向活躍，李永樂(lè)，胡 喆，廖海黎

（1.西南交通大學(xué) 橋梁工程系，成都 610031；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

0 引 言

近年來(lái)，鐵路車(chē)輛因強(qiáng)風(fēng)作用而傾覆的事故在世界范圍內(nèi)時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危害交通和人員的安全。日本自有鐵路運(yùn)輸以來(lái)（統(tǒng)計(jì)至2006年），共發(fā)生了30多起由風(fēng)引起的列車(chē)事故［1-2］。2005年，日本新干線(xiàn)列車(chē)“稻穗14號(hào)”以100km／h速度行駛過(guò)程中遭遇遠(yuǎn)低于警戒風(fēng)速的橫風(fēng)作用而脫軌翻車(chē)［3］。在我國(guó)蘭新鐵路所謂的“百里風(fēng)區(qū)”，最高風(fēng)速可達(dá)64m／s［4］，每年8級(jí)以上的大風(fēng)超過(guò)100天。自通車(chē)以來(lái)［5］（統(tǒng)計(jì)至2002年），蘭新鐵路因大風(fēng)引起的列車(chē)脫軌、傾覆事故30起，吹翻貨車(chē)110輛。2007年，由烏魯木齊開(kāi)往阿克蘇的5807 次列車(chē)發(fā)生了傾覆事故，經(jīng)調(diào)查［6］，列車(chē)傾覆于無(wú)擋風(fēng)墻地段，現(xiàn)場(chǎng)的最大風(fēng)速比車(chē)站的風(fēng)速大2～3級(jí)，瞬時(shí)大風(fēng)是引起列車(chē)傾覆的主要原因。2008年開(kāi)始運(yùn)營(yíng)的京津城際高速鐵路沿線(xiàn)，每當(dāng)強(qiáng)冷空氣侵襲時(shí)出現(xiàn)的大風(fēng)，以及夏季的短時(shí)雷雨大風(fēng)對(duì)其破壞力很強(qiáng)，增加了站停列車(chē)溜逸的危險(xiǎn)［7］。已建成的京滬高速鐵路沿線(xiàn)每年最高風(fēng)速大于20m／s的次數(shù)約為19.2次［8］，對(duì)列車(chē)的安全性影響較大。由此可見(jiàn)，在大風(fēng)區(qū)鐵路設(shè)置風(fēng)屏障等行車(chē)防風(fēng)措施非常必要［9］。沿線(xiàn)路一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置風(fēng)屏障為列車(chē)創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)低風(fēng)速的局部運(yùn)行環(huán)境，以提高列車(chē)的行車(chē)防風(fēng)能力，保障鐵路列車(chē)（特別是高速列車(chē)）全天候運(yùn)營(yíng)的安全性。

目前風(fēng)屏障的研究方法主要有：現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬。葛盛昌［10］等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方法，研究了蘭新線(xiàn)平地路基設(shè)置單側(cè)風(fēng)屏障后不同高度情況下的風(fēng)速折減率；王厚雄等［4］針對(duì)高路堤上單線(xiàn)鐵路，利用風(fēng)洞試驗(yàn)研究了單側(cè)擋風(fēng)墻及高路堤對(duì)大風(fēng)特性和車(chē)輛橫風(fēng)氣動(dòng)特性的影響；劉賢萬(wàn)等［11］針對(duì)高路堤上的單側(cè)擋風(fēng)墻，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究其流場(chǎng)分布；英國(guó)的Papesch［12］通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)，以?xún)A覆力矩為評(píng)價(jià)指標(biāo)研究了不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的防風(fēng)效果。日本對(duì)風(fēng)屏障、車(chē)輛、線(xiàn)路等組合進(jìn)行一系列風(fēng)洞模型試驗(yàn)，認(rèn)為風(fēng)屏障的防風(fēng)性能依賴(lài)風(fēng)屏障的高度和透風(fēng)率、車(chē)輛 及 線(xiàn) 路 構(gòu) 造 形 式［2，13］。梁 習(xí) 鋒 等［14］采 用 數(shù)值模擬方法研究了路堤上擋風(fēng)墻的合理高度。黃林［15］針對(duì)混凝土簡(jiǎn)支箱梁上風(fēng)屏障（實(shí)體，0.0%透風(fēng)率），采用動(dòng)模型分析了列車(chē)在自然風(fēng)與列車(chē)風(fēng)共同作用下的三維繞流特性。

綜上所述，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要集中在重型擋風(fēng)墻方面，而對(duì)輕型風(fēng)屏障的研究較少。線(xiàn)路構(gòu)造形式差異對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)效果影響較大，國(guó)外針對(duì)鐵路風(fēng)屏障的研究較少。京滬高速鐵路是我國(guó)建設(shè)里程最長(zhǎng)、投資最大、標(biāo)準(zhǔn)最高的高速鐵路，整條線(xiàn)路位于東部沿海，易受臺(tái)風(fēng)和強(qiáng)季風(fēng)侵襲，有必要在大風(fēng)區(qū)段設(shè)置風(fēng)屏障。本文從整條京滬高速鐵路中選擇最具代表性的3種線(xiàn)路形式：平地路基、高路堤、32m 跨度橋梁，分別制作了風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用風(fēng)壓排管測(cè)試了不同風(fēng)屏障情況下軌道中心的風(fēng)壓分布，對(duì)比了風(fēng)屏障設(shè)置方式、風(fēng)屏障高度、線(xiàn)路類(lèi)型等對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響，分析了風(fēng)屏障的氣動(dòng)作用機(jī)理，為后續(xù)風(fēng)屏障設(shè)計(jì)及車(chē)輛氣動(dòng)力的確定提供依據(jù)。

1 風(fēng)壓分布風(fēng)洞試驗(yàn)及測(cè)試方法

線(xiàn)路周?chē)O(shè)置風(fēng)屏障后會(huì)顯著改變軌道上方的繞流形態(tài)，軌道上方局部風(fēng)場(chǎng)特性直接決定了車(chē)輛所受風(fēng)荷載的大小，明確軌道上方風(fēng)壓分布特性是進(jìn)行車(chē)輛側(cè)向氣動(dòng)荷載優(yōu)化的前提。

風(fēng)壓分布測(cè)試的風(fēng)洞試驗(yàn)在西南交通大學(xué)的XNJD-3風(fēng)洞進(jìn)行，風(fēng)洞寬×高×長(zhǎng)為22.5m×4.5m×36mm，模型縮尺比為1／15，模型長(zhǎng)度為3.0m，為減少端部繞流的影響，在模型兩側(cè)設(shè)置了端板。將風(fēng)壓排管安裝于一根豎直的立柱上，排管正對(duì)來(lái)流，并垂直向外伸長(zhǎng)0.05m，以減小立柱對(duì)風(fēng)壓排管處風(fēng)壓的影響。在軌道中心0.25m 高度以下測(cè)點(diǎn)間距為0.03m，其余測(cè)點(diǎn)的間距為0.04m，共計(jì)16 個(gè)測(cè)點(diǎn)（測(cè)點(diǎn)布置詳見(jiàn)圖1）。采用同步采集系統(tǒng)，可一次得到軌道中心的風(fēng)壓系數(shù)剖面。

在前方未受擾動(dòng)的來(lái)流處安裝一皮托管（如圖1所示），用于測(cè)試來(lái)流靜壓與風(fēng)速，以來(lái)流靜壓作為參考點(diǎn)，可得到風(fēng)壓系數(shù)［16］：

式中，pi為第i個(gè)風(fēng)壓排管測(cè)試的壓力（總壓），p∞為來(lái)流參考點(diǎn)處?kù)o壓，V∞為來(lái)流風(fēng)速，ρ為空氣密度，取ρ=1.225kg／m3。需要說(shuō)明的是：壁面風(fēng)壓系數(shù)與結(jié)構(gòu)的形狀有關(guān)，反映結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布；（1）式為相對(duì)壓力系數(shù)，反映流場(chǎng)分布與總能量的變化關(guān)系。

圖1 橋上風(fēng)壓剖面測(cè)試示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of wind pressure profile test on bridges（unit：m）

針對(duì)京滬高速鐵路3種典型線(xiàn)路構(gòu)造形式：32m跨度橋梁（見(jiàn)圖1）、6.0m 高路堤（見(jiàn)圖2）、平地路基（見(jiàn)圖3），分別進(jìn)行了不同風(fēng)屏障高度、不同風(fēng)屏障設(shè)置形式的風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)軌道中心的風(fēng)壓系數(shù)剖面，具體工況詳見(jiàn)表1。

圖2 高路堤的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬簃）Fig.2 Wind tunnel test model of high embankment（unit：m）

圖3 平地路基的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▎挝唬簃）Fig.3 Wind tunnel test model of ground roadbed（unit：m）

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)工況Table 1 Wind tunnel test cases

2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

首先針對(duì)典型風(fēng)洞試驗(yàn)工況，同步進(jìn)行了CFD仿真模擬，將風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD 模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，在此基礎(chǔ)上，討論了風(fēng)屏障布置形式、風(fēng)屏障高度、線(xiàn)路構(gòu)造形式對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響，并分析了風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理。

2.1 風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD 模擬的對(duì)比

為了驗(yàn)證測(cè)試方法，利用CFD 模擬了橋上設(shè)置兩側(cè)2.05m 高風(fēng)屏障時(shí)的二維風(fēng)壓分布。采用SSTk-ω兩方程湍流模型進(jìn)行了模擬，模型縮尺比為1／15，邊界層厚度按文獻(xiàn)［15］取值，網(wǎng)格數(shù)量為7.6萬(wàn)，按定常計(jì)算得到CFD 結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如圖4所示。圖中斜率較小的區(qū)域?yàn)槔@流引起的剪切層，剪切層以下的高度是風(fēng)屏障對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響范圍，這部分區(qū)域?yàn)轱L(fēng)屏障的防風(fēng)區(qū)域，剪切層上方的區(qū)域?yàn)橥獠苛鲌?chǎng)。圖中表明，迎風(fēng)側(cè)軌道中心的CFD 模擬結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)符合較好，雖然背風(fēng)側(cè)軌道中心的風(fēng)洞試驗(yàn)與CFD 模擬結(jié)果有一定差異，但規(guī)律相似；另外，根據(jù)理想流體的伯努利方程，防風(fēng)區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)相比外部流場(chǎng)中的風(fēng)壓系數(shù)要小，相差部分為湍流引起的能量耗散。由此可見(jiàn)，采用風(fēng)壓排管測(cè)試軌道上方的風(fēng)壓分布是可行的。

圖4 風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬對(duì)比Fig.4 Comparison of wind tunnel test with CFD

2.2 風(fēng)屏障布置形式的影響

為了考查風(fēng)屏障布置形式的影響，測(cè)試了無(wú)風(fēng)屏障、單側(cè)風(fēng)屏障、雙側(cè)風(fēng)屏障時(shí)軌道上方的風(fēng)壓系數(shù)剖面。圖5給出了在橋上設(shè)置2.05m 高度的單側(cè)風(fēng)屏障和雙側(cè)風(fēng)屏障，以及無(wú)風(fēng)屏障時(shí)風(fēng)壓系數(shù)剖面的對(duì)比圖。從圖中可以看出，設(shè)置單側(cè)、雙側(cè)風(fēng)屏障后均有效地減小了軌道上方的負(fù)壓值，其中設(shè)置雙側(cè)風(fēng)屏障時(shí)，由于背風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障處于防風(fēng)區(qū)域內(nèi)，其阻擋作用進(jìn)一步增加了軌道上方的回流，增加了防風(fēng)區(qū)域的風(fēng)壓系數(shù)，減少了防風(fēng)區(qū)域的能量耗散，但對(duì)外部流場(chǎng)基本沒(méi)有影響。由此可見(jiàn)，迎風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障是軌道上方產(chǎn)生能量耗散的主要原因。

圖5 風(fēng)屏障的影響Fig.5 Effects of wind screen

2.3 風(fēng)屏障高度的影響

為了考查風(fēng)屏障高度的影響，測(cè)試了兩種高度風(fēng)屏障對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響。圖6給出了兩種高度的單側(cè)風(fēng)屏障下軌道中心的風(fēng)壓系數(shù)剖面（h=1.72m 和h=2.05m），圖中表明，剪切層的高度隨著風(fēng)屏障高度的增加而增加，風(fēng)壓系數(shù)剖面的變化規(guī)律相似。在實(shí)際中，車(chē)輛高度一般在3.5～4.0m 之間，以CRH2為例，其軌道平面以上高度為3.7m，縮尺后為0.247m。風(fēng)屏障高度為2.05m 時(shí)，在車(chē)頂高度范圍內(nèi)，迎風(fēng)側(cè)軌道中心完全受到負(fù)壓的作用，即受到迎風(fēng)向的力；當(dāng)風(fēng)屏障高度為1.72m 時(shí)，車(chē)頂部分受到正壓，且風(fēng)壓系數(shù)比風(fēng)屏障高度為2.05m時(shí)小。在背風(fēng)側(cè)軌道中心的車(chē)頂高度以下則完全處于防風(fēng)區(qū)域內(nèi)，且風(fēng)壓系數(shù)剖面的變化規(guī)律差異較小。所以，若以風(fēng)壓系數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，1.72m 風(fēng)屏障的防風(fēng)效果比2.05m 高度風(fēng)屏障好。

圖6 風(fēng)屏障高度的影響Fig.6 Effects of height of wind screens

2.4 線(xiàn)路構(gòu)造形式的影響

為了考查線(xiàn)路構(gòu)造形式對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響，測(cè)試了32m 跨度橋梁（見(jiàn)圖1）、高路堤（見(jiàn)圖2）、平地路基（見(jiàn)圖3）3種典型線(xiàn)路構(gòu)造形式軌道上方的風(fēng)壓分布。圖7給出了3種線(xiàn)路類(lèi)型上設(shè)置兩側(cè)2.05m 高的風(fēng)屏障時(shí)，軌道中心的風(fēng)壓系數(shù)剖面的對(duì)比圖。圖中表明，橋梁軌道上方的風(fēng)壓分布與平地路基基本相似，但平地路基軌道上方的風(fēng)壓系數(shù)比橋梁小，高路堤上的風(fēng)壓系數(shù)剖面的變化規(guī)律與其它兩種類(lèi)型線(xiàn)路構(gòu)造形式差異較大，由于氣流經(jīng)過(guò)高路堤時(shí)，氣流的“爬坡效應(yīng)”相當(dāng)于改變來(lái)流的風(fēng)迎角，使得高路堤的剪切層梯度小于平地路基和橋梁。高路堤上風(fēng)屏障的防風(fēng)區(qū)域高度比其它兩種線(xiàn)路構(gòu)造形式高，減小了接觸網(wǎng)位置的風(fēng)壓系數(shù)，并對(duì)接觸網(wǎng)有一定的防風(fēng)作用。

圖7 有風(fēng)屏障時(shí)線(xiàn)路構(gòu)造形式的影響Fig.7 Effects of line structure with wind screens

圖8 無(wú)風(fēng)屏障時(shí)線(xiàn)路構(gòu)造形式的影響Fig.8 Effects of line structure without wind screens

從能量的角度對(duì)比無(wú)風(fēng)屏障時(shí)3種線(xiàn)路構(gòu)造形式軌道中心的風(fēng)壓系數(shù)剖面（見(jiàn)圖8）可以看出，不同線(xiàn)路構(gòu)造形式上的防風(fēng)效果差異較大，無(wú)風(fēng)屏障時(shí)，線(xiàn)路構(gòu)造形式對(duì)于軌道上方風(fēng)壓分布的影響也非常顯著。設(shè)置相同高度的風(fēng)屏障后，高路堤上能量耗散最多（風(fēng)壓系數(shù)最?。?，橋上能量耗散最少。所以，線(xiàn)路構(gòu)造形式對(duì)軌道上方的湍流影響很大，對(duì)能量耗散的影響也大。另外，列車(chē)經(jīng)過(guò)路橋過(guò)渡段時(shí)的風(fēng)載突變效應(yīng)對(duì)列車(chē)的安全性非常不利，應(yīng)引起重視。

為考查線(xiàn)路構(gòu)造形式對(duì)不同軌道位置風(fēng)壓分布的影響，對(duì)比圖5～8中迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)軌道中心的風(fēng)壓分布可以看出，3種線(xiàn)路構(gòu)造情況下，迎風(fēng)側(cè)軌道中心剪切層的高度和梯度均小于背風(fēng)側(cè)，這是由于氣流繞流后，在軌道上方形成的剪切層的運(yùn)動(dòng)軌跡為一拋物線(xiàn)狀，而軌道上方正好處于剪切層的上升階段。

3 結(jié) 論

針對(duì)3種典型線(xiàn)路形式，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了風(fēng)屏障對(duì)軌道上方風(fēng)壓分布的影響，得出如下結(jié)論：

（1）CFD 結(jié)果和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，這表明測(cè)試方法是可行的；

（2）迎風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障的存在減少了風(fēng)壓值，增加軌道上方的能量耗散，背風(fēng)側(cè)風(fēng)屏障增加了防風(fēng)區(qū)域的負(fù)壓，減少了防風(fēng)區(qū)域的能量耗散；

（3）剪切層高度隨著風(fēng)屏障高度的增加而增加，對(duì)比車(chē)頂高度以下的風(fēng)壓系數(shù)剖面，橋上1.72m 高度風(fēng)屏障比2.05m 高度風(fēng)屏障的防風(fēng)效果好；

（4）風(fēng)屏障高度相同時(shí)，不同線(xiàn)路構(gòu)造形式上的能量耗散差異較大，其中高路堤上的能量耗散最大，橋上的能量耗散最??；氣流經(jīng)過(guò)高路堤時(shí)的“爬坡效應(yīng)”顯著，且剪切層的高度較其它兩種線(xiàn)路構(gòu)造大，梯度比其它兩種線(xiàn)路構(gòu)造形式小，高路堤上的風(fēng)屏障對(duì)接觸網(wǎng)也有一定的防風(fēng)作用。

［1］ SUZUKI M，TANEMOTO K，MAEDAA T.Aerodynamic characteristics of train／vehicles under cross winds［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2003，91：209-218.

［2］ 劉慶寬，杜彥良，喬富貴.日本列車(chē)橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)對(duì)策研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，2008（1）：82-88.

［3］ 金學(xué)松，郭俊，肖新標(biāo)，等.高速列車(chē)安全運(yùn)行研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題［J］.工程力學(xué)，2009，26（S2）：8-21.

［4］ 王厚雄，高注，王蜀東，等.擋風(fēng)墻高度的研究［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，1990，11（1）：14-23.

［5］ 葛盛昌，尹永順.新疆鐵路風(fēng)區(qū)列車(chē)安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究［J］.鐵道技術(shù)監(jiān)督，2006，34（4）：9-11.

［6］ 王軍.5807次旅客列車(chē)顛覆重大事故分析［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

［7］ 馬淑紅，馬志福.瞬時(shí)最大風(fēng)速對(duì)京津城際CRH3 動(dòng)車(chē)組行車(chē)安全影響［J］.中國(guó)科技信息，2008（21）：285-286.

［8］ 張強(qiáng)，楊賢為，張永山，等.京滬沿線(xiàn)強(qiáng)降水頻率及大風(fēng)頻率分布特征［J］.氣象科技，2003，31（1）：45-49.［9］ 劉慶寬.強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車(chē)運(yùn)行安全保障體系的初步研究［J］.工程力學(xué)，2010，27（S1）：305-310.

［10］葛盛昌，蔣富強(qiáng).蘭新鐵路強(qiáng)風(fēng)地區(qū)風(fēng)沙成因及擋風(fēng)墻防風(fēng)效果分析［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2009（5）：1-4.

［11］劉賢萬(wàn)，崔志剛.特大風(fēng)區(qū)防翻車(chē)擋風(fēng)墻工程設(shè)計(jì)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)沙漠，1994，14（3）：38-46.

［12］PAPESCH A J G.Model study of windbreaks on railway on bridge［J］.New Zealand Engineering，1972，27（4）：132-139.

［13］張健.鐵路防風(fēng)柵抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)研究與分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，4（1）：13-17.

［14］姜翠香，梁習(xí)鋒.擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對(duì)車(chē)輛氣動(dòng)性能的影響［J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2006，27（2）：66-70.

［15］黃林.列車(chē)風(fēng)與自然風(fēng)聯(lián)合作用下的車(chē)-橋耦合振動(dòng)分析［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［16］劉繼生，陳水福.井岡山機(jī)場(chǎng)航站樓屋蓋表面風(fēng)壓的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究［J］.工程力學(xué)，2005，22（4）：96-100.