操金鑫，秦宇輝，曹曙陽(yáng)，葛耀君

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092；2. 同濟(jì)大學(xué)橋梁工程系，上海 200092；3. 同濟(jì)大學(xué)橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

雖然我國(guó)龍卷風(fēng)的發(fā)生頻次不及美國(guó)，但其造成的人員傷亡、房屋損毀等影響并不亞于美國(guó)[1]。近幾年來(lái)，我國(guó)又發(fā)生多起嚴(yán)重的局地強(qiáng)風(fēng)事件，尤其是“東方之星”和鹽城龍卷風(fēng)事件引起了全社會(huì)的關(guān)注。我國(guó)學(xué)者開(kāi)始高度關(guān)注龍卷風(fēng)等局地強(qiáng)風(fēng)特性[2]及其結(jié)構(gòu)致災(zāi)機(jī)理[3-4]。對(duì)比單體結(jié)構(gòu)物，鐵路等具有網(wǎng)絡(luò)分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)設(shè)施遭受龍卷風(fēng)襲擊的概率更大。2005 年，日本就發(fā)生過(guò)龍卷風(fēng)造成列車(chē)脫軌傾覆的重大事故[5]。另外，根據(jù)1961 年-2010 年的50 年間氣象資料統(tǒng)計(jì)顯示，我國(guó)龍卷風(fēng)多發(fā)區(qū)，特別是EF2 級(jí)以上強(qiáng)龍卷集中在江蘇省，其次為同處沿海的上海、廣東、海南等省市[6]。而這些區(qū)域正是我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)最為密集的地區(qū)之一。因此，對(duì)于位于龍卷風(fēng)多發(fā)區(qū)的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)，有必要開(kāi)展高速列車(chē)等網(wǎng)絡(luò)元件在龍卷風(fēng)作用下的風(fēng)荷載特性研究，為科學(xué)評(píng)價(jià)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)的龍卷風(fēng)災(zāi)害特征、保障在龍卷風(fēng)等局地強(qiáng)風(fēng)作用下路網(wǎng)運(yùn)營(yíng)安全提供科學(xué)依據(jù)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)列車(chē)和高速列車(chē)在橫風(fēng)作用下的氣動(dòng)力特性開(kāi)展了大量的研究[7-9]，并分析了路堤和路塹[10]，以及高架橋梁[11-14]對(duì)列車(chē)氣動(dòng)力特性的影響，證明了風(fēng)屏障對(duì)于保障橫風(fēng)作用下列車(chē)行車(chē)安全的效果[15-17]。劉慶寬[18]提出了強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車(chē)運(yùn)行安全保障體系的建立流程，該流程涵蓋了龍卷風(fēng)等局地強(qiáng)風(fēng)風(fēng)速的獲取。然而，相比橫風(fēng)作用，針對(duì)龍卷風(fēng)等局地強(qiáng)風(fēng)作用下的列車(chē)和高速列車(chē)氣動(dòng)力特性的研究尚處在探索階段[19-20]，通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)識(shí)別風(fēng)荷載還未見(jiàn)報(bào)道。本文考慮高架橋的作用，通過(guò)剛體模型測(cè)壓實(shí)驗(yàn)高速列車(chē)在龍卷風(fēng)氣流作用下的氣動(dòng)力特征，分析是否設(shè)置風(fēng)屏障和風(fēng)屏障高度對(duì)氣動(dòng)力特性的影響規(guī)律和作用機(jī)理。

1 高速列車(chē)龍卷風(fēng)荷載識(shí)別剛體模型測(cè)壓實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

實(shí)驗(yàn)車(chē)輛原型為我國(guó)復(fù)興號(hào)CR400AF 型電力動(dòng)車(chē)組列車(chē)。該型號(hào)列車(chē)8 節(jié)編組的長(zhǎng)度為209 m，其中，頭車(chē)和尾車(chē)長(zhǎng)度為27.91 m，統(tǒng)一車(chē)體長(zhǎng)度為25 m。車(chē)體最大寬度為3.36 m，車(chē)輛高度為4.05 m。

實(shí)驗(yàn)中，采用列車(chē)原型8 節(jié)編組的3 節(jié)車(chē)廂作為列車(chē)模型。根據(jù)龍卷風(fēng)渦核尺寸與實(shí)際龍卷風(fēng)的縮尺關(guān)系，確定模型縮尺比為1∶160。測(cè)壓模型沿列車(chē)軸線(xiàn)方向共布置測(cè)壓點(diǎn)24 層，每層間距20 mm～21 mm，如圖1(a)所示。每層沿車(chē)體周向共布置測(cè)點(diǎn)8 個(gè)～12 個(gè)，如圖1(b)所示，總測(cè)壓點(diǎn)數(shù)280 個(gè)。

圖 1 高速列車(chē)測(cè)壓模型Fig.1 Pressure-tapped model of high-speed train

我國(guó)高速鐵路橋梁比例極大，列車(chē)基本全線(xiàn)運(yùn)行在橋梁上。以京滬高鐵為例，橋梁244 座，占據(jù)正線(xiàn)長(zhǎng)度的80.47%。因此，實(shí)驗(yàn)中考慮了線(xiàn)路中的橋梁對(duì)高速列車(chē)氣動(dòng)力的影響。高架橋模型采用跨徑31.5 m 無(wú)砟軌道預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁 (雙線(xiàn)) 型式，橫斷面如圖2 所示。列車(chē)模型位于雙線(xiàn)軌道的一側(cè)線(xiàn)路上。此外，為研究風(fēng)屏障的設(shè)置對(duì)于龍卷風(fēng)作用下高速列車(chē)氣動(dòng)力的影響，本文考慮了3 種不同高度的實(shí)心風(fēng)屏障，并將其結(jié)果與僅設(shè)置普通混凝土欄桿的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。欄桿尺寸及風(fēng)屏障相對(duì)列車(chē)的高度如圖3 所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室的移動(dòng)式龍卷風(fēng)模擬器 (圖4) 中開(kāi)展。該裝置由三個(gè)同軸圓筒構(gòu)成，風(fēng)機(jī)和導(dǎo)流板位于裝置頂部，氣流經(jīng)風(fēng)機(jī)吸收，通過(guò)導(dǎo)流板和外圍圓筒，在升降平臺(tái)與蜂窩網(wǎng)間形成龍卷風(fēng)渦旋。

如圖4 所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)定模擬器轉(zhuǎn)速為1500 rpm，收束層高度固定為H=500 mm。模擬器頂部導(dǎo)流板角度θv定為50°，龍卷風(fēng)氣流渦流比Sr 由下式計(jì)算：

圖 2 列車(chē)-高架橋斷面示意圖Fig.2 Train-viaduct system

圖 3 欄桿及風(fēng)屏障示意圖Fig.3 Railing and wind screen

圖 4 龍卷風(fēng)模擬器及實(shí)驗(yàn)參數(shù) /mm Fig.4 Tornado simulator and experiment parameters

式中，r0為上升氣流半徑250 mm。計(jì)算得到本實(shí)驗(yàn)采用的渦流比為0.30。

在開(kāi)展列車(chē)模型測(cè)壓試驗(yàn)前，首先對(duì)試驗(yàn)中的龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定 (無(wú)試驗(yàn)?zāi)Ｐ? 。圖5為整個(gè)風(fēng)場(chǎng)中龍卷風(fēng)平均切向風(fēng)速沿徑向和高度方向的分布情況，其中，x 方向測(cè)試范圍為-300 mm～300 mm，z 方向范圍為0～400 mm，圖5 還標(biāo)明了列車(chē)高度與整個(gè)測(cè)試區(qū)域高度的相對(duì)關(guān)系。切向風(fēng)速在渦核中心處最小，在渦核半徑處達(dá)到最大，在超出渦核半徑區(qū)域外又逐漸減小。風(fēng)場(chǎng)測(cè)試中，最大平均切向風(fēng)速Umax為11.04 m/s，該值作為后續(xù)計(jì)算氣動(dòng)力系數(shù)的參考風(fēng)速。

圖 5 平均切向風(fēng)速分布 /(m/s) Fig.5 Mean tangential wind speed

與邊界層強(qiáng)風(fēng)作用下的列車(chē)氣動(dòng)力測(cè)試不同，龍卷風(fēng)作用下列車(chē)氣動(dòng)力將隨龍卷風(fēng)氣流中心的變化而變化，因此本文主要關(guān)注的實(shí)驗(yàn)參數(shù)之一就是模擬器中心相對(duì)列車(chē)的位置。針對(duì)本文主要討論的頭車(chē)A，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)自左向右移動(dòng)龍卷風(fēng)模擬器的可移動(dòng)風(fēng)扇部分來(lái)改變相對(duì)距離x(x = -200 mm ～ 200 mm) ，通過(guò)在垂直于模擬器移動(dòng)路徑方向平移測(cè)試模型來(lái)改變y (y = -250 mm ～150 mm) ，共計(jì)170 個(gè)龍卷風(fēng)中心相對(duì)位置工況，如圖6 所示。

圖 6 龍卷風(fēng)中心位置工況 /mmFig.6 Locations of tornado center in experiments

實(shí)驗(yàn)中，風(fēng)速比取為1∶10，因此時(shí)間比為1∶16。對(duì)于每一個(gè)龍卷風(fēng)中心位置工況，開(kāi)展靜態(tài)龍卷風(fēng)氣流作用下靜止列車(chē)斷面同步測(cè)壓。每個(gè)工況的采樣時(shí)間為37.5 s，對(duì)應(yīng)實(shí)際時(shí)間為10 min；采樣頻率為300 Hz。

1.3 氣動(dòng)力系數(shù)定義

列車(chē)表面任一測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓系數(shù)Cp,k可通過(guò)壓力測(cè)量值pk確定，并用參考風(fēng)壓將其歸一化：

式中：p0是遠(yuǎn)離龍卷風(fēng)場(chǎng)且不受其影響的大氣靜壓，其值約為0；ρ 為空氣密度(1.225 kg/m3)；Umax為風(fēng)場(chǎng)最大切向風(fēng)速11.04 m/s。

對(duì)于布有測(cè)壓點(diǎn)的各斷面，可以通過(guò)對(duì)該斷面各測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓系數(shù)積分計(jì)算該斷面的斷面風(fēng)力系數(shù)。如圖7 所示，對(duì)于測(cè)壓孔i，在微元dsi上的阻力dfxi、升力dfzi和傾覆力矩dmyi在單位長(zhǎng)度上的表達(dá)式為：

圖 7 斷面風(fēng)力系數(shù)定義 /mm Fig.7 Definition of sectional force coefficients

將各點(diǎn)的單位dfxi、dfzi和dmyi求矢量和，并選取對(duì)應(yīng)的參考尺寸和參考風(fēng)壓對(duì)其進(jìn)行歸一化，可得該斷面的斷面風(fēng)力系數(shù) (含斷面阻力系數(shù)Cfx、升力系數(shù)Cfz和傾覆力矩系數(shù)Cmy) ：

式中：fx、fz和my分別為該斷面的阻力、升力和傾覆力矩的合力；hT和bT分別為列車(chē)車(chē)廂的高度和寬度。

如圖8 所示，對(duì)于整節(jié)車(chē)廂，將車(chē)廂中心作為y 軸0 點(diǎn)，通過(guò)對(duì)各斷面風(fēng)力在車(chē)廂全長(zhǎng)上積分，求得車(chē)廂的整體風(fēng)力 (矩) (包括阻力Fx、升力Fz、傾覆力矩My、俯仰力矩Mx和橫擺力矩Mz這5 個(gè)分量) ，以及它們對(duì)應(yīng)的整體風(fēng)力 (矩)系數(shù) (CFx、CFz、CMy、CMx和CMz) ：

式中：lT為列車(chē)車(chē)廂的長(zhǎng)度；dsj為j 斷面的代表長(zhǎng)度；dj為該斷面與車(chē)體中心的間距。

圖 8 整體風(fēng)力系數(shù)定義Fig.8 Definition of total force coefficients

2 龍卷風(fēng)作用下列車(chē)氣動(dòng)力特性

2.1 采用欄桿的結(jié)果

圖9 為高架橋采用混凝土欄桿時(shí)A 車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)的五個(gè)分量隨龍卷風(fēng)中心位置變化的情況。圖中的x 軸和y 軸坐標(biāo)值分別為龍卷風(fēng)中心在x 方向和y 方向的位置與渦核半徑之比。當(dāng)渦核中心從左向右移動(dòng)時(shí)，整體阻力系數(shù)CFx和整體側(cè)傾力矩系數(shù)CMy的值由負(fù)變?yōu)檎?，但它們的值的分布并不關(guān)于y 軸對(duì)稱(chēng)(x/rc= 0)。這說(shuō)明受龍卷風(fēng)氣流與列車(chē)、高架橋等線(xiàn)狀結(jié)構(gòu)間的相互作用，列車(chē)風(fēng)荷載分布不存在類(lèi)似龍卷風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)分布特征。最不利的CFx和CMy值分別為-0.82 和-0.52。測(cè)試區(qū)域內(nèi)的整體升力系數(shù)CFz均為正，表明在龍卷風(fēng)氣流作用下列車(chē)將受到明顯的升力，其最不利值為0.88，且同樣不關(guān)于y 軸對(duì)稱(chēng)。巧合的是，測(cè)試結(jié)果顯示，盡管整體阻力和升力系數(shù)的分布特征不同，但它們的最不利值所對(duì)應(yīng)的龍卷風(fēng)渦核中心位置相同，均為x/rc= -0.41 和y/rc=-2.16。

圖 9 采用欄桿時(shí)A 車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)隨龍卷風(fēng)中心位置的變化Fig.9 Variation of total force coefficients for Train A due to location of tornado center (with railing)

2.2 采用風(fēng)障的結(jié)果

圖10 為將高架橋的混凝土欄桿換成2.2 m 高的實(shí)心風(fēng)屏障后，龍卷風(fēng)中心位于不同位置對(duì)應(yīng)的A 車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)。通過(guò)對(duì)比圖9 和圖10 可以發(fā)現(xiàn)，采用風(fēng)障后，列車(chē)的整體阻力和整體升力系數(shù)的最不利值 (絕對(duì)值) 均比采用欄桿時(shí)有明顯減小 (分別為-0.51 和0.59) ，且對(duì)應(yīng)最不利整體阻力和升力系數(shù)發(fā)生時(shí)的龍卷風(fēng)中心位置也不相同。由于整體傾覆力矩系數(shù)主要是整體阻力系數(shù)的貢獻(xiàn)，因此整體傾覆力矩系數(shù)的最不利值也有所減小。但需要指出，由于風(fēng)障的存在，整體俯仰力矩和橫擺力矩系數(shù)的最不利值相比欄桿的工況有明顯增大。

2.3 風(fēng)障高度對(duì)整體風(fēng)力系數(shù)最不利值的影響

針對(duì)實(shí)驗(yàn)采用的2.2 m、2.7 m、3.2 m 三種不同高度的風(fēng)屏障，圖11 比較了三者對(duì)應(yīng)的列車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)最不利值的區(qū)別。圖中的虛線(xiàn)表示采用欄桿情況下A 車(chē)的最不利整體風(fēng)力系數(shù)。由于整體俯仰力矩系數(shù)CMx和橫擺力矩系數(shù)CMz的最不利值發(fā)生了變號(hào)，因此將最不利值的絕對(duì)值顯示在圖中。

當(dāng)風(fēng)屏障高度為3.2 m 時(shí)，最不利整體阻力和傾覆力矩系數(shù)的絕對(duì)值雖比采用欄桿時(shí)小，但相對(duì)2.2 m 和2.7 m 風(fēng)障顯著增大，分別達(dá)到0.66和0.46。隨著風(fēng)障高度的增加，最不利整體升力系數(shù)逐漸減小。三種風(fēng)障高度條件下的整體俯仰力矩和橫擺力矩系數(shù)最不利值均大于采用欄桿時(shí)的結(jié)果。其中，整體俯仰力矩系數(shù)的最不利值隨高度變化不明顯，而整體橫擺力矩系數(shù)的最不利值隨風(fēng)障高度的增加而增大。

圖 10 采用2.2 m 風(fēng)屏障時(shí)A 車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)隨龍卷風(fēng)中心位置的變化Fig.10 Variation of total force coefficients for Train A due to location of tornado center (with 2.2 m high wind screen)

圖 11 風(fēng)屏障高度對(duì)A 車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)最不利值的影響Fig.11 Variation of unfavorable total force coefficients for Train A due to height of wind screen

需要指出，增加風(fēng)障高度基本不改變最不利整體風(fēng)力系數(shù)對(duì)應(yīng)的龍卷風(fēng)中心位置，即圖10 的分布形狀不隨風(fēng)障高度改變，不再列出另2 種高度結(jié)果。

3 龍卷風(fēng)對(duì)列車(chē)氣動(dòng)力作用機(jī)理

第2 節(jié)總結(jié)了采用欄桿和采用風(fēng)障情況下列車(chē)在龍卷風(fēng)氣流作用下的氣動(dòng)力系數(shù)分布規(guī)律，對(duì)比了兩種情況下的最不利龍卷風(fēng)中心位置，分析了風(fēng)障高度對(duì)最不利氣動(dòng)力系數(shù)的影響。本節(jié)通過(guò)相應(yīng)情況下的車(chē)身表面風(fēng)壓系數(shù)和斷面風(fēng)力系數(shù)分布，對(duì)產(chǎn)生上述變化規(guī)律的機(jī)理進(jìn)一步分析。

3.1 最不利龍卷風(fēng)中心位置的對(duì)比

采用欄桿情況下，A 車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)的最不利位置如圖12(a)所示。此時(shí)，A 車(chē)位于逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的龍卷風(fēng)氣流的迎風(fēng)側(cè)，迎風(fēng)的右側(cè)受正壓作用，背風(fēng)的左側(cè)受負(fù)壓作用。疊加上龍卷風(fēng)造成的氣壓降作用后，A 車(chē)左側(cè)面受到的負(fù)壓明顯強(qiáng)于右側(cè)，造成整體阻力系數(shù)的最不利值，如圖13所示。尤其是在渦核半徑與列車(chē)交界處的第4 層和第5 層斷面上，由于切向風(fēng)速最大，斷面左右側(cè)面壓差也最大。而采用風(fēng)障后，受風(fēng)障的遮蔽作用，切向來(lái)流的氣動(dòng)作用明顯減弱，導(dǎo)致列車(chē)左右側(cè)面的壓差減小。

圖 12 A 車(chē)氣動(dòng)力的最不利龍卷風(fēng)中心位置Fig.12 Most unfavorable location of tornado center for Car A

當(dāng)采用2.2 m 高風(fēng)屏障時(shí)，A 車(chē)整體阻力和升力系數(shù)的最不利位置分別位于圖12(b)所示的D1點(diǎn)和D2 點(diǎn)處。當(dāng)龍卷風(fēng)中心位于D1 點(diǎn)時(shí)，A 車(chē)已經(jīng)位于渦核半徑以外。此時(shí)A 車(chē)的風(fēng)壓分布如圖14 所示。旋轉(zhuǎn)氣流經(jīng)過(guò)風(fēng)障后發(fā)生了分離，其在風(fēng)障背風(fēng)區(qū)和列車(chē)迎風(fēng)區(qū)產(chǎn)生的尾流對(duì)列車(chē)表面繞流產(chǎn)生作用，導(dǎo)致列車(chē)左側(cè)迎風(fēng)面的負(fù)壓增大和左右兩側(cè)面的壓差加劇，從而產(chǎn)生阻力和傾覆力矩系數(shù)的最不利值。列車(chē)表面最不利風(fēng)壓系數(shù)發(fā)生在靠近渦核半徑與風(fēng)障交界點(diǎn)處的第4斷面。

當(dāng)龍卷風(fēng)中心位于圖12(b)所示的D2 點(diǎn)時(shí)，A 車(chē)整體升力系數(shù)最大，對(duì)應(yīng)的表面風(fēng)壓分布如圖15 所示。由于A(yíng) 車(chē)靠近龍卷風(fēng)中心，風(fēng)場(chǎng)中心的最不利氣壓降造成了列車(chē)上表面負(fù)壓作用最大。同時(shí)，由于列車(chē)下表面距離鐵軌的空間很小，造成下表面負(fù)壓的絕對(duì)值相對(duì)上表面差異明顯。需要指出，由于靠近渦核中心處切向風(fēng)速很小，且風(fēng)障對(duì)切向風(fēng)速有遮蔽作用，此時(shí)的整體阻力和傾覆力矩系數(shù)接近零值。

圖 13 采用欄桿時(shí)龍卷風(fēng)中心位于最不利位置C1 處A 車(chē)的表面風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.13 Pressure distributions across Train A when tornado center is located at most unfavorable location C1 (with railing)

3.2 整體俯仰和橫擺力矩系數(shù)最不利值的變化

2.2 節(jié)已經(jīng)提到，在整體風(fēng)力系數(shù)的五個(gè)分量中，采用風(fēng)障將降低整體阻力、升力系數(shù)，以及傾覆力矩系數(shù)，但整體俯仰和橫擺力矩系數(shù)的最不利值卻比采用欄桿時(shí)增大。圖16 分析了造成這兩個(gè)分量最不利值增大的原因。圖中的兩條曲線(xiàn)分別對(duì)應(yīng)了采用欄桿和采用風(fēng)障時(shí)發(fā)生最不利值對(duì)應(yīng)的斷面風(fēng)力系數(shù)。由于兩種情況下發(fā)生最不利值的龍卷風(fēng)中心位置不同，因此這兩組值對(duì)應(yīng)的是不同龍卷風(fēng)中心位置的結(jié)果。

由于整體俯仰力矩系數(shù)CMx是斷面升力系數(shù)Cfz對(duì)x 軸取矩并歸一化的結(jié)果，因此，它體現(xiàn)了列車(chē)車(chē)身前半段各斷面風(fēng)力系數(shù)與后半段結(jié)果間的差異。顯然，采用風(fēng)屏障時(shí)，前半車(chē)身與后半車(chē)身斷面升力系數(shù)Cfz間的差異變大，導(dǎo)致整體俯仰力矩系數(shù)CMx的最不利值增大。同理，與采用欄桿相比，在最不利整體橫擺力矩系數(shù)對(duì)應(yīng)的龍卷風(fēng)中心位置，風(fēng)屏障使得前半車(chē)身與后半車(chē)身斷面阻力系數(shù)Cfx數(shù)值差異變大，從而使得整體橫擺力矩系數(shù)CMz的最不利值增大。

圖 14 采用2.2 m 高風(fēng)屏障時(shí)龍卷風(fēng)中心位于最不利位置D1 處A 車(chē)的表面風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.14 Pressure distributions across Train A when tornado center is located at most unfavorable location D1 (2.2 m wind screen)

圖 15 采用2.2 m 高風(fēng)屏障時(shí)龍卷風(fēng)中心位于最不利位置D2 處A 車(chē)的表面風(fēng)壓系數(shù)分布Fig.15 Pressure distributions across Train A when tornado center is located at most unfavorable location D2 (2.2 m wind screen)

圖 16 整體俯仰力矩和橫擺力矩系數(shù)最不利值對(duì)應(yīng)的A 車(chē)斷面風(fēng)力系數(shù)Fig.16 Sectional force coefficients corresponding to most unfavorable total pitching and yawing moment coefficients for Car A

4 結(jié)論

針對(duì)我國(guó)高速列車(chē)車(chē)型和高鐵線(xiàn)路最常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)跨徑簡(jiǎn)支箱梁橋型式，利用龍卷風(fēng)氣流模擬器，開(kāi)展了模擬龍卷風(fēng)氣流作用下靜止高速列車(chē)氣動(dòng)力識(shí)別剛體模型測(cè)壓實(shí)驗(yàn)，研究了龍卷風(fēng)作用下列車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)、斷面風(fēng)力系數(shù)和表面風(fēng)壓系數(shù)分布等氣動(dòng)力特征，對(duì)比了采用欄桿和采用風(fēng)屏障時(shí)的列車(chē)氣動(dòng)力參數(shù)和荷載作用機(jī)理，研究結(jié)論有助于我國(guó)高速鐵路等網(wǎng)絡(luò)型基礎(chǔ)設(shè)施抗龍卷風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)參考。

(1) 獲取了考慮高架橋影響的列車(chē)氣動(dòng)力參數(shù)，對(duì)比了采用混凝土欄桿和采用風(fēng)屏障時(shí)氣動(dòng)力參數(shù)數(shù)值及其隨龍卷風(fēng)中心位置變化的規(guī)律。其中，采用風(fēng)屏障將減小列車(chē)的整體阻力系數(shù)、升力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)最不利值，但會(huì)增加整體俯仰力矩和橫擺力矩系數(shù)最不利值。

(2) 通過(guò)分析采用混凝土欄桿和風(fēng)屏障時(shí)列車(chē)整體風(fēng)力系數(shù)最不利值對(duì)應(yīng)的龍卷風(fēng)中心位置發(fā)生變化的原因，首次探究了龍卷風(fēng)作用下“氣流-車(chē)-橋-欄桿 (風(fēng)屏障) ”間的相互作用機(jī)制。

(3) 本文采用的三種風(fēng)屏障高度均使列車(chē)整體阻力系數(shù)、升力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)相對(duì)采用欄桿時(shí)降低，但同時(shí)也會(huì)帶來(lái)俯仰力矩系數(shù)和橫擺力矩系數(shù)增大的不利影響。此外，對(duì)于整體阻力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)，最低的風(fēng)屏障高度 (2.2 m)效果最好，最高的風(fēng)屏障高度 (3.2 m) 效果最差。上述規(guī)律可為風(fēng)屏障抗風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。