劉樹(shù)堂
(中鐵十四局集團(tuán)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)
中鐵十四局承擔(dān)長(zhǎng)株潭綜合Ⅱ標(biāo)預(yù)制箱梁的架設(shè)工作,其中株洲醴潭高速立交特大橋(中心里程DK33+815.131)采用32 m簡(jiǎn)支箱梁斜跨越武廣客運(yùn)專線的水桶壩特大橋。醴潭高速立交特大橋與武廣客運(yùn)專線水桶壩特大橋的平面關(guān)系如圖1所示。所采用的 32簡(jiǎn)支箱梁為梁場(chǎng)預(yù)制,利用架橋機(jī)整體架設(shè)的施工工藝。而在架設(shè)株洲醴潭高速立交特大橋7號(hào)~8號(hào)墩時(shí),架橋機(jī)下導(dǎo)梁需過(guò)孔到8號(hào)~9號(hào)墩上方,此時(shí)架橋機(jī)的下導(dǎo)梁正好處于武廣客運(yùn)專線的水桶壩特大橋上方,下導(dǎo)梁與武廣客運(yùn)專線行車軌道板頂面的凈距為11.377 m。在開(kāi)始架設(shè)箱梁之前,必須對(duì)架橋機(jī)工作期間的安全穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。特別是下導(dǎo)梁伸出落在8號(hào)~9號(hào)墩上方工作期間,此時(shí)架橋機(jī)下導(dǎo)梁的穩(wěn)定性除了考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與剛度之外,還應(yīng)考慮強(qiáng)側(cè)風(fēng)與列車運(yùn)動(dòng)風(fēng)共同作用下的抗傾覆穩(wěn)定性。列車風(fēng)對(duì)周圍橋梁或建筑物產(chǎn)生的氣動(dòng)力大小取決于列車運(yùn)行的速度、離列車側(cè)面的距離、列車外形及強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境等因素。目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速鐵路沿線建筑物的研究主要集中在列車通過(guò)時(shí)所引起的結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及減振措
施[1?2],對(duì)跨線橋梁表面的氣動(dòng)壓力研究以車橋距離和列車速度的影響為主[3?6]。高速列車運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生的列車風(fēng)對(duì)正上方架橋機(jī)下導(dǎo)梁的氣動(dòng)力及迎風(fēng)面、背風(fēng)面的風(fēng)壓分布以及對(duì)下導(dǎo)梁的抗傾覆性的影響不可忽略。本文借助計(jì)算流體力學(xué)Fluent軟件為仿真平臺(tái),采用“動(dòng)網(wǎng)格”技術(shù)和編寫(xiě)UDF列車運(yùn)動(dòng)程序,對(duì)下導(dǎo)梁處于強(qiáng)側(cè)風(fēng)和高速列車以不同方式運(yùn)行所產(chǎn)生的列車風(fēng)共同作用下的氣動(dòng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬,通過(guò)多工況的計(jì)算來(lái)研究了強(qiáng)側(cè)風(fēng)下和列車風(fēng)共同作用下,架橋機(jī)下導(dǎo)梁的氣動(dòng)力性能及其本身的抗傾覆穩(wěn)定性,為施工單位架橋機(jī)的安全穩(wěn)定性評(píng)估提供最直接的依據(jù)。
圖1 架設(shè)箱梁與武廣客運(yùn)專線關(guān)系示意圖Fig. 1 Relationship between the railway and box-bridge
首先用gambit軟件建立車、橋和導(dǎo)梁的幾何模型。武廣客運(yùn)專線運(yùn)行的高速列車為CRH3動(dòng)車組,為避免計(jì)算區(qū)域過(guò)大以及計(jì)算網(wǎng)格數(shù)量巨大的問(wèn)題,將列車進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,忽略受電弓、輪軌、轉(zhuǎn)向架以及門(mén)窗的影響。考慮到中間車具有相似的特性,目前,國(guó)內(nèi)外大多采用簡(jiǎn)化后的3列車輛模型。本文經(jīng)過(guò)多次試算最后確定采用頭車(25.25 m)+中間車(4 m)+尾車(25.25 m)的3節(jié)列車模型[7]。列車模型總長(zhǎng)54.5 m,寬3.265 m,高3.817 m,并對(duì)列車表面做光滑的曲面處理。同樣為節(jié)省計(jì)算資源和計(jì)算時(shí)間,武廣客運(yùn)專線的水桶壩特大橋幾何模型采用5跨32 m的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁;架橋機(jī)下導(dǎo)梁的幾何模型簡(jiǎn)化為矩形截面并做光滑壁面處理,下導(dǎo)梁總長(zhǎng)為36.5 m,高2.1 m,寬1.7 m,自重432.78 kN,導(dǎo)梁與客運(yùn)專線及列車運(yùn)行方向斜交67°;列車頭車的鼻尖距下導(dǎo)梁的水平距離為20 m,強(qiáng)側(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向與導(dǎo)梁成90°夾角。
圖2 高速列車?橋梁?導(dǎo)梁系統(tǒng)氣動(dòng)力計(jì)算模型Fig. 2 Computational model of high-speed train-bridge-system for aerodynamic force
以5跨32 m簡(jiǎn)支箱、CRH3列車及下導(dǎo)梁的簡(jiǎn)化幾何模型為對(duì)象,建立CFD三維數(shù)值分析模型。計(jì)算區(qū)域以區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)分布特征量流速、壓力為目標(biāo)按照單參數(shù)逐一優(yōu)化方法[8]確定。通過(guò)反復(fù)的試算,在能夠滿足計(jì)算結(jié)果的精度的情況下,選取240 m×60 m×264 m的計(jì)算區(qū)域。由于高速列車幾何形狀復(fù)雜,故流場(chǎng)內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,對(duì)列車、橋梁及下導(dǎo)梁的近壁面采用壁面函數(shù)法加密網(wǎng)格,列車與橋梁的網(wǎng)格如圖3所示。整個(gè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分采用放射性網(wǎng)格,即貼近高速列車、箱梁及下導(dǎo)梁斷面的網(wǎng)格足夠小,而遠(yuǎn)離這些斷面的區(qū)域可以適當(dāng)放大。區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的最小單元尺寸為 0.1 m,整個(gè)計(jì)算域劃分的網(wǎng)格單元總數(shù)為245萬(wàn)。列車的運(yùn)動(dòng)通過(guò)編制UDF程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。列車在運(yùn)動(dòng)時(shí),由于網(wǎng)格變形導(dǎo)致網(wǎng)格質(zhì)量低于特定值時(shí),通過(guò)使用局部網(wǎng)格重構(gòu)(Local remeshing Methods) 和光滑(Smoothing Methods)動(dòng)網(wǎng)格功能對(duì)局部的低質(zhì)量網(wǎng)格進(jìn)行更新,以保證列車運(yùn)動(dòng)時(shí)刻網(wǎng)格的質(zhì)量和計(jì)算結(jié)果的精度。計(jì)算區(qū)域與整體坐標(biāo)系如圖4所示。
計(jì)算區(qū)域流場(chǎng)入口采用速度入口邊界條件,流場(chǎng)出口采用靜壓為 0 Pa的壓力出口邊界條件,橋梁、列車及導(dǎo)梁的表面及計(jì)算域上下邊界選擇光滑無(wú)滑移壁面邊界。強(qiáng)側(cè)風(fēng)的馬赫數(shù)小于 0.3,計(jì)算按不可壓縮非定常流動(dòng)問(wèn)題處理[9]。壓強(qiáng)速度關(guān)聯(lián)算法采用穩(wěn)定性好的SIMPLE算法,湍流模型采用RNG κ?ε模型,選用基于壓力的隱式求解方法計(jì)算。根據(jù)文獻(xiàn)[10]入口風(fēng)速取為25.6 m/s,湍流度為5%,本次計(jì)算按照非穩(wěn)態(tài)計(jì)算,總時(shí)長(zhǎng)為1.2 s,時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 5 s。當(dāng)監(jiān)控指標(biāo)三分力曲線平穩(wěn)且殘差達(dá)到收斂精度(1.0×10?4)時(shí),認(rèn)為計(jì)算收斂,迭代結(jié)束。
圖3 列車與橋梁網(wǎng)格圖Fig. 3 Mesh of train and bridge grid figure
圖4 計(jì)算區(qū)域及整體網(wǎng)格分布圖Fig. 4 Computational domain and mesh of calculation
下導(dǎo)梁除了本身的自重外,在強(qiáng)側(cè)風(fēng)與列車風(fēng)帶來(lái)的氣動(dòng)力作用。下導(dǎo)梁在強(qiáng)側(cè)風(fēng)下發(fā)生傾覆,主要是下導(dǎo)梁的側(cè)力、升力和兩者共同產(chǎn)生的側(cè)傾力矩過(guò)大造成的,其中的側(cè)傾力矩是衡量結(jié)構(gòu)物橫風(fēng)穩(wěn)定性最重要的指標(biāo)[11]。通過(guò)計(jì)算可知,在列車不同運(yùn)行方式中下導(dǎo)梁的側(cè)傾力矩會(huì)發(fā)生改變,因此下導(dǎo)梁的穩(wěn)定性發(fā)生變化,如圖5所示,研究中先對(duì)下導(dǎo)梁幾何中心提取側(cè)傾力矩Mz,然后將力矩作用點(diǎn)轉(zhuǎn)移到支點(diǎn)上,可以表示為:
式中:yFxΔ·,xFyΔ·和xG Δ·分別為側(cè)力、升力和自重對(duì)導(dǎo)梁支點(diǎn)產(chǎn)生的力矩。
圖5 側(cè)傾力矩作用示意圖Fig. 5 Diagram of rolling moment
在圖5中,當(dāng)Mzl為負(fù)時(shí),下導(dǎo)梁有逆時(shí)針?lè)较騻?cè)傾的趨勢(shì);當(dāng)Mzr為正時(shí),下導(dǎo)梁有相反方向側(cè)傾的趨勢(shì),且兩者絕對(duì)值較大者起控制作用,而當(dāng) Mzl為正或 Mzr為負(fù)時(shí),均能提高下導(dǎo)梁的側(cè)傾穩(wěn)定性,根據(jù)最不利情況定義控制側(cè)傾力矩Mzcon:|Mzcon|=max(|min(Mzl,0)|,|max(Mzr,0)|),其正負(fù)跟絕對(duì)值較大者保持一致。
主要對(duì)下導(dǎo)梁在強(qiáng)側(cè)風(fēng)與列車風(fēng)下的氣動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)列車運(yùn)行方式的不同共設(shè)置表1所示的4種工況,即:無(wú)列車運(yùn)行、1列列車運(yùn)行以及2列列車同時(shí)運(yùn)行,下導(dǎo)梁周圍的壓力場(chǎng)和風(fēng)速場(chǎng)變化情況。
表1 列車行駛對(duì)下導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)風(fēng)壓分布的影響分析工況Table1 Calculation conditions of wind environment
為觀察列車從下方經(jīng)過(guò)時(shí),導(dǎo)梁表面的風(fēng)壓變化情況,選取導(dǎo)梁位于線路中央的截面為觀測(cè)截面此截面底板、截面迎風(fēng)側(cè)以及背風(fēng)側(cè)各3個(gè)觀測(cè)點(diǎn),如圖6所示。
圖6 導(dǎo)梁表面風(fēng)壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)Fig. 6 Locations of pressure-monitoring point
列車以不同方式經(jīng)過(guò)下導(dǎo)梁時(shí),下導(dǎo)梁的氣動(dòng)力如圖 7所示:1)當(dāng)頭車的車頭(車身截面變化段)完全經(jīng)過(guò)導(dǎo)梁正下方向時(shí),導(dǎo)梁的側(cè)力最大,相應(yīng)的側(cè)傾力矩也最大。工況2與工況3中,導(dǎo)梁的側(cè)力對(duì)稱,工況4中導(dǎo)梁的側(cè)力為0。2)列車的車頭完全經(jīng)過(guò)導(dǎo)梁正下方向之前,導(dǎo)梁受到升力為正,頭車的鼻尖經(jīng)過(guò)導(dǎo)梁正下方向時(shí),導(dǎo)梁向上的升力最大。尾車的鼻尖離開(kāi)導(dǎo)梁位置之前,導(dǎo)梁受到升力為負(fù),尾車的車頭進(jìn)入導(dǎo)梁正下方向時(shí),導(dǎo)梁向下的升力最小。工況4中由于2列列車共同作用,導(dǎo)梁升力值約是工況2與工況3中的2倍。
圖7 導(dǎo)梁氣動(dòng)力隨鼻尖距導(dǎo)梁距離的變化曲線Fig.7 Changing curve of aerodynamic force of the launching nose with the distance between the train and the launching nose
在4種工況下,下導(dǎo)梁側(cè)傾力矩的計(jì)算結(jié)果如表 2~3所示。計(jì)算結(jié)果顯示:1)下導(dǎo)梁在 25.6m/s的強(qiáng)側(cè)風(fēng)和列車風(fēng)共同作用中,其側(cè)傾力矩中強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用占主導(dǎo)地位,約占92.5%~96.8%,而列車風(fēng)作用只占3.2%~7.5%。2)在上述的4種工況中,導(dǎo)梁的側(cè)傾力矩Mzl為正且Mzr為負(fù),即表明在25.6 m/s的強(qiáng)側(cè)風(fēng)和列車風(fēng)共同作用下,下導(dǎo)梁不會(huì)發(fā)生側(cè)傾。
表2 強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用下導(dǎo)梁的側(cè)傾力矩Table 2 Rolling moment of launching nose under the action of strong crosswind
由表3可知,在工況2中導(dǎo)梁側(cè)傾力矩的絕對(duì)值最大,工況2中導(dǎo)梁跨中截面處各測(cè)點(diǎn)列車風(fēng)壓極值如表4所示,列車風(fēng)壓分布曲線如圖8所示。由表4和圖8可知:1)導(dǎo)梁迎風(fēng)側(cè)不同標(biāo)高處沿水平方向列車風(fēng)壓分布從梁底向梁頂板逐漸遞減。a-3點(diǎn)最大正壓、負(fù)壓分別衰減為a-1點(diǎn)處的58.5%和80.7%。2)同理,導(dǎo)梁背風(fēng)側(cè),b-3處的列車風(fēng)最大正壓、負(fù)壓分別衰減為b-1處的47.6%和78.8%。3)導(dǎo)梁底面垂直方向的列車風(fēng)壓最大正壓、負(fù)壓值基本相等,這是導(dǎo)梁寬度相對(duì)較小的緣故。
表3 強(qiáng)側(cè)風(fēng)與列車風(fēng)共同作用下導(dǎo)梁的側(cè)傾力矩Table 2 Rolling moment of launching nose under the combined effects of the train-wind and strong crosswind
表4 跨中截面各測(cè)點(diǎn)列車風(fēng)壓極值Table 4 Extreme pressure values of the mid-span section
圖8 工況2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓隨鼻尖距導(dǎo)梁距離的變化曲線Fig.8 Changing curves of pressure with the distance between the train and the launching nose
為了研究列車風(fēng)作用導(dǎo)梁的機(jī)理,在工況2中導(dǎo)梁取列車正上方的橫截面,分析列車鼻尖距下導(dǎo)梁不同距離時(shí)其速度分布和壓強(qiáng)分布等流場(chǎng)特性的差異。
圖9 速度分布云圖與氣流流線圖Fig. 9 Contour of velocity distribution and the streamline chart of air
速度分布云圖與氣流流線圖如圖9所示。由圖9可知:1)頭車鼻尖位于導(dǎo)梁正下方,導(dǎo)梁迎風(fēng)側(cè)附近的氣流水平向下運(yùn)動(dòng),底板與背風(fēng)側(cè)的氣流水平向前運(yùn)動(dòng)。2)中車中間段位于導(dǎo)梁正下方,導(dǎo)梁周圍的氣流水平斜著向上運(yùn)動(dòng),頂板與底板附近的氣流速度可達(dá)0.9 m/s。3)尾車鼻尖位于導(dǎo)梁正下方,導(dǎo)梁迎風(fēng)側(cè)的氣流斜向上運(yùn)動(dòng),遇到導(dǎo)梁之后水平方向向前運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)梁底板附近的氣流斜著向上,越過(guò)導(dǎo)梁底板后,氣流斜著向下運(yùn)動(dòng)。
靜壓分布云圖如圖 10所示。由圖 10可知:1)頭車鼻尖位于導(dǎo)梁正下方,導(dǎo)梁迎風(fēng)側(cè)與底板靜壓為正,頂板與背風(fēng)側(cè)附近的靜壓為負(fù),靜壓值很小,迎風(fēng)側(cè)正壓與背風(fēng)側(cè)負(fù)壓對(duì)導(dǎo)梁側(cè)面的面積積分疊加得到水平向右的側(cè)力,導(dǎo)梁的升力向上。2)中車中間段位于導(dǎo)梁正下方,導(dǎo)梁周圍的靜壓為負(fù),且大小相近,因此導(dǎo)梁的側(cè)力矩為零,而且導(dǎo)梁升力也基本為 0。3)尾車鼻尖位于導(dǎo)梁正下方,導(dǎo)梁周圍的靜壓為負(fù),且導(dǎo)梁頂板與背風(fēng)側(cè)靜壓絕對(duì)值較背風(fēng)側(cè)與頂板的大。迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)的靜壓對(duì)導(dǎo)梁側(cè)面的面積積分疊加得到水平向左的側(cè)力,同理導(dǎo)梁升力向下。
圖10 靜壓分布云圖Fig. 10 Contour of static pressure distribution
1) 在強(qiáng)側(cè)風(fēng)與列車風(fēng)共同作用下,下導(dǎo)梁的氣動(dòng)力強(qiáng)側(cè)風(fēng)占95%以上,而列車風(fēng)的作用可以忽略不計(jì)。
2) 當(dāng)列車運(yùn)行方向跟強(qiáng)側(cè)風(fēng)運(yùn)動(dòng)方向一致時(shí),下導(dǎo)梁的側(cè)力及側(cè)傾力矩最大;反之,下導(dǎo)梁的側(cè)力及側(cè)傾力矩最小。
3) 導(dǎo)梁表面的氣動(dòng)性與測(cè)點(diǎn)至下軌道頂面的距離有關(guān);距離越近,風(fēng)速值、風(fēng)壓值就越大,反之就越小。
4) 列車風(fēng)經(jīng)過(guò)導(dǎo)梁時(shí),先是水平向下運(yùn)動(dòng),接著收到擠壓而向上運(yùn)動(dòng),最后因?yàn)榱熊嚨耐献ё饔盟较蛳逻\(yùn)動(dòng)。頭車鼻尖位于導(dǎo)梁正下方時(shí),列車風(fēng)與強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用的方向相同,導(dǎo)梁的側(cè)力及側(cè)力矩增大;尾車鼻尖位于導(dǎo)梁正下方時(shí),導(dǎo)梁的側(cè)力及側(cè)力矩變小。
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