風(fēng)屏障布局對公鐵同層桁架橋-列車系統(tǒng)氣動特性的影響

劉路路，鄒云峰,2，何旭輝,2，汪震

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2.軌道交通工程結(jié)構(gòu)防災(zāi)減災(zāi)湖南省重點實驗室，湖南長沙，410075)

隨著高速鐵路橋梁的快速發(fā)展，許多質(zhì)量小、大跨橋梁隨之出現(xiàn)，側(cè)風(fēng)下橋上列車安全性問題愈加突出[1-3]。風(fēng)屏障作為一種簡單、高效的抗風(fēng)措施，可以有效減小列車位置橫向風(fēng)速，從而減小側(cè)風(fēng)對列車的影響，提高列車橋上行車的安全性[4-6]。國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗等方法研究了高度、位置和透風(fēng)率等不同風(fēng)屏障參數(shù)對不同橋型橋上列車的防風(fēng)效果[7-9]。GU等[10]研究了不同彎折角的波紋型風(fēng)障背風(fēng)面流場結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律及其對鐵路橋梁上列車的遮蔽性能；何瑋等[11]采用風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了在橋梁列車線雙側(cè)設(shè)置不同高度風(fēng)屏障情況下，列車與橋梁的氣動力系數(shù)以及車橋系統(tǒng)周圍的流場分布情況；周蕾等[12]利用數(shù)值模擬方法在列車線兩側(cè)設(shè)置風(fēng)屏障，分析了風(fēng)屏障透風(fēng)率對不同橋型氣動特性的影響并進行了橫向?qū)Ρ?，揭示了風(fēng)屏障對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響機理，探究了風(fēng)屏障參數(shù)對流線型橋梁氣動特性的影響；REN 等[13]通過風(fēng)洞試驗研究了不同高度、不同孔隙率對蘭新(蘭州—烏魯木齊)高速鐵路的防風(fēng)效果。上述研究的橋面較窄，風(fēng)屏障均布置在列車線兩側(cè)。對于橋址處主風(fēng)向始終不變的高鐵橋梁，風(fēng)屏障可以僅設(shè)置在橋面迎風(fēng)側(cè)[14]，一些學(xué)者對風(fēng)屏障的布置形式(單、雙側(cè))進行了研究。REN等[13]通過風(fēng)洞試驗研究了單、雙側(cè)風(fēng)屏障對蘭新高速鐵路的防風(fēng)效果，發(fā)現(xiàn)雙側(cè)風(fēng)障防護效果略優(yōu)于僅布置迎風(fēng)側(cè)風(fēng)障的防護效果，但考慮到對箱梁的負面影響，箱梁雙側(cè)風(fēng)屏障對箱梁的防護效果并沒有明顯優(yōu)勢；王玉晶等[15]綜合分析了設(shè)置單、雙側(cè)風(fēng)屏障后車輛和橋梁的氣動特性，發(fā)現(xiàn)安裝單側(cè)風(fēng)屏障和雙側(cè)風(fēng)屏障時車輛和橋梁的氣動力系數(shù)都很接近，背風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障并不能有效提高車輛的氣動性能；BULJAC等[16]通過風(fēng)洞試驗重點介紹了風(fēng)屏障布置方式(包括布置在迎風(fēng)橋面邊緣、布置在背風(fēng)橋面邊緣和布置雙側(cè)風(fēng)屏障)對橋面周圍氣流流動及橋梁的動力穩(wěn)定性的影響；GUO 等[17]發(fā)現(xiàn)單側(cè)風(fēng)屏障能夠有效減小車輛的側(cè)力與橫搖力矩系數(shù)，且風(fēng)屏障與列車的距離對列車氣動特性也有較大影響。已有研究成果均針對橋面較窄或鐵路線橋梁，風(fēng)屏障布置方式變化較少，而公鐵同層橋梁橋面較寬，風(fēng)屏障布置位置除了布置在列車兩側(cè)外，也可選擇布置在公路線兩側(cè)，風(fēng)屏障布置形式也是更加復(fù)雜。公鐵同層鐵路橋梁能夠同時實現(xiàn)線路相接和橋位的合理布置，是橋梁建設(shè)的新趨勢[18]，其橋面與列車間的氣動干擾和風(fēng)屏障的布置較以往橋梁有顯著不同。已有風(fēng)屏障對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響研究并不完全適用于公鐵同層桁架橋，且有關(guān)風(fēng)屏障布置方式和位置對公鐵同層桁架橋-列車氣動特性的研究報道較少。為此，本文對某大跨度公鐵同層鋼桁架懸索橋進行節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，以高為2.50 m、透風(fēng)率為30%的風(fēng)屏障為例，研究不同風(fēng)屏障布置形式(單、雙側(cè))和布置位置(內(nèi)、外側(cè))對車橋系統(tǒng)氣動特性的影響，以便為同類型高速鐵路橋梁的車橋系統(tǒng)氣動特性研究和風(fēng)屏障的設(shè)置提供參考依據(jù)。

1 試驗

1.1 試驗?zāi)Ｐ团c設(shè)備

某大跨公鐵同層懸索橋主梁采用2片主桁結(jié)構(gòu)形式，主桁高為12.00 m，寬為38.00 m，上層橋面為六線高速公路，下層為四線普通公路和兩線列車客運專線。列車高為3.50 m，寬為3.38 m，主梁斷面見圖1。試驗在中南大學(xué)風(fēng)洞實驗室的高速試驗段進行，該試驗段長×寬×高為15.00 m×3.00 m×3.00 m，試驗采用風(fēng)速為20 m/s的均勻流場。列車長度通常較大，可近似認為列車與橋梁均符合片條假定，根據(jù)阻塞率要求確定模型縮尺比為1:50，主梁和列車縮尺模型長均為1.92 m，該試驗?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞試驗段的最大阻塞率為3.8%，試驗段縮尺模型如圖2所示。

圖1 主梁斷面圖Fig.1 Cross-section of girder

圖2 風(fēng)洞試驗節(jié)段模型Fig.2 Scale model of wind tunnel test

為了測量桁架橋-列車系統(tǒng)氣動特性，在主梁模型兩端設(shè)置2個動態(tài)測力天平，采用測力方法測量車橋系統(tǒng)氣動力。列車表面截面布有3個測壓截面(含30 個測壓孔)，采用美國PSI 公司的DTC net電子式壓力掃描閥系統(tǒng)測量列車表面風(fēng)壓系數(shù)，并通過積分獲得列車氣動力，采樣頻率為330 Hz，采樣時長為30 s。參考靜壓采用皮托管測量，參考風(fēng)速采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針測量。

1.2 試驗工況

研究表明，風(fēng)屏障高度、透風(fēng)率和開孔形式等參數(shù)都會影響風(fēng)屏障防風(fēng)效果[9-11]。為排除其他因素的影響，風(fēng)屏障統(tǒng)一選取高為2.50 m、透風(fēng)率為30%的直立式格柵型風(fēng)屏障，風(fēng)屏障模型為5.00 mm厚塑料材質(zhì)模型，不易變形，具體參數(shù)如表1 所示。本研究將位置1 和位置4 風(fēng)屏障定義為外側(cè)風(fēng)屏障，位置2和位置3風(fēng)屏障定義為內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障，風(fēng)屏障位置如圖3 所示。試驗共分為8 組，各組均在風(fēng)攻角為0°時進行試驗，試驗來流風(fēng)向角為90°，風(fēng)速為20 m/s，其中，第1～4組為迎風(fēng)線列車工況，第5～8 組為背風(fēng)線列車工況，風(fēng)屏障布置形式為單、雙側(cè)，布置位置為內(nèi)、外側(cè)，試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

圖3 風(fēng)屏障位置編號Fig.3 Number of wind barrier position

表1 風(fēng)屏障幾何參數(shù)Table 1 Parameters of scaled wind barrier

1.3 數(shù)據(jù)處理

作用在車橋系統(tǒng)上的靜風(fēng)荷載可按體軸坐標(biāo)系定義，主梁氣動力系數(shù)Cl表達式為：

式中：h為主梁模型高度；b為主梁模型寬度；l為主梁模型長度；Cl和Cd分別為單位長度主梁升力系數(shù)與阻力系數(shù)；Fl和Fd分別為主梁升力與阻力；ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3；U為平均風(fēng)速。

列車在風(fēng)場中受到的壓力作用，常用量綱一風(fēng)壓系數(shù)表征[22]：

式中：CPi(t)為列車表面第i個測壓點的風(fēng)壓系數(shù)；Pi(t)為列車表面第i個測壓孔測得的壓力；P0為風(fēng)洞內(nèi)靜壓，該靜壓是通過皮托管側(cè)孔測量，皮托管用于監(jiān)測迎面而來的自由流；空氣密度ρ=1.225 kg/m3。

壓力系數(shù)反映的是結(jié)構(gòu)某一點的受力情況，可將壓力系數(shù)對面積積分得到列車截面氣動力，作用在列車上的靜風(fēng)荷載采用升阻力和扭轉(zhuǎn)力矩描述，氣動力系數(shù)定義如下[15]：

式中：H為列車模型高度；B為列車模型寬度；L為列車模型長度；CL，CD和CM分別為單位長度列車升力系數(shù)、阻力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；FL和FD分別為列車升力與阻力；θi為測壓孔在列車截面的外法線向量角；n為測壓孔總數(shù)。列車測壓孔布置、升阻力系數(shù)方向規(guī)定如圖4所示。

圖4 列車截面測壓孔及氣動力系數(shù)方向規(guī)定Fig.4 Pressure measuring holes and direction of aerodynamic coefficient

2 結(jié)果與討論

2.1 主梁氣動力系數(shù)

圖5所示為不同風(fēng)屏障布置形式條件下0°風(fēng)攻角主梁的平均氣動力系數(shù)。從圖5可見：主梁升力系數(shù)較小，風(fēng)屏障對升力系數(shù)的影響并不明顯；風(fēng)屏障主要增大主梁的阻力系數(shù)，且不同布置形式風(fēng)屏障對主梁影響不同。由圖5(a)可知：對比4種工況，當(dāng)風(fēng)屏障位于內(nèi)側(cè)時，風(fēng)屏障對主梁阻力系數(shù)影響最小，阻力系數(shù)增大約3%，對比Case 2和Case 4這2個工況，阻力系數(shù)相差1%，即下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障對主梁的影響幾乎可忽略。而當(dāng)風(fēng)屏障位于外側(cè)時，風(fēng)屏障對主梁影響較大，對比Case 1和Case 3這2個工況，在主梁上游外側(cè)布置單側(cè)風(fēng)屏障，阻力系數(shù)增大7%，在主梁外側(cè)布置雙側(cè)風(fēng)屏障，主梁阻力系數(shù)增大最多，約為10%，即下游外側(cè)風(fēng)屏障也會增大主梁阻力系數(shù)，不應(yīng)忽略。由圖5(b)可知：當(dāng)列車位于背風(fēng)側(cè)線路時，風(fēng)屏障對主梁阻力系數(shù)的影響規(guī)律與風(fēng)屏障位于內(nèi)側(cè)時的影響規(guī)律相同，列車位置對上述規(guī)律無影響。

圖5 風(fēng)屏障布局對平均主梁氣動力系數(shù)的影響Fig.5 Influence of layout of wind barrier on mean aerodynamic coefficient of bridge

因此，當(dāng)風(fēng)屏障布置在外側(cè)時，風(fēng)屏障對主梁阻力系數(shù)的影響大于布置在內(nèi)側(cè)時的影響；下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障對主梁幾乎無影響，但下游外側(cè)風(fēng)屏障會增大主梁阻力系數(shù)。

2.2 列車氣動力系數(shù)

列車的平均氣動力系數(shù)如圖6所示。由圖6可知：不同布局的風(fēng)屏障均會降低迎風(fēng)線列車的升阻力系數(shù)，但影響程度有所不同。由圖6(a)可知：對比4種工況，當(dāng)風(fēng)屏障位于內(nèi)側(cè)時，迎風(fēng)線列車阻力系數(shù)減小約43%，升力系數(shù)減小約47%，對列車升阻力系數(shù)的影響相比布置在外側(cè)時的小。對比Case 2和Case 4這2個工況可知，列車升阻力系數(shù)均相差1%，即下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障對列車升阻力系數(shù)幾乎無影響，這與王玉晶等[15]的研究結(jié)果一致。來流在經(jīng)過風(fēng)屏障和列車作用后，位置3的下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障區(qū)域風(fēng)場較弱，有、無下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障對列車升阻力系數(shù)影響也較??；當(dāng)風(fēng)屏障位于外側(cè)時，對迎風(fēng)線列車升阻力系數(shù)影響較大，對比Case 1和Case 3這2種工況，若在主梁上游外側(cè)布置單側(cè)風(fēng)屏障，則迎風(fēng)線列車阻力系數(shù)減小44%，升力系數(shù)減小57%，若在主梁外側(cè)布置雙側(cè)風(fēng)屏障，則迎風(fēng)線列車阻力系數(shù)減小55%，升力系數(shù)減小70%，影響最大，即下游外側(cè)風(fēng)屏障對列車升阻力系數(shù)有較大影響，不可忽略。從圖6(b)可見：當(dāng)風(fēng)屏障位于內(nèi)側(cè)時，列車阻力系數(shù)減小約15%，升力系數(shù)減小38%；對比Case 6和Case 8這2 種工況可知，背風(fēng)線列車升阻力系數(shù)均相差約2%，下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障對背風(fēng)線列車升阻力系數(shù)也幾乎無影響；當(dāng)風(fēng)屏障位于外側(cè)時，對列車升阻力系數(shù)影響較大。對比Case 5和Case 7這2種工況可知，若在主梁上游外側(cè)布置單側(cè)風(fēng)屏障，則背風(fēng)線列車阻力系數(shù)減小17%，升力系數(shù)減小40%；若在主梁外側(cè)布置雙側(cè)風(fēng)屏障，則背風(fēng)線列車阻力系數(shù)減小35%，升力系數(shù)減小35%，防風(fēng)效果比風(fēng)屏障位于內(nèi)側(cè)時的防風(fēng)效果好，且下游外側(cè)風(fēng)屏障對背風(fēng)線列車有影響。

由圖6可知：不同布局的風(fēng)屏障均會降低列車的扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)CM，無風(fēng)屏障時，迎風(fēng)線列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0.21，背風(fēng)線列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為0.15；安裝風(fēng)屏障后，迎風(fēng)線列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)降低約70%，背風(fēng)線列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)降低約60%，風(fēng)屏障對列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)影響較明顯，但安裝風(fēng)屏障后，列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)均相對較小，約為0.05，不同位置的風(fēng)屏障對背風(fēng)線列車扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)影響規(guī)律并不明顯。

圖6 風(fēng)屏障布局對列車平均氣動力系數(shù)的影響(風(fēng)屏障高為2.50 m)Fig.6 Influence of layout of wind barrier on mean aerodynamic coefficient of train(wind barrier height is 2.50 m)

綜上可知，無論列車位于迎風(fēng)側(cè)線路還是背風(fēng)側(cè)線路，風(fēng)屏障位于外側(cè)時對列車的遮蔽效果要優(yōu)于其位于內(nèi)側(cè)時的遮蔽效果，下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障并不起作用，但下游外側(cè)風(fēng)屏障仍能減小列車升阻力系數(shù)，故在桁架橋外側(cè)布置雙側(cè)風(fēng)屏障對列車的遮擋效果較好，且對迎風(fēng)線列車的影響更大。

2.3 列車平均風(fēng)壓系數(shù)

列車表面風(fēng)壓系數(shù)可反映風(fēng)屏障對列車各面的影響，為了了解不同風(fēng)屏障布局下氣流在列車表面分離與再附情況，選取3個截面風(fēng)壓系數(shù)均值進行分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7可見：風(fēng)屏障使列車表面迎風(fēng)面正壓絕對值減小，頂面、背風(fēng)面和底面的負壓絕對值減小，但4種不同布置形式和位置的風(fēng)屏障具有不同的防風(fēng)效果，平均風(fēng)壓系數(shù)測點曲線表現(xiàn)出不同的形式。

圖7 風(fēng)屏障布局對列車表面平均風(fēng)壓系數(shù)的影響(風(fēng)屏障高為2.50 m)Fig.7 Influence of layout of wind barrier on mean wind pressure coefficient(wind barrier height is 2.50 m)

風(fēng)屏障設(shè)置形式(單、雙側(cè))對列車表面風(fēng)壓系數(shù)的影響見圖4(a)。由圖4(a)可知：對比Case 2 和Case 4這2個工況，列車表面風(fēng)壓系數(shù)曲線幾乎完全重合，即位置3的下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障完全處于列車下游弱風(fēng)區(qū)，幾乎可忽略；而對比Case 1和Case 3這2 個工況，列車表面風(fēng)壓系數(shù)完全不同，位置4的下游外側(cè)風(fēng)屏障不僅影響列車下游風(fēng)場，引起列車背風(fēng)面負壓絕對值增大，而且風(fēng)的再循環(huán)也影響位置1處風(fēng)屏障與列車之間的風(fēng)場，迎風(fēng)面正壓也發(fā)生變化，不可忽略，可見，下游風(fēng)屏障不應(yīng)忽略。

雙側(cè)風(fēng)屏障設(shè)置位置(內(nèi)、外側(cè))對列車表面平均風(fēng)壓系數(shù)的影響見圖7(b)。從圖7(b)可見：在設(shè)置雙側(cè)風(fēng)屏障條件下，對比Case 3和Case 4這2個工況，當(dāng)風(fēng)屏障設(shè)置在外側(cè)(位置1 和4)時，列車頂面處流動分離明顯減弱，拐點處風(fēng)壓極系數(shù)極值更小，即外側(cè)風(fēng)屏障(位置1 和4)對列車的防風(fēng)效果均優(yōu)于內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障(位置2 和3)的防風(fēng)效果。背風(fēng)線列車所表現(xiàn)規(guī)律基本與之相同(見圖7(b))。

2.4 列車脈動風(fēng)壓系數(shù)

為了了解不同風(fēng)屏障布局下列車表面脈動風(fēng)壓系數(shù)變化，選取3個截面脈動風(fēng)壓系數(shù)均值進行分析。同樣以高為2.50 m、透風(fēng)率為30%的風(fēng)屏障為例，分析風(fēng)屏障布置形式和位置的影響，結(jié)果如圖8所示。從圖8可見：不同位置對列車表面脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響不大，脈動風(fēng)壓系數(shù)基本一致，脈動風(fēng)壓系數(shù)極值點的位置也相同。但對比迎風(fēng)線列車和背風(fēng)線列車脈動風(fēng)壓系數(shù)可知，迎風(fēng)線列車表面脈動風(fēng)壓系數(shù)極值點出現(xiàn)在9號測點(見圖8(a))即列車迎風(fēng)面頂部；而背風(fēng)線列車表面脈動風(fēng)壓系數(shù)極值點在3 號測點即列車迎風(fēng)面底部。

圖8 風(fēng)屏障布局對列車脈動風(fēng)壓系數(shù)的影響(風(fēng)屏障高為2.50 m)Fig.8 Influence of layout of wind barrier on fluctuating wind pressure coefficient(wind barrier height is 2.50 m)

3 結(jié)論

1)風(fēng)屏障布置在外側(cè)時對主梁阻力系數(shù)的影響大于風(fēng)屏障布置在內(nèi)側(cè)的影響，下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障對主梁阻力系數(shù)幾乎無影響，但下游外側(cè)風(fēng)屏障會對主梁阻力系數(shù)有影響。

2)無論列車位于迎風(fēng)線還是背風(fēng)線，風(fēng)屏障位于外側(cè)時對列車的遮蔽效果要比位于其內(nèi)側(cè)時的好，下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障并不起到防風(fēng)作用，但下游外側(cè)風(fēng)屏障仍能減小列車升阻力系數(shù)，故在桁架橋外側(cè)布置雙側(cè)風(fēng)屏障對列車的遮擋效果較好，且對迎風(fēng)線列車氣動力系數(shù)的影響更大。

3)對比單、雙側(cè)風(fēng)屏障的結(jié)果可知，下游內(nèi)側(cè)風(fēng)屏障(位置3)對列車各面平均風(fēng)壓系數(shù)幾乎無影響，但下游外側(cè)風(fēng)屏障(位置4)引起氣流回流，對列車背風(fēng)面負壓區(qū)甚至其余各面平均風(fēng)壓系數(shù)有較大影響；列車脈動風(fēng)壓系數(shù)受風(fēng)屏障布置方式影響不大，但在不同列車位置，脈動風(fēng)壓系數(shù)極值點的位置不相同。

4)在風(fēng)屏障高為2.50 m、透風(fēng)率為30%時，在同層桁架橋外側(cè)布置雙側(cè)風(fēng)屏障，主梁阻力系數(shù)僅增大10%，而列車阻力系數(shù)減小55%，風(fēng)屏障效果較好。