郭薇薇，蔡保碩，婁亞烽，張慧彬

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京 100044)

隨著交通流量的日益增加及可征地面積的逐步減少，大跨度公鐵兩用雙層桁架斜拉橋成為目前跨江、跨海大橋設(shè)計(jì)的首選橋型。該結(jié)構(gòu)體系桿件眾多，空間性強(qiáng)，受力狀態(tài)較為復(fù)雜。由于設(shè)置了上、下雙層橋面，線路數(shù)量多，橋梁氣動(dòng)繞流十分復(fù)雜，不同的線路位置、同層及不同層線路之間的相互影響使得車(chē)輛、橋梁的氣動(dòng)特性可能發(fā)生顯著改變[1]。此外，由于橋塔的存在，加劇了橋面風(fēng)場(chǎng)的復(fù)雜性，塔柱尾流會(huì)使車(chē)輛進(jìn)、出橋塔區(qū)域時(shí)所受的氣動(dòng)力發(fā)生突變，從而嚴(yán)重影響車(chē)輛在橋上運(yùn)行的安全性和平穩(wěn)性[2 ? 3]。

近年來(lái)，已有一些學(xué)者對(duì)列車(chē)通過(guò)大跨度斜拉橋的車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性問(wèn)題開(kāi)展了風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究[1 ? 11]。李小珍等[4]和姚志勇等[5,12]分別從試驗(yàn)和數(shù)值出發(fā)，對(duì)動(dòng)車(chē)進(jìn)出及通過(guò)大跨度鋼桁梁時(shí)的車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性進(jìn)行了分析。鄭史雄等[2]、李小珍等[3]、李永樂(lè)等[6]、張楠等[7]考慮了大跨度橋梁橋塔區(qū)的風(fēng)環(huán)境問(wèn)題，對(duì)橋塔的遮風(fēng)效應(yīng)進(jìn)行了試驗(yàn)和數(shù)值研究。蘇洋等[8]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)研究了分離式公鐵雙層橋面橋梁上、下橋面間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)特性的影響。還有少量文獻(xiàn)關(guān)注到橋上同時(shí)存在兩列車(chē)的氣動(dòng)影響，如李永樂(lè)等[1]、邱曉為等[9]對(duì)鋼桁梁上雙車(chē)同層交會(huì)或異層共存時(shí)列車(chē)的三分力系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)洞測(cè)試。綜上所述，當(dāng)列車(chē)通過(guò)大跨度公鐵兩用桁架斜拉橋時(shí)，由于橋梁結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，橋上交通線路眾多，車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性十分復(fù)雜。但現(xiàn)有文獻(xiàn)多從某一角度對(duì)列車(chē)通過(guò)斜拉橋的氣動(dòng)特性進(jìn)行探討研究，而系統(tǒng)綜合地考慮公鐵交通的氣動(dòng)干擾、鐵路多線多車(chē)的交會(huì)效應(yīng)、橋塔區(qū)對(duì)不同線路上的列車(chē)的遮擋效應(yīng)等問(wèn)題鮮見(jiàn)報(bào)道。

針對(duì)這一現(xiàn)狀，本文對(duì)某新建大跨度公鐵兩用斜拉橋開(kāi)展了節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了不同工況下車(chē)輛和橋梁各自的氣動(dòng)力，較為全面地研究了單列車(chē)過(guò)橋時(shí)行車(chē)位置的影響、上層橋面公路交通對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)的氣動(dòng)干擾、橋塔遮擋效應(yīng)、雙車(chē)交會(huì)效應(yīng)及三車(chē)交會(huì)效應(yīng)等問(wèn)題。研究可為大跨度公鐵兩用桁架斜拉橋的動(dòng)力設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)，并為后續(xù)風(fēng)-車(chē)-橋系統(tǒng)動(dòng)力仿真計(jì)算提供有益的參數(shù)。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y(cè)試工況

1.1 試驗(yàn)方案及設(shè)備

風(fēng)洞試驗(yàn)在北京交通大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室高速試驗(yàn)段中進(jìn)行。該試驗(yàn)段尺寸為15 m(長(zhǎng))×3 m(寬)×2 m(高)。為了對(duì)車(chē)輛和橋梁各自的氣動(dòng)力進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，本試驗(yàn)分為橋梁模型的靜力實(shí)驗(yàn)和車(chē)輛模型的測(cè)壓實(shí)驗(yàn)兩部分。通過(guò)靜力實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得車(chē)橋系統(tǒng)整體的三分力，通過(guò)測(cè)壓實(shí)驗(yàn)可以測(cè)得列車(chē)的表面風(fēng)壓，通過(guò)換算得到作用在車(chē)輛上的三分力[13 ? 14]。最后通過(guò)力的合成定理計(jì)算得到作用在橋梁上的三分力。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由2 個(gè)五分力桿式測(cè)力天平、4～8 個(gè)ESP-64HD 微型壓力掃描模塊、1 個(gè)壓力掃描閥等組成。

橋梁模型兩端各通過(guò)一個(gè)桿式五分量測(cè)力天平與α 攻角轉(zhuǎn)盤(pán)相連，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)來(lái)精確控制來(lái)流風(fēng)與試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭g的夾角，從而可測(cè)得不同風(fēng)攻角下的車(chē)橋系統(tǒng)整體氣動(dòng)力。

列車(chē)模型通過(guò)螺栓固定在桁架下層橋面，采用電子壓力掃描閥測(cè)試車(chē)輛表面壓強(qiáng)。采樣時(shí)長(zhǎng)為80 s，采樣頻率為312.5 Hz。

1.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

某新建公鐵兩用長(zhǎng)江大橋主橋采用主跨為1092 m 的雙塔三索面斜拉橋。加勁梁為三片主桁的雙層橋面鋼桁梁。上層橋面設(shè)置雙向六車(chē)道高速公路，下層橋面設(shè)置四線有碴軌道。為了研究不同行車(chē)工況下車(chē)橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性，分別制作了桁架、橋塔、列車(chē)、汽車(chē)的縮尺模型，如圖1所示。

根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的斷面尺寸、列車(chē)和橋梁的實(shí)際尺寸以及阻塞率的要求，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比采用1∶80。如圖2 所示，桁梁模型長(zhǎng)2625 mm，寬438 mm，高223 mm；橋塔模型長(zhǎng)240 mm，寬200 mm，高1500 mm。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.1 Test models

圖2 列車(chē)-桁梁系統(tǒng)模型截面圖 /mm Fig.2 Train-truss girder system model section

列車(chē)模型以直達(dá)25T 列車(chē)為原型，采用1 節(jié)頭車(chē)+4 節(jié)車(chē)廂共5 節(jié)車(chē)輛編組的形式。忽略門(mén)把手、轉(zhuǎn)向架和輪對(duì)等細(xì)部結(jié)構(gòu)，外形上與實(shí)際車(chē)輛保持一致，以盡可能真實(shí)的來(lái)模擬實(shí)際氣流的繞流。為了較準(zhǔn)確的模擬車(chē)體下部的凈空區(qū)域，在每節(jié)車(chē)廂底部輪對(duì)的位置處布置了墊塊，對(duì)一節(jié)四軸車(chē)輛模型共設(shè)置了4 個(gè)墊塊，墊塊高12.5 mm。如圖3 所示，對(duì)車(chē)廂1～3 沿列車(chē)長(zhǎng)度方向等間距各布置三個(gè)測(cè)壓斷面，測(cè)壓面布置在車(chē)廂中部以避開(kāi)底部墊塊的干擾。每個(gè)測(cè)壓斷面各布置18 個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)，共有162 個(gè)風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)。

1.3 工況設(shè)置

試驗(yàn)來(lái)流為均勻流，湍流度小于0.5%。測(cè)試風(fēng)速為8 m/s ～15 m/s。試驗(yàn)攻角α 在?6°～+6°之間變化，變化步長(zhǎng)為2°。如圖4 所示，測(cè)試工況包括單列車(chē)通過(guò)桁梁、單列車(chē)通過(guò)橋塔、兩線列車(chē)及三線列車(chē)在桁梁上交會(huì)等，詳見(jiàn)表1。

圖3 列車(chē)表面風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)布置 /mm Fig.3 Arrangement of surface pressure taps of train

圖4 部分工況的風(fēng)洞測(cè)試照片F(xiàn)ig.4 Wind tunnel test photos of some cases

表1 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)工況Table 1 Wind tunnel test cases

1.4 數(shù)據(jù)處理方式

體軸坐標(biāo)系下，作用在橋梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的靜風(fēng)力由三部分組成：阻力FH(α)、升力FV(α)和力矩M(α)，定義如下：

式中：CH(α)、CV(α)、CM(α)分別為α 風(fēng)攻角時(shí)的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和力矩系數(shù)；ρ 為空氣密度，按1.225 kg/m3取值；U 為來(lái)流風(fēng)速；H、B、L 分別為節(jié)段模型的高度、寬度和長(zhǎng)度。

體軸坐標(biāo)系下，作用在車(chē)輛表面任一風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)上的靜風(fēng)力可表示為[13]：

式中：pi為第i 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)測(cè)得的壓強(qiáng)；dsi為相鄰測(cè)壓點(diǎn)之間的距離；di為第i 測(cè)壓點(diǎn)沿壓強(qiáng)方向距車(chē)體形心的垂直距離；θi為第i 個(gè)測(cè)壓點(diǎn)壓強(qiáng)方向與來(lái)流風(fēng)的夾角。對(duì)式(2)進(jìn)行積分可得到作用在車(chē)輛上的三分力。

2 單車(chē)-桁梁系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同來(lái)流風(fēng)速的影響

表2 對(duì)比了不同風(fēng)速下，零風(fēng)攻角時(shí)的車(chē)橋系統(tǒng)三分力系數(shù)，此時(shí)列車(chē)位于迎風(fēng)側(cè)線路1(見(jiàn)圖2)。從表2 可以看出，在8 m/s ～15 m/s 風(fēng)速下，車(chē)輛和桁梁的三分力系數(shù)較為接近，即當(dāng)風(fēng)速在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，其對(duì)車(chē)橋氣動(dòng)力特性的影響較小，可以忽略[14 ? 15]。這是由于橋梁斷面和列車(chē)斷面均較為鈍化，氣流繞流的分離位置較為固定，因此，在本文研究的風(fēng)速范圍內(nèi)，其對(duì)列車(chē)、桁梁的三分力系數(shù)影響不大，故而可取表中三分力系數(shù)的均值進(jìn)行分析。

表2 不同風(fēng)速下的車(chē)輛和桁梁的三分力系數(shù)Table 2 Tri-component coefficients of vehicle and truss vs wind speed

2.2 行車(chē)位置的影響

表3 給出了當(dāng)來(lái)流風(fēng)速為12 m/s、風(fēng)攻角為0°時(shí)，列車(chē)在不同線路上的車(chē)橋系統(tǒng)三分力系數(shù)的結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)列車(chē)位于迎風(fēng)側(cè)線路1 時(shí)，車(chē)輛和桁梁的阻力系數(shù)最大，而當(dāng)其位于背風(fēng)側(cè)線路4 時(shí)，車(chē)輛和桁梁的阻力系數(shù)最小。當(dāng)列車(chē)在線路1～線路4 順序移動(dòng)時(shí)，車(chē)輛的阻力系數(shù)依次減小了2%、9%、13%，桁梁的阻力系數(shù)依次減小了1%、2%、4%(以線路1 為基準(zhǔn))。和阻力系數(shù)相比，車(chē)輛和桁梁的升力及力矩系數(shù)數(shù)值較小，當(dāng)列車(chē)位于背風(fēng)側(cè)線路4 時(shí)，車(chē)輛的升力系數(shù)和桁梁的力矩系數(shù)達(dá)到最大；當(dāng)列車(chē)位于線路3 時(shí)，車(chē)輛的力矩系數(shù)和桁梁的升力系數(shù)達(dá)到最大。

表3 不同線路位置時(shí)車(chē)輛和桁梁的三分力系數(shù)Table 3 Tri-component coefficients of vehicle and truss vs track

圖5 對(duì)比了列車(chē)位于不同線路上，車(chē)輛三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的分布曲線。從圖5 可以看出，隨著風(fēng)攻角在?6°～+6°范圍內(nèi)的增大，車(chē)輛的阻力系數(shù)先減小后增大，數(shù)值大致按線路1～線路4的順序遞減。在線路1、線路2，車(chē)輛的升力系數(shù)為負(fù)，而在線路3、線路4，升力系數(shù)為正。當(dāng)列車(chē)位于線路4 時(shí)，車(chē)輛的升力系數(shù)值最大。此外，當(dāng)列車(chē)位于線路1、線路4 時(shí)，升力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化較為劇烈，而當(dāng)列車(chē)位于中間兩線路時(shí)，升力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化較為平緩。車(chē)輛的力矩系數(shù)除了在線路4 部分風(fēng)攻角(?6°～0°)下為正外，在其他線路均為負(fù)。對(duì)比四條線路可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)列車(chē)位于線路3 時(shí)，車(chē)輛的力矩系數(shù)值最大。

圖6 對(duì)比了列車(chē)在不同線路上，桁梁的三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的分布曲線。可以看出，當(dāng)風(fēng)攻角在?6°～+6°范圍內(nèi)變化時(shí)，橋梁的阻力系數(shù)先減小后增大，這是因?yàn)闅饬鞯母街恢檬茱L(fēng)攻角的影響，風(fēng)攻角越小，由此產(chǎn)生的剪切層就可以重新附著在橋面上，并形成渦旋，從而減小了橋梁的阻力系數(shù)。當(dāng)列車(chē)位于線路1 時(shí)，橋梁的阻力系數(shù)最大。隨著風(fēng)攻角的增大，橋梁的升力和力矩系數(shù)總體均先減小后增大，橋梁升力系數(shù)、力矩系數(shù)的最大值分別發(fā)生在列車(chē)位于線路3 和線路1 處。

2.3 橋塔的影響

如圖7 所示，為了研究橋塔對(duì)列車(chē)的遮擋效應(yīng)，將一列車(chē)布置在迎風(fēng)側(cè)線路1，車(chē)廂2 受橋塔遮擋。通過(guò)測(cè)試比較各車(chē)廂測(cè)壓面A～I(xiàn) 上的壓強(qiáng)來(lái)考慮橋塔的存在對(duì)不同車(chē)廂、同節(jié)車(chē)廂不同部位的影響。

圖5 不同線路車(chē)輛三分力系數(shù)Fig.5 Tri-component coefficients of vehicle at different tracks

圖6 桁梁三分力系數(shù)Fig.6 Tri-component force coefficients of truss girder

圖7 列車(chē)受橋塔遮擋示意圖Fig.7 Illustration of a train shielded by bridge tower

圖8 給出了測(cè)試風(fēng)速為8 m/s、風(fēng)攻角為0°時(shí)，車(chē)廂1～車(chē)廂3 各測(cè)壓斷面的表面風(fēng)壓分布。三節(jié)車(chē)廂的平均表面最大風(fēng)壓值分別為62.63 Pa、28.92 Pa 和57.77 Pa。可見(jiàn)，車(chē)廂2 由于受到橋塔的遮擋，相比未受遮擋的車(chē)廂，最大表面風(fēng)壓平均減小52%。但車(chē)廂2 靠近橋塔邊緣處的截面D、截面F 波動(dòng)較大。通過(guò)分析可知，截面D、截面E、截面F 風(fēng)壓曲線標(biāo)準(zhǔn)差分別為12.72、3.35、13.62。可見(jiàn)，當(dāng)車(chē)廂通過(guò)橋塔時(shí)，雖然車(chē)廂的平均表面風(fēng)壓顯著減小，但在車(chē)廂不同部位的表面風(fēng)壓出現(xiàn)了急劇變化，需考慮行車(chē)安全隱患。

圖8 車(chē)輛表面風(fēng)壓分布Fig.8 Distribution of surface wind pressure on vehicle

表4 對(duì)比了零攻角時(shí)，橋塔對(duì)車(chē)廂1～車(chē)廂3的三分力系數(shù)的影響?？梢钥闯觯捎跇蛩恼趽跣?yīng)，車(chē)廂2 的三分力系數(shù)遠(yuǎn)小于其他車(chē)廂，這與文獻(xiàn)[3]中的結(jié)論一致。和車(chē)廂1、車(chē)廂3 相比，車(chē)廂2 的阻力、升力及力矩系數(shù)平均減小了61%、67%、87%。

表4 橋塔對(duì)車(chē)輛的三分力系數(shù)的影響Table 4 Tower effects on vehicle tri-component coefficients

圖9 進(jìn)一步對(duì)比了當(dāng)一列車(chē)位于不同線路時(shí)，各車(chē)廂的三分力系數(shù)受塔區(qū)效應(yīng)的影響。從圖9 可以看出，當(dāng)列車(chē)在線路1～線路4 順序移動(dòng)時(shí)，車(chē)輛的阻力系數(shù)、力矩系數(shù)逐漸減小。在四條線路上，車(chē)廂2 的阻力系數(shù)只有車(chē)廂1 的39%、66%、81%和88%。力矩系數(shù)也只有車(chē)廂1的15%、26%、29%、30%，可見(jiàn)，迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛的阻力和力矩系數(shù)的變化率最大，表明迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛受橋塔的遮擋最顯著。此外，在線路1 和線路4上，車(chē)輛的升力系數(shù)波動(dòng)最大，車(chē)廂2 的升力系數(shù)分別只有車(chē)廂1 的26%和7%。

表5、表6 分別給出了考慮橋塔后，單獨(dú)桁梁及列車(chē)-桁梁系統(tǒng)三分力系數(shù)的變化?？梢钥闯?，由于橋塔的存在，單獨(dú)桁梁和列車(chē)-桁梁系統(tǒng)的阻力系數(shù)分別增大了15%和9%，單獨(dú)桁梁的升力系數(shù)由負(fù)轉(zhuǎn)正，數(shù)值增大了200%，這與文獻(xiàn)[16]中的結(jié)論相一致。考慮橋塔后，列車(chē)-桁梁系統(tǒng)的升力系數(shù)也由負(fù)轉(zhuǎn)正，但數(shù)值減小了75%。

2.4 公路車(chē)流的影響

為了研究上層橋面的公路交通對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響，在橋上隨機(jī)布置了三種汽車(chē)(小轎車(chē)、廂式貨車(chē)、大貨車(chē))模型，如圖10 所示。

圖11 對(duì)比了有、無(wú)公路交通時(shí)，來(lái)流風(fēng)速為10 m/s，車(chē)橋系統(tǒng)三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線。

從圖11 可以看出，當(dāng)風(fēng)攻角在?6°～+2°范圍內(nèi)變化，考慮公路交通后，車(chē)橋系統(tǒng)的阻力系數(shù)

較大；但當(dāng)風(fēng)攻角增至+4°及以上時(shí)，結(jié)果相反。負(fù)攻角時(shí)，考慮公路交通后，車(chē)橋系統(tǒng)升力系數(shù)增大，而正攻角時(shí)則相反。在?4°～+6°風(fēng)攻角范圍內(nèi)，公路交通的存在會(huì)使得車(chē)橋系統(tǒng)力矩系數(shù)有所減小，而當(dāng)風(fēng)攻角為?6°時(shí)則相反。零攻角時(shí)，考慮公路交通后的車(chē)橋系統(tǒng)阻力和升力系數(shù)分別增大了7%、200%，但力矩系數(shù)卻減小了102%。

圖9 車(chē)輛三分力系數(shù)隨線路位置的分布Fig.9 Vehicle tri-component force coefficients vs track position

表5 橋塔對(duì)單獨(dú)桁梁的三分力系數(shù)影響Table 5 Tower effects on tri-component coefficients of truss girder

表6 橋塔對(duì)列車(chē)-桁梁系統(tǒng)的三分力系數(shù)影響Table 6 Tower effects on tri-component coefficients of system

圖11 公路車(chē)流對(duì)橋梁三分力系數(shù)的影響Fig.11 Effect of road traffic flow on bridge tri-component coefficients

表7 給出了考慮公路車(chē)流后，單獨(dú)桁梁和列車(chē)-桁梁系統(tǒng)三分力系數(shù)的變化。從表7 可以看出，由于公路車(chē)流的存在，單獨(dú)桁架的阻力、升力和力矩系數(shù)變化不大，這與文獻(xiàn)[10]中的結(jié)論相一致。此外，考慮公路車(chē)流后，與單獨(dú)桁梁相比，列車(chē)-桁梁系統(tǒng)的阻力系數(shù)變化較小，但升力系數(shù)變化較大。

表7 公路車(chē)流對(duì)桁梁及車(chē)橋系統(tǒng)三分力系數(shù)的影響Table 7 Effects of road traffic flow on tri-component force coefficients of a single truss girder and vehicle-bridge system

3 雙車(chē)-桁梁系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

表8 給出了兩線列車(chē)在桁梁上交會(huì)時(shí)，來(lái)流風(fēng)速為12 m/s，零攻角下的車(chē)輛和桁梁的三分力系數(shù)?？梢钥闯觯苡L(fēng)側(cè)列車(chē)的遮擋，背風(fēng)側(cè)列車(chē)的氣動(dòng)力有所減??；隨著雙車(chē)橫向交會(huì)間距的增大，兩列列車(chē)的阻力和升力系數(shù)均逐漸增大；迎風(fēng)側(cè)列車(chē)的力矩系數(shù)也隨交會(huì)間距的增大而增大，而背風(fēng)側(cè)列車(chē)力矩系數(shù)卻先減小后增大。當(dāng)背風(fēng)側(cè)列車(chē)在線路2～線路4 上順序移動(dòng)時(shí)，迎風(fēng)側(cè)列車(chē)的阻力系數(shù)分別增大了3%、21%，背風(fēng)側(cè)列車(chē)的阻力系數(shù)也分別增大了62%、81%。對(duì)比桁梁的三分力系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雙車(chē)分別位于線路1、線路3 時(shí)，桁梁的阻力和升力系數(shù)達(dá)到最大。

表8 雙車(chē)交會(huì)時(shí)車(chē)橋系統(tǒng)的三分力系數(shù)Table 8 Tri-component force coefficients of vehicle-bridge system when two trains meet on bridge

圖12 給出了雙車(chē)橫向交會(huì)間距對(duì)車(chē)輛阻力系數(shù)的影響。由圖12 可知，當(dāng)風(fēng)攻角在?6°～+6°范圍內(nèi)變化時(shí)，迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛的阻力系數(shù)為正，呈先減小后增大的趨勢(shì)，最大值發(fā)生在線路1、線路4交會(huì)時(shí)。而背風(fēng)側(cè)車(chē)輛的阻力系數(shù)為負(fù)，變化趨勢(shì)大體同迎風(fēng)側(cè)，最大值也發(fā)生在線路1、線路4交會(huì)時(shí)。隨著列車(chē)橫向交會(huì)間距的增大，背風(fēng)側(cè)車(chē)輛的阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線波動(dòng)逐漸增大。

圖12 交會(huì)間距對(duì)車(chē)輛阻力系數(shù)的影響Fig.12 Train meeting spacing effects on vehicle drag coefficient

4 三車(chē)-桁梁系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果分析

表9 給出了桁梁上有三線列車(chē)交會(huì)時(shí)，來(lái)流風(fēng)速為12 m/s，零攻角下的車(chē)輛和桁梁的三分力系數(shù)?？梢钥闯觯捎谑艿接L(fēng)側(cè)車(chē)輛的遮擋，位于線路2 和線路3 上的車(chē)輛阻力系數(shù)顯著下降，與線路1 相比，數(shù)值分別減小了65%、76%。由于受氣流擾流和反射的影響，中間線路車(chē)輛的阻力系數(shù)為負(fù)數(shù)。線路1 上車(chē)輛的升力系數(shù)最大，線路3 上車(chē)輛的力矩系數(shù)最大。

表9 三車(chē)交會(huì)時(shí)車(chē)橋系統(tǒng)的三分力系數(shù)Table 9 Tri-component force coefficients of vehicle-bridge system when three trains meet on bridge

對(duì)比表3、表6 和表7 的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，隨著橋上列車(chē)數(shù)量的增加，桁梁的阻力系數(shù)逐漸增大。三車(chē)交會(huì)(線路1、線路2、線路3)時(shí)，橋梁的阻力系數(shù)比單車(chē)通過(guò)(線路1)、雙車(chē)交會(huì)(線路1、線路2)時(shí)分別增大了13%、9%；桁梁的升力系數(shù)與單車(chē)和雙車(chē)工況反向，數(shù)值增大了50%；桁梁的力矩系數(shù)則基本保持不變。

圖13 三車(chē)交會(huì)時(shí)的車(chē)輛三分力系數(shù)Fig.13 Vehicle tri-component coefficients when three trains meet

圖13 給出了車(chē)輛的三分力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化曲線。從圖13 可以看出，當(dāng)風(fēng)攻角在?6°～+6°范圍內(nèi)增大時(shí)，線路1、線路3 上車(chē)輛的阻力系數(shù)均為正，隨風(fēng)攻角變化趨勢(shì)為先減小后增大，且線路3 的變化幅度較線路1 平坦；線路2 上車(chē)輛的阻力系數(shù)為負(fù)，隨風(fēng)攻角變化趨勢(shì)也為先減小后增大。車(chē)輛在三條線路上的升力系數(shù)從高到低的順序?yàn)椋壕€路1、線路3、線路2。車(chē)輛在線路2上的升力系數(shù)不僅數(shù)值最小，且隨風(fēng)攻角的變化也最小。車(chē)輛在三條線路上的力矩系數(shù)從高到低的順序?yàn)椋壕€路3、線路1、線路2，隨風(fēng)攻角的增大呈先減小后增大趨勢(shì)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某大跨度公鐵兩用桁架斜拉橋進(jìn)行節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了復(fù)雜交通狀態(tài)下車(chē)橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)一列車(chē)通過(guò)橋梁時(shí)，車(chē)輛和桁梁的阻力系數(shù)隨其從迎風(fēng)側(cè)線路1 向背風(fēng)側(cè)線路4 的移動(dòng)而逐漸減小。但車(chē)輛的升力系數(shù)及桁梁的力矩系數(shù)在背風(fēng)側(cè)軌道達(dá)到最大。

(2)當(dāng)一列車(chē)通過(guò)橋塔區(qū)域時(shí)，受遮擋車(chē)廂的平均表面風(fēng)壓會(huì)顯著減小，相比未受遮擋的車(chē)廂平均減小52%，車(chē)輛的阻力、升力及力矩系數(shù)則相應(yīng)減小了61%、67%、87%。車(chē)輛越靠近迎風(fēng)側(cè)軌道，橋塔的遮擋效應(yīng)越明顯。但車(chē)廂靠近橋塔邊緣處的表面風(fēng)壓波動(dòng)劇烈，且受遮擋車(chē)廂不同部位之間的風(fēng)壓變化也很顯著，需進(jìn)一步分析行車(chē)安全隱患。

(3)上層橋面的公路車(chē)流對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性有所影響。零攻角時(shí)，阻力和升力系數(shù)分別增大了7%、200%，而力矩系數(shù)減小了102%。

(4)當(dāng)橋上有兩線列車(chē)交會(huì)時(shí)，受迎風(fēng)側(cè)車(chē)輛的遮擋，背風(fēng)側(cè)車(chē)輛的氣動(dòng)力有所減小。隨著雙車(chē)橫向交會(huì)間距的增大，兩列車(chē)的阻力和升力系數(shù)以及迎風(fēng)側(cè)列車(chē)的力矩系數(shù)逐漸增大，而背風(fēng)側(cè)列車(chē)的力矩系數(shù)呈先減小后增大。當(dāng)雙車(chē)分別位于迎風(fēng)側(cè)線路1 和背風(fēng)側(cè)線路4 交會(huì)時(shí)最為不利，此時(shí)車(chē)輛受到的阻力、升力和力矩最大，且方向相反。

(5)當(dāng)橋上有三線列車(chē)交會(huì)時(shí)，位于迎風(fēng)側(cè)列車(chē)后方的兩線列車(chē)由于受到遮擋導(dǎo)致阻力系數(shù)顯著下降。中間車(chē)由于受到氣流擾流和反射等作用使得車(chē)輛的阻力系數(shù)為負(fù)數(shù)。此外，中間車(chē)的升力系數(shù)最小且隨風(fēng)攻角的變化也最小。隨著橋上列車(chē)數(shù)量的增加，桁梁的阻力和升力系數(shù)逐漸增大，而力矩系數(shù)基本保持不變。