甄謝友，蘇 洋，向活躍，李永樂

(西南交通大學(xué) 橋梁工程系，四川 成都 610031)

為提高橋梁通行能力，緩解交通壓力，大跨度跨江跨海大橋常采用公鐵兩用的結(jié)構(gòu)形式。以鋼桁架為主體框架，橋面采用整體性鋼橋面板結(jié)構(gòu)，橋面板與下弦桿連為整體，這種主梁結(jié)構(gòu)具有較好的整體性、空間利用能力和合理受力性能，成為公鐵兩用橋梁首選形式。如主跨312 m的蕪湖長江公鐵兩用斜拉橋[1]和主跨504 m的武漢天興洲長江公鐵兩用斜拉橋[2]。另一方面，公鐵兩用鋼桁架橋斷面較為復(fù)雜，上下2個橋面相互影響，在側(cè)風(fēng)作用下當(dāng)車輛通過時流場變化顯著。因此為了提高車輛的行車安全性，橋面上通常要設(shè)置風(fēng)屏障。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)屏障的防風(fēng)效果進(jìn)行了廣泛研究。在國內(nèi)，白璐等[3]采用CFD數(shù)值模擬方法，研究防風(fēng)柵的設(shè)置位置對小轎車、大客車和大貨車的氣動特性的影響，提出防風(fēng)柵的最佳設(shè)置方案，并推薦了設(shè)計臨界風(fēng)速。蘇洋等[4]通過風(fēng)洞試驗研究分離式公鐵雙層橋面橋梁上、下橋面間氣動干擾效應(yīng)對列車氣動效應(yīng)的影響，分析了間隔高度的改變引起鐵路橋面風(fēng)速剖面以及列車氣動力系數(shù)的變化。向活躍等[5]通過風(fēng)洞試驗分析風(fēng)屏障的孔徑和開孔形狀對車輛氣動特性的影響，討論了圓孔形風(fēng)屏障與縱條形風(fēng)屏障的相似性。何旭輝等[6-7]基于同步測壓技術(shù)，研究了風(fēng)屏障對典型車橋組合狀態(tài)下列車的風(fēng)壓分布和各面氣動力分布特征的影響，并從流體力學(xué)角度解釋了風(fēng)屏障的氣動影響機理。唐煜[8]針對風(fēng)屏障的典型參數(shù)(透風(fēng)率、高度、形狀等)對列車氣動性能的影響做了一系列研究，最后給出高速列車行車安全評價。

在國外，COLEMAN等[9]通過縮尺模型風(fēng)洞試驗，測試了不同風(fēng)屏障情況下車輛的氣動特性，研究結(jié)果表明，風(fēng)屏障能有效降低車輛氣動力，但是對于圓弧形車頂?shù)能囕v，其對雷諾數(shù)較為敏感，因此要予以適當(dāng)修正。ARGENTINI等[10]通過風(fēng)洞試驗測試設(shè)置風(fēng)屏障前后，車輛通過橋塔附近時的氣動特性，得到了貨車瞬態(tài)的氣動導(dǎo)數(shù)，提出在后續(xù)的研究工作中應(yīng)該考慮移動車輛的情況，進(jìn)而對靜止車輛情況進(jìn)行修正。TELENTA等[11]研究了風(fēng)屏障的障條傾斜角度對車輛氣動特性的影響，以車輛所受側(cè)向力最小為目標(biāo)，優(yōu)化了障條的間距及傾斜角度。FUJII等[12-13]針對日本鐵路沿線橋梁區(qū)段上的列車氣動力進(jìn)行了一系列研究，分析了不同列車及橋梁類型的影響，提出了減少風(fēng)致列車事故的措施。

然而，這些研究多針對單一橋面，其橋梁斷面通常為箱形結(jié)構(gòu)，僅部分針對公鐵兩用橋，對于公鐵兩用桁架橋設(shè)置風(fēng)屏障后對車輛氣動力及局部風(fēng)場影響的研究相對較少。本文以某公鐵兩用鋼桁架海峽大橋為背景，通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗分別研究了設(shè)置風(fēng)屏障對橋面局部風(fēng)場的影響，以及對公路車輛和鐵路列車氣動力的影響，證明了風(fēng)屏障在公鐵兩用鋼桁架橋中的良好防風(fēng)效果。

1 模型風(fēng)洞試驗及測試方法

某海峽大橋是跨徑組合為(48+6×80+48)m的連續(xù)梁桁架橋。主梁為倒梯形鋼桁架，桁架高13 m，寬34.5 m。橋面系采用帶有U形肋和縱梁加勁肋的正交異性板，公路橋面板為雙向六車道；鐵路橋面板上方為道砟槽及其他附屬設(shè)施，為雙線鐵路。

試驗在西南交通大學(xué)XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞進(jìn)行，為滿足阻塞率要求，主梁節(jié)段和車輛模型、風(fēng)屏障模型的幾何縮尺比均為1∶20，采用優(yōu)質(zhì)木材制作，保證模型具有足夠的強度，且外形上保持幾何相似。試驗過程中主梁節(jié)段不發(fā)生變形且不出現(xiàn)明顯的振動現(xiàn)象以保證測量的精度。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D1。

圖1 試驗?zāi)Ｐ?/p>

公路風(fēng)屏障高度為3.5 m，透風(fēng)率為50%(以下簡稱P1)，風(fēng)屏障形式為縱條式，間距為71 mm，制作模型時采用塑料板雕刻而成。鐵路風(fēng)屏障高度為3.5 m，透風(fēng)率為36.5%(以下簡稱P2)，為圓孔式風(fēng)屏障，按等效透風(fēng)率進(jìn)行模擬。模型中孔隙直徑為8 mm，采用鋁板制作，來流風(fēng)攻角為0°。風(fēng)屏障模型見圖2。

圖2 風(fēng)屏障模型

試驗時，采用量程為5 kg的天平直接測試車輛的氣動特性。試驗風(fēng)速分為6,8,10 m/s，以校核測試結(jié)果，最終以高風(fēng)速下的氣動力系數(shù)為定值。車輛風(fēng)荷載的測量如圖3所示。

實際中，汽車及列車可能同時出現(xiàn)，但上下橋面的間隔較高，列車高度有限，列車與汽車間的氣動干擾較小，因此忽略列車與汽車共存的情況。由于汽車的類型多，本文僅采用3種典型的車輛(大貨車、小貨車、客車)進(jìn)行風(fēng)洞試驗。3種汽車模型設(shè)計參數(shù)見表1。

圖3 風(fēng)荷載的測量(單位：mm)

汽車類型前投影面積/cm2總長/cm重心高度/cm大貨車197.9877.18.5小貨車175.3152.17.5客車156.9838.47.0

測試時同一車道布置3輛汽車(見圖1)以保證測試車輛前后的繞流特征相似，汽車間距為50 cm。采用CRH2列車，由3節(jié)車組成，中間段為測試段，兩端為輔助模型，以減小測試模型端部的繞流影響。

汽車受力如圖4所示。

圖4 汽車受力示意

由于汽車長度較小，三維繞流效應(yīng)明顯，所以汽車的五分力系數(shù)為[14]

式中：CL,CS,CMP,CMY,CMR分別為汽車的升力系數(shù)、側(cè)向力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)、橫擺力矩系數(shù)、側(cè)翻力矩系數(shù)；FL,FS,MP,MY,MR分別為汽車所受到的升力、側(cè)向力、俯仰力矩、橫擺力矩、側(cè)翻力矩；A為汽車沿軸向向車頭方向正投影的面積；l為車輛總長；q=0.5ρU2，ρ為 空氣密度，U為平均風(fēng)速。

列車長度較長，屬于線狀結(jié)構(gòu)，可簡化為二維節(jié)段模型，三分力系數(shù)為[15]

式中：CH,CV,CM分別為列車的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、力矩系數(shù)；H,B,L分別為列車節(jié)段模型的高度、寬度、長度；FH,FV,FM分別為體軸坐標(biāo)系下的阻力、升力、力矩。本試驗中，CRH2列車模型寬、高分別為169，175 mm，長度與橋梁節(jié)段模型長度相同。

列車受力如圖5所示。

圖5 列車受力示意

由于車輛氣動特性與橋面風(fēng)場存在緊密聯(lián)系，為進(jìn)一步研究車輛氣動力的變化規(guī)律，對橋面風(fēng)場進(jìn)行了測試，測點布置于不同車道中心和軌道中心。其中，公路橋面設(shè)置18個測點，鐵路橋面設(shè)置12個測點，測點的布置見圖6。測試時，來流風(fēng)速為10 m/s，測試時間為60 s。

圖6 橋面風(fēng)剖面測點布置(單位：m)

2 測試結(jié)果分析

2.1 風(fēng)屏障對汽車的影響

有無風(fēng)屏障時大貨車在不同車道的五分力系數(shù)見圖7。

圖7 大貨車在不同車道的氣動力系數(shù)

由圖7(a)可知：無風(fēng)屏障時，汽車的側(cè)向力系數(shù)隨車道位置的內(nèi)移先降低后增加，在1～3車道的變化趨勢較為顯著，在4～6車道的變化趨勢則較為平緩。設(shè)置風(fēng)屏障以后，汽車的側(cè)向力系數(shù)減小明顯，且隨車道位置的變化趨勢較為平緩。

由圖7(b)和圖7(c)可知:無風(fēng)屏障時，汽車的升力系數(shù)和側(cè)翻力矩系數(shù)隨車道位置的內(nèi)移先增加后減小，然后再增加后減小，呈現(xiàn)出 M形的變化規(guī)律。設(shè)置風(fēng)屏障以后，汽車的升力系數(shù)和側(cè)翻力矩系數(shù)均降低，且側(cè)翻力矩系數(shù)降低較明顯。

由圖7(d)和圖7(e)可知：無風(fēng)屏障時汽車的橫擺力矩系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)絕對值在1,2車道最大，整體上數(shù)值較小且隨車道位置的變化較為平緩，設(shè)置風(fēng)屏障能夠減小二者數(shù)值但不顯著。

圖8 設(shè)置風(fēng)屏障后3種汽車的氣動力系數(shù)

設(shè)置風(fēng)屏障后3種汽車的氣動力系數(shù)見圖8。由圖8可知，對于側(cè)向力系數(shù)，大貨車在各個車道均最大，而小貨車在各個車道均最小；而升力系數(shù)、側(cè)翻力矩系數(shù)、橫擺力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)的數(shù)值相對較小，變化范圍不大且無明顯規(guī)律。這可能是因為受風(fēng)屏障的影響，汽車所受到的風(fēng)荷載明顯減小，且3種車輛外形相差不大，所受氣動力差異不大，導(dǎo)致氣動力系數(shù)變化不明顯。

為解釋風(fēng)屏障對公路車輛氣動特性的影響，圖9和圖10分別給出了無風(fēng)屏障和設(shè)置風(fēng)屏障P1時公路橋面不同車道處的橫橋向平均風(fēng)速，以及設(shè)置風(fēng)屏障后風(fēng)速沿車道的水平分布。其中y為測點距橋面的距離，h為風(fēng)屏障高度。

圖9 不同車道處橫橋向的平均風(fēng)速

圖10 設(shè)置風(fēng)屏障后風(fēng)速沿車道的水平分布

由圖9可知：無論設(shè)置風(fēng)屏障與否，6個車道貼近橋面附近處風(fēng)速均較低，這是由于水管、防撞護(hù)欄等結(jié)構(gòu)物的遮擋效應(yīng)所致。不同車道處，隨著高度的增加，橫橋向風(fēng)速均逐漸增加。無風(fēng)屏障情況下，迎風(fēng)側(cè)1～3車道，當(dāng)y/h=0.9左右時，風(fēng)速趨于穩(wěn)定值(11 m/s左右)；背風(fēng)側(cè)4～6車道，當(dāng)y/h=1.1左右時，風(fēng)速趨于穩(wěn)定值(11 m/s左右)。設(shè)置風(fēng)屏障P1在一定程度上降低了橋面橫橋向的風(fēng)速，在風(fēng)屏障遮擋范圍內(nèi)(y/h≤1.0)，橋面橫橋向風(fēng)速較低，超過風(fēng)屏障防風(fēng)范圍后橋面橫橋向風(fēng)速隨著高度的增加而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定值(11 m/s左右)。因為車輛在風(fēng)屏障防風(fēng)范圍內(nèi)，所以車輛所受風(fēng)荷載減小，五分力系數(shù)相應(yīng)減小。

由圖10可知，在不同高度處，風(fēng)速沿車道的分布不同。當(dāng)y/h=0.4時，風(fēng)速沿車道呈現(xiàn)減小趨勢，且減小幅度越來越小；當(dāng)y/h=0.4，0.8,1.2時，風(fēng)速沿車道先減小，然后在5，6車道處有增大的趨勢，可能是因為該處高度與風(fēng)屏障高度接近，距離風(fēng)屏障較遠(yuǎn)的5，6車道受風(fēng)屏障的影響減小。而公路車輛的高度在0.9h以內(nèi)，導(dǎo)致其所受風(fēng)荷載先減小，然后略微增大，直接影響了側(cè)向力系數(shù)的變化趨勢。另外，無論設(shè)置風(fēng)屏障與否，橋面各個車道處的豎向風(fēng)速均較低，說明風(fēng)屏障對豎向風(fēng)速無明顯影響。

2.2 風(fēng)屏障對列車的影響

有無風(fēng)屏障情況下，鐵路軌面迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)的橫橋向平均風(fēng)速分布見圖11。可以看出無論是否設(shè)置風(fēng)屏障，貼近橋面附近處風(fēng)速均較低，這是由于橋梁附屬結(jié)構(gòu)物的遮擋效應(yīng)。在一定范圍內(nèi)橫橋向平均風(fēng)速隨高度的增加而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定值(11 m/s左右)。設(shè)置風(fēng)屏障后，橫橋向平均風(fēng)速降低明顯，在風(fēng)屏障防風(fēng)高度范圍(y/h≤1.0左右)內(nèi)，橋面橫橋向平均風(fēng)速較低，超過防風(fēng)區(qū)域后，隨著高度的增加，來流風(fēng)速逐漸增大并趨于穩(wěn)定值(11 m/s)。

圖11 不同軌道處橫橋向的平均風(fēng)速分布

鐵路橋面列車在迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的三分力系數(shù)見表2?？梢?，當(dāng)列車位于橋梁迎風(fēng)側(cè)，設(shè)置風(fēng)屏障后列車氣動力系數(shù)較無風(fēng)屏障均有所降低，阻力系數(shù)降低了56.1%，升力系數(shù)降低了36.3%。當(dāng)列車位于橋梁背風(fēng)側(cè)，設(shè)置風(fēng)屏障以后的列車氣動力系數(shù)較無風(fēng)屏障均有所降低，列車的阻力系數(shù)降低了53.4%，升力系數(shù)降低了73.9%。這表明，風(fēng)屏障對迎風(fēng)和背風(fēng)側(cè)車輛阻力系數(shù)的折減率基本接近，但對升力系數(shù)的折減率有較大的差異，風(fēng)屏障對背風(fēng)側(cè)車輛的防風(fēng)效果更好。此外，有無風(fēng)屏障情況下力矩系數(shù)均較小，相差不大。

表2 鐵路橋面列車三分力系數(shù)

綜上所述，設(shè)置風(fēng)屏障后，橋面橫橋向風(fēng)速顯著降低，且迎風(fēng)側(cè)降低程度比背風(fēng)側(cè)大，列車所受風(fēng)荷載減小，導(dǎo)致三分力系數(shù)減小，說明風(fēng)屏障起到了較好的防護(hù)效果，能提高列車行車安全性能。

3 結(jié)論

以某公鐵兩用鋼桁架海峽大橋為背景，通過風(fēng)洞試驗，研究了風(fēng)屏障對公路橋面不同車道、不同類型車輛及鐵路橋面列車氣動力和局部風(fēng)場的影響。主要結(jié)論如下：

1)風(fēng)屏障有效降低了公路和鐵路橋面以上局部區(qū)域風(fēng)速，且對迎風(fēng)側(cè)車道以上區(qū)域的降低作用大于背風(fēng)側(cè)車道的。

2)對于公路橋面，設(shè)置風(fēng)屏障后車輛側(cè)向力系數(shù)、側(cè)翻力矩系數(shù)顯著降低，橫擺力矩系數(shù)、升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)一定程度上降低。風(fēng)屏障對大貨車氣動特性的降低程度相對于小貨車和客車較顯著，迎風(fēng)側(cè)車道的降低程度相對于背風(fēng)側(cè)較顯著。

3)對于鐵路橋面，風(fēng)屏障對迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)車輛阻力系數(shù)的折減率較為接近，但風(fēng)屏障對升力系數(shù)的折減率差異較大，對背風(fēng)側(cè)升力系數(shù)降低程度更大。

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