何瑋，郭向榮，朱志輝，何旭輝

風屏障高度對城軌專用斜拉橋車橋系統(tǒng)氣動特性的影響

何瑋，郭向榮，朱志輝，何旭輝

(中南大學土木工程學院，高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙，410075)

在綜合考慮風屏障高度對橋梁及橋上列車氣動特性影響的前提下，采用風洞試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究在橋梁上設置不同高度風屏障的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。研究結(jié)果表明：隨風屏障高度增加，橋梁的阻力系數(shù)明顯增大，而橋上列車的阻力系數(shù)相應減小，橋梁與列車的升力系數(shù)變化不明顯；在側(cè)風作用下，風屏障高度對處于橋面迎風位置列車的所受氣動力影響較明顯；風屏障高度對車橋系統(tǒng)周圍流場的影響較明顯，當風屏障高度增加時，梁體迎風面正壓區(qū)顯著增大；車體迎背風面的壓力分布不僅受風屏障高度的影響，而且受列車在橋面的位置的影響。

風洞試驗；車橋系統(tǒng)；風屏障；氣動特性

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展和技術的進步，我國城市軌道交通獲得了新的發(fā)展機遇，軌道交通橋梁也同時迎來了新的挑戰(zhàn)，對跨度的要求越來越高。斜拉橋作為一種整體剛度較強的柔性結(jié)構，由于其具有較強的跨越能力，因而在軌道交通建設中越來越受到關注。然而，由于大跨度斜拉橋多建于開闊區(qū)域，受風荷載影響較大，且列車與橋梁間氣動干擾往往會增加列車受到的風荷載，進一步增加橋上行車的安全風險。為了提高側(cè)風下的橋上行車安全，目前最有效且最常用的措施是在橋上行車線兩側(cè)設置風屏障[1]。風屏障由于能給列車提供一個相對較低風速的環(huán)境，可以有效提高行車安全性。許多研究者對風屏障防風效果進行了大量研究，結(jié)果表明風屏障高度對軌道上方的流場分布及車輛風荷載有較大影響[2?5]，當風屏障高度較大時，其防風效果較好[6?9]。然而，對設有普通型風屏障的橋梁，若側(cè)向來流的風速很大，則高度較大的風屏障雖然可以保護列車行車安全，但它對橋梁主梁帶來了較大的氣動作用力。尤其是對于跨度相對較大的斜拉橋，高度較大的風屏障可能引起橋梁動力穩(wěn)定性下降。以往的研究主要集中在風屏障對列車氣動性能的影響方面，然而，當線路基礎為大跨度橋梁時，有必要綜合考慮風屏障高度對橋梁梁體及橋上列車氣動特性的影響。為此，本文作者采用風洞試驗與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究在橋梁上設置不同高度風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。

1 風洞試驗

1.1 試驗裝置

節(jié)段模型測力試驗在中南大學高速鐵路風洞實驗室的高速試驗段進行，高速試驗段長15.0 m，寬3.0 m，高3.0 m；試驗風速在0~94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，風場順風向湍流度小于0.3%。為同步測試不同工況下列車和橋梁各自的氣動力，列車和橋梁模型別分固定在可轉(zhuǎn)動圓盤上以實現(xiàn)氣動力分離；在列車和橋梁模型兩端分別裝有動態(tài)測力天平(共安裝4個天平)以采集列車和橋梁的氣動力；通過轉(zhuǎn)動圓盤，節(jié)段模型可繞圓盤中心作同軸轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)風攻角調(diào)節(jié)；整個測力裝置由固定在風洞地板上的豎向支撐系統(tǒng)支撐。使用的動態(tài)測力天平為日本NITTA公司生產(chǎn)的IFS型六分量動態(tài)天平，測力分辨率為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速及靜態(tài)壓力，采集點位于模型下游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 試驗模型

列車模型采用城市軌道客運常用的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，尺寸見圖1。在車道兩側(cè)設置高度分別為2.5，3.0，3.5和4.0 m的風屏障，風屏障距主梁斷面中心處距離為7.55 m。列車模型、橋梁主梁模型及風屏障模型的縮尺比都為1/40，節(jié)段模型長度為 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，除風屏障高度之外，風屏障的透風率、孔洞尺寸、開孔方式等都會影響其防風效果[1?2]。因此，為保證試驗的相似性、排除其他因素對試驗結(jié)果的影響，4種不同高度風屏障模型的透風率統(tǒng)一為30%，開孔方式統(tǒng)一采用8 mm×8 mm方形孔洞且孔洞在風屏障上均勻分布。本試驗的風屏障照片見圖2。

數(shù)據(jù)單位：cm

模型比例尺為1/40

1.3 試驗分組及數(shù)據(jù)處理

本文的風洞試驗共分為8組，每組在0°和±3°風攻角下進行吹風測試，其中第1~4組為迎風工況，第5~8組為背風工況。試驗流場為均勻流場。試驗風速U分別為10 m/s和15 m/s，試驗參數(shù)見表1。由于采樣點風速和靜壓隨時間的分布具有隨機性，在流動持續(xù)一段時間后，可認為隨機過程的隨機特征不隨時間變化，即此過程是穩(wěn)定的[10?11]。因此，本文各組試驗均在風速達到穩(wěn)定值并穩(wěn)定5 s后開始采樣，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時間為20 s。

表1 各組試驗參數(shù)

動態(tài)測力天平采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理得到列車和橋梁的氣動三分力系數(shù)。風軸坐標系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)計算公式[12]分別如下：

其中：D為阻力系數(shù)；D為阻力；U為試驗參考風速；空氣密度1.225 kg/m3；為測力節(jié)段模型長度；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)合進行分離渦模擬[13?15]。對于任何復雜的湍流流動，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，對低雷諾數(shù)下近壁面情況需要采用半經(jīng)驗的壁面函數(shù)，而SST?模型的特點在于不包含?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)風作用下車?橋系統(tǒng)周圍的定常繞流 流場。

在SST?模型中，湍動能和比耗散率的運輸方程為：

為了使運輸方程從近壁面改進的?模型過渡到外部的標準?模型，采用混合函數(shù)1計算各系數(shù)：

混合函數(shù)1按下式計算：

2.3 車橋系統(tǒng)數(shù)值計算模型

采用大型商業(yè)流體計算軟件FLUENT對不同高度風屏障環(huán)境下車橋系統(tǒng)的二維流場進行數(shù)值模擬計算。車橋系統(tǒng)的數(shù)值計算模型外形與風洞試驗節(jié)段模型一致，尺寸與實際尺寸的比例為1:1。計算網(wǎng)格采用由結(jié)構網(wǎng)格和非結(jié)構網(wǎng)格組成的混合網(wǎng)格，其中模型附近區(qū)域采用非結(jié)構三角形網(wǎng)格，在模型表面處設置總厚度為0.02 m的邊界層，遠離橋梁區(qū)域采用四邊形網(wǎng)格。為保證流場的充分發(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速取10 m/s，車橋系統(tǒng)及上下面邊界條件為無滑移壁面邊界，出口邊界條件為壓力出口。

3 結(jié)果分析

3.1 風屏障高度對車橋系統(tǒng)氣動力系數(shù)的影響

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

從風攻角為0°時的計算結(jié)果可以看出：風屏障高度對橋梁及橋上列車的阻力系數(shù)影響較大，而對升力系數(shù)的影響不明顯。進一步研究列車位置和風攻角的變化對試驗結(jié)果的影響，在各工況下，當風攻角為?3°，0°和+3°時，橋梁和橋上列車阻力系數(shù)的風洞試驗結(jié)果分別見表2和表3。由表2可知：當風屏障高度由2.5 m增大至4.0 m時，各風攻角的橋梁阻力系數(shù)均呈明顯增大趨勢。而由表3可見：當列車處于橋面迎風側(cè)時，各風攻角的列車阻力系數(shù)隨風屏障高度的增大而減?。划斄熊囂幱跇蛎姹筹L側(cè)時，各攻角的列車阻力系數(shù)受風屏障高度的影響均較小。

(a) 阻力系數(shù)；(b) 升力系數(shù)

3.2 風屏障高度對車?橋系統(tǒng)周圍流場的影響

從風洞試驗結(jié)果可知：隨著風屏障高度增加，橋梁所受到的氣動力顯著增大而橋上列車所受到氣動力相應減小。為了比較分析在橋面設置不同高度風屏障時車?橋系統(tǒng)周圍的流場，選取風攻角為0°，風屏障高度為2.5 m和4.0 m，列車分別處于橋面迎風側(cè)和背風側(cè)，計算車?橋系統(tǒng)周圍的壓力分布。計算的靜壓云圖如圖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)(風洞試驗結(jié)果)

表3 列車阻力系數(shù)(風洞試驗結(jié)果)

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

風屏障高度/m：(a) 2.5；(b) 4.0

風屏障高度/m：(a) 2.5；(b) 4.0

4 結(jié)論

1) 在風攻角分別為?3°，0°和+3°時，風屏障高度在2.5~4.0 m范圍內(nèi)每增加0.5 m，迎風與背風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)風環(huán)境中風屏障高度對梁體所受側(cè)向氣動力的影響較明顯。

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

3) 風屏障高度對車橋系統(tǒng)周圍流場的影響比較明顯。當風屏障高度增加時，梁體迎風面正壓區(qū)高度顯著增大，從而導致梁體受到的側(cè)向氣動力增大。風屏障高度對迎風位置處列車車體兩側(cè)的壓力差影響較大，而對背風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

國家自然科學基金資助項目(51678576，51378511，51178471)；國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFB1201204)；湖南省高校創(chuàng)新平臺開放基金資助項目(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，從事車橋耦合振動研究；E-mail：zzhh0703@163.com