底通過經(jīng)屏障導(dǎo)出，背風(fēng)側(cè)屏障引流作用使列車背風(fēng)側(cè)車底轉(zhuǎn)角區(qū)域負(fù)壓增高，列車阻力增大；當(dāng)導(dǎo)流葉片上傾時(shí)，列車整體風(fēng)壓分布較均勻，當(dāng)傾角增大時(shí)，列車表面負(fù)壓更高。這是由于葉片上傾傾角愈接近0°時(shí)，軌道上方空氣流速愈快；使用傾角組合時(shí)，這2種組合狀態(tài)下車底背風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)角處風(fēng)壓波動(dòng)均被抑制，由于列車迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓稍大于背風(fēng)側(cè)負(fù)壓，列車阻力系數(shù)為負(fù)數(shù)，因此，在組合狀態(tài)1下，迎風(fēng)側(cè)的負(fù)壓減小更有利于降低阻力系數(shù)絕對(duì)值。

2.3 不同傾角時(shí)列車表面脈動(dòng)風(fēng)壓特性

風(fēng)屏障的防風(fēng)效果不只是使平均風(fēng)速降低，事實(shí)上，降低屏障后列車區(qū)域內(nèi)的湍流動(dòng)能可保障列車安全。列車表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)能夠很好地反映列車表面的氣流脈動(dòng)分量。

當(dāng)車輛位于迎風(fēng)側(cè)時(shí)，列車表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布如圖6(a)所示，顯然，其形狀與風(fēng)壓系數(shù)分布形狀不完全一致。不安裝屏障時(shí)，車頂處于系統(tǒng)繞流剪切層附近，整體處于高湍流強(qiáng)度風(fēng)環(huán)境，并在車頂2 個(gè)轉(zhuǎn)角處達(dá)到極值；當(dāng)導(dǎo)流葉片下傾時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在車底與背風(fēng)側(cè)較小，在車頂與迎風(fēng)側(cè)較大，在迎風(fēng)側(cè)局部區(qū)域出現(xiàn)極值，這可能是屏障引起的射流影響所致，極值區(qū)域隨傾角增大逐漸向下移動(dòng)。當(dāng)導(dǎo)流葉片上傾時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)壓整體分布特征與葉片下傾時(shí)的相似，但在迎風(fēng)側(cè)與車頂交匯弧角處，受引射流影響，脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)小幅度升高。值得注意的是，葉片上傾時(shí)列車迎風(fēng)側(cè)與車底交匯區(qū)域亦出現(xiàn)極值，這可能是列車前緣分離區(qū)局部小尺度漩渦造成的。而當(dāng)入射角更接近0°時(shí)，這種效應(yīng)被抑制。當(dāng)對(duì)葉片進(jìn)行傾角組合時(shí)，無論使用哪種傾角組合，都會(huì)在列車迎風(fēng)側(cè)2個(gè)轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)極值，這可能導(dǎo)致整體脈動(dòng)性提高。

當(dāng)車輛位于背風(fēng)側(cè)時(shí)，列車表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)如圖6(b)所示。從圖6(b)可見：不安裝屏障時(shí)，列車背風(fēng)側(cè)受系統(tǒng)尾流影響出現(xiàn)較大脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)，其中極值出現(xiàn)在車底與背風(fēng)側(cè)交界弧角處；安裝屏障后，背風(fēng)側(cè)的強(qiáng)湍流在一定程度上被抑制，車底轉(zhuǎn)角處的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)極值基本消失，但車頂依然會(huì)保持有較大的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)。與葉片下傾姿態(tài)相比，使用上傾姿態(tài)葉片的屏障方案對(duì)背風(fēng)側(cè)列車的湍流動(dòng)能降低效果更好；使用組合傾角方案時(shí)，組合狀態(tài)1會(huì)造成下游列車背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)較大的湍流強(qiáng)度，組合狀態(tài)2時(shí)列車表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布則較平穩(wěn)。

3 風(fēng)聲屏障對(duì)橋梁氣動(dòng)特性的影響

3.1 不同傾角時(shí)的橋梁-屏障系統(tǒng)氣動(dòng)力

安裝風(fēng)聲屏障可使列車處于低速風(fēng)環(huán)境，但其自身也將承受較大風(fēng)荷載，同時(shí)，該荷載將由屏障立柱傳遞至橋梁。安裝各類傾角姿態(tài)屏障時(shí)，橋梁-屏障系統(tǒng)阻力系數(shù)和屏障自身的氣動(dòng)力系數(shù)如圖7 所示，其中，橋梁-屏障系統(tǒng)氣動(dòng)力系數(shù)為折線圖，屏障自身阻力系數(shù)為柱狀圖。從圖7可以看出：橋梁-屏障系統(tǒng)阻力系數(shù)變化趨勢與屏障阻力系數(shù)變化趨勢大體一致，安裝屏障后，橋梁-屏障系統(tǒng)阻力上升1倍以上，屏障參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)橋梁安全至關(guān)重要；與安裝直立式(90°)屏障相比，使用新型風(fēng)聲屏障可大幅度減小屏障自身風(fēng)荷載，且當(dāng)葉片上傾時(shí)屏障荷載更小，其中，使用組合狀態(tài)1的傾角風(fēng)聲屏障且在單車下游時(shí)，屏障阻力系數(shù)減小22%，新型風(fēng)聲屏障結(jié)構(gòu)有利于屏障和橋梁結(jié)構(gòu)安全。

3.2 不同傾角時(shí)的橋梁表面平均風(fēng)壓特性

3種車橋組合狀態(tài)下的橋梁表面平均風(fēng)壓系數(shù)如圖8所示。由于不同工況下橋梁底部和背風(fēng)側(cè)的風(fēng)壓基本沒有變化，因此，圖8中僅給出了橋梁迎風(fēng)側(cè)和橋面的風(fēng)壓波動(dòng)情況，其中測點(diǎn)編號(hào)4～17的風(fēng)壓為橋面風(fēng)壓，測點(diǎn)編號(hào)21～33的風(fēng)壓為橋梁迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓，其余測點(diǎn)的風(fēng)壓則顯示了兩側(cè)防撞墻內(nèi)壁風(fēng)壓分布情況。具體測點(diǎn)分布見圖3。

在裸橋工況條件下，與安裝各類屏障相比，不安裝屏障時(shí)橋梁迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓較小。由于迎風(fēng)側(cè)防撞墻被遮擋，橋面平均風(fēng)壓系數(shù)分布基本均勻，未出現(xiàn)明顯波動(dòng)。安裝屏障后，受屏障遮擋效應(yīng)影響，迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓增大，同時(shí)，橋梁整體風(fēng)壓系數(shù)顯示出傾角愈小、負(fù)壓愈小的規(guī)律；當(dāng)葉片下傾時(shí)，受葉片引流作用影響，橋面靠近屏障時(shí)存在2個(gè)明顯的負(fù)壓升高區(qū)域；當(dāng)葉片上傾時(shí)，橋面風(fēng)壓系數(shù)分布與直立屏障的風(fēng)壓系數(shù)分布基本相同；當(dāng)采用組合方案時(shí)，上傾姿態(tài)和下傾姿態(tài)時(shí)的橋面風(fēng)壓系數(shù)分布特點(diǎn)均得以顯現(xiàn)。從圖8可以看出：橋面靠近迎風(fēng)側(cè)區(qū)域?qū)τ谄琳舷掳氩糠肿藨B(tài)較敏感，而靠近背風(fēng)側(cè)區(qū)域受傾角組合變化影響不大；使用組合傾角屏障時(shí)，橋面負(fù)壓較安裝直立式屏障小，這有利于減小橋梁升力。

當(dāng)車輛位于迎風(fēng)側(cè)且不安裝屏障時(shí)，車輛底部至車輛后側(cè)存在一個(gè)明顯的較大負(fù)壓區(qū)域，這可能是車底氣流與系統(tǒng)繞流匯集所形成的旋渦所致。當(dāng)安裝葉片下傾屏障時(shí)，由于部分氣流被葉片引導(dǎo)至橋面，該負(fù)壓極值區(qū)依然存在，但較無屏障時(shí)負(fù)壓極值減小25%以上；當(dāng)葉片上傾時(shí)，橋面風(fēng)壓系數(shù)波動(dòng)消失，橋梁表面平均風(fēng)壓系數(shù)分布與安裝直立式屏障風(fēng)壓系數(shù)分布基本相同；安裝組合傾角屏障時(shí)，橋梁迎風(fēng)側(cè)負(fù)壓減小，橋面風(fēng)壓系數(shù)分布規(guī)律與安裝下傾姿態(tài)屏障的分布規(guī)律類似，但極值進(jìn)一步減小。

當(dāng)車輛位于背風(fēng)側(cè)且不安裝屏障時(shí)，負(fù)壓極值區(qū)移動(dòng)至列車前緣車底附近，橋面整體負(fù)壓較小，局部甚至出現(xiàn)正壓。安裝屏障后，受屏障遮擋效應(yīng)影響，橋面負(fù)壓整體增大，橋梁迎風(fēng)側(cè)部分區(qū)域負(fù)壓也增大，使得橋梁自身升力升高，阻力降低。當(dāng)葉片下傾時(shí)，橋面除在列車前緣出現(xiàn)較大負(fù)壓外，在靠近迎風(fēng)側(cè)屏障附近也出現(xiàn)由屏障射流引起的負(fù)壓極值；使用上傾姿態(tài)葉片屏障時(shí)，橋梁風(fēng)壓系數(shù)分布與單車上游工況的風(fēng)壓系數(shù)分布相似，說明葉片上傾時(shí)整個(gè)車輛高度范圍內(nèi)流場都處在系統(tǒng)繞流場剪切層包裹范圍內(nèi)。

綜上可以看出：安裝各傾角姿態(tài)屏障時(shí)，對(duì)橋面風(fēng)壓造成較大影響的主要因素是迎風(fēng)向下引起的射流和背風(fēng)側(cè)屏障向上引起的氣流，受這兩者影響，橋面負(fù)壓降低，使得橋梁承受較小向上吸力，從而使橋梁氣動(dòng)穩(wěn)定性提高。

3.3 不同傾角時(shí)橋梁表面脈動(dòng)風(fēng)壓特性

各工況下的橋梁表面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)見圖9。由圖9可知：在裸橋工況且不安裝屏障時(shí)，橋梁迎風(fēng)側(cè)下緣和橋面中后側(cè)有較高湍流強(qiáng)度，前者主要是橋梁轉(zhuǎn)角繞流所致，而后者則是因?yàn)闅饬髟跇蛄罕砻嫘纬傻姆蛛x區(qū)使得橋面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)波動(dòng)較大；安裝屏障后，因系統(tǒng)鈍體特征增強(qiáng)，使得橋梁迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓脈動(dòng)性大幅度增加，同時(shí)橋面的分離區(qū)被抑制，使得橋面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)波動(dòng)減小；當(dāng)葉片下傾時(shí)，受屏障引流引起的小尺度特征湍流影響，整個(gè)橋面脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)在小范圍內(nèi)波動(dòng)；當(dāng)葉片上傾時(shí)，這種效應(yīng)被抑制，整個(gè)橋面的脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)分布都很均勻；而對(duì)于傾角組合，雖然依然有射流引起的特征湍流，但其影響微弱。

當(dāng)橋上有車輛存在時(shí)，受列車遮擋作用影響，安裝各類屏障時(shí)橋面風(fēng)壓脈動(dòng)性大致相同，僅在靠近屏障的個(gè)別區(qū)域有小幅度變化。安裝屏障后，橋梁迎風(fēng)側(cè)脈動(dòng)風(fēng)壓系數(shù)依然存在較強(qiáng)波動(dòng)，且該波動(dòng)隨屏障傾角減小而減小。

4 結(jié)論

1)列車氣動(dòng)力隨屏障傾角改變而變化，下部葉片下傾時(shí)迎風(fēng)側(cè)下部負(fù)壓減小，車底前緣轉(zhuǎn)角負(fù)壓增大，列車阻力升高，升力降低；當(dāng)上部葉片上傾時(shí)，車頂前緣轉(zhuǎn)角負(fù)壓增大，列車阻力降低，升力增高；傾角組合可以同時(shí)對(duì)車底和車頂風(fēng)壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到與安裝直立式聲障時(shí)相近的防風(fēng)效果。

2)與安裝直立式聲障相比，新型風(fēng)聲屏障迎風(fēng)側(cè)葉片下傾會(huì)使車底前緣轉(zhuǎn)角處湍流強(qiáng)度增大，背風(fēng)側(cè)葉片引流作用也會(huì)使得背風(fēng)側(cè)列車車底后緣風(fēng)壓脈動(dòng)性提高；使用傾角組合時(shí)，上游列車2個(gè)迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)角表面風(fēng)壓脈動(dòng)性同時(shí)提高。

3)屏障自身風(fēng)荷載變化是橋梁-屏障系統(tǒng)阻力改變的主要原因，各傾角下新型風(fēng)聲屏障阻力系數(shù)與直立式屏障的阻力系數(shù)均有不同程度降低，且葉片上傾對(duì)于減小屏障風(fēng)載更有利。

4)新型風(fēng)聲屏障葉片下傾時(shí)橋面靠近兩側(cè)屏障的區(qū)域負(fù)壓增大，有利于減小橋梁升力；橋梁迎風(fēng)側(cè)風(fēng)壓脈動(dòng)性減小，且傾角愈接近0°，風(fēng)壓波動(dòng)減小幅度愈明顯；導(dǎo)流葉片引流作用使橋面局部區(qū)域風(fēng)壓脈動(dòng)性小幅度提高。