劉葉，王方立，韓艷，胡朋

風(fēng)屏障對平層公鐵橋上列車防風(fēng)效果分析

劉葉1，王方立2，韓艷1，胡朋1

(1. 長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2. 中國路橋工程有限責(zé)任公司，北京 100011)

為探討風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，對側(cè)風(fēng)作用下平層公鐵橋梁?列車?風(fēng)屏障系統(tǒng)氣動(dòng)特性進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究，針對兩類風(fēng)屏障的不同透風(fēng)率和高度對不同風(fēng)偏角下橋上中間列車的三分力系數(shù)進(jìn)行測試，研究了風(fēng)屏障在不同風(fēng)偏角下的傾覆力矩系數(shù)的折減系數(shù)。研究結(jié)果表明：風(fēng)屏障在橋面上安裝位置不同，對列車氣動(dòng)力特性影響有明顯區(qū)別；設(shè)置風(fēng)屏障能夠有效減小作用在車輛上的三分力系數(shù)，給橋上列車提供更有利的行駛環(huán)境；風(fēng)屏障的透風(fēng)率比高度對列車氣動(dòng)特性的影響要大。無風(fēng)屏障作用時(shí)，側(cè)風(fēng)下單車上游時(shí)列車的傾覆力矩系數(shù)最大，受風(fēng)荷載影響最顯著。由于上游車的擋風(fēng)作用，雙車交會(huì)時(shí)下游列車三分力系數(shù)較小，受風(fēng)屏障和風(fēng)偏角影響也較小。風(fēng)偏角在0°～15°時(shí)，風(fēng)屏障透風(fēng)率和高度對風(fēng)屏障防風(fēng)效果影響不明顯；風(fēng)偏角60°≤≤90°時(shí)，設(shè)置風(fēng)屏障A的風(fēng)速折減率要大于設(shè)置風(fēng)屏障B的，防風(fēng)效果更佳。

風(fēng)屏障；公鐵平層橋面；車?橋系統(tǒng)；風(fēng)洞試驗(yàn)；氣動(dòng)力系數(shù)

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，側(cè)風(fēng)作用下列車的行駛安全引起了人們的廣泛關(guān)注[1?2]。橋梁相對于地面高度較大，橋面處風(fēng)速較大[3]，增大了橋上列車的風(fēng)荷載。車橋耦合作用也會(huì)增大列車的動(dòng)力響應(yīng)，加大了橋上行車的不安全性。為了降低大風(fēng)天氣橋上列車發(fā)生事故的可能性，在強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的橋上均會(huì)設(shè)置風(fēng)屏障[4]，改善橋上的風(fēng)環(huán)境，提高列車的行駛速度和安全系數(shù)。因此，風(fēng)屏障對橋上列車行車防風(fēng)性能的研究具有重要意義。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者針對風(fēng)屏障的防風(fēng)性能進(jìn)行了大量研究。蘇洋[5]等人針對分離式公鐵雙層橋面橋梁?列車?風(fēng)屏障系統(tǒng)氣動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了有無風(fēng)屏障對列車的氣動(dòng)力系數(shù)的影響，討論了間隔高度對列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響情況。向活躍[6]等人利用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬2種方法，分別對風(fēng)屏障作用下橋梁和列車的氣動(dòng)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，研究表明：軌道上方的流場分布和車輛風(fēng)荷載受風(fēng)屏障高度和透風(fēng)率影響較大。何旭輝[7]等人采用同步測壓方法，分析了風(fēng)屏障對典型車橋組合狀態(tài)下列車的風(fēng)壓分布特征，從流體力學(xué)角度解釋了風(fēng)屏障的氣動(dòng)效應(yīng)機(jī)理。Telenta[8]等人通過改變風(fēng)屏障的障條傾斜角度，對車輛氣動(dòng)特性進(jìn)行了研究，以車輛所受最小側(cè)向力為目標(biāo)，對障條間距及傾斜角度進(jìn)行了優(yōu)化。Papesch[9]通過風(fēng)洞試驗(yàn)對鐵路橋上風(fēng)屏障防風(fēng)性能進(jìn)行分析，研究了風(fēng)屏障形式對車輛傾覆力矩的影響，并得到了合理的風(fēng)屏障形式。Suzuki[10]等人研究了風(fēng)屏障的防風(fēng)性能，表明：路基、橋梁等下部結(jié)構(gòu)及周圍地貌等因素對風(fēng)屏障高度、透風(fēng)率等參數(shù)最優(yōu)值的選取有影響，可通過風(fēng)洞試驗(yàn)確定。張佳文[11]等人通過風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了不同風(fēng)屏障高度與透風(fēng)率，以及風(fēng)偏角對橋上高速列車氣動(dòng)系數(shù)的影響情況。這些研究中橋梁斷面大多為箱形結(jié)構(gòu)，橋面單一，僅部分針對分層或分離式公鐵兩用橋。對于不同風(fēng)偏角下風(fēng)屏障對公鐵平層橋上列車氣動(dòng)特性的影響研究還未見報(bào)道。列車在側(cè)風(fēng)環(huán)境中行駛，氣動(dòng)特性與風(fēng)偏角有關(guān)，運(yùn)行速度和風(fēng)速的改變會(huì)使發(fā)生變化，對不同風(fēng)偏角下風(fēng)屏障的防風(fēng)性能研究具有現(xiàn)實(shí)意義。

公鐵平層橋梁結(jié)構(gòu)較公鐵分層橋梁或一般公路橋梁結(jié)構(gòu)面寬，橋上汽車、列車與橋梁間的氣動(dòng)干擾較其他橋梁有顯著不同，還需考慮風(fēng)屏障的影響。因此，開展公鐵平層橋梁?列車?風(fēng)屏障系統(tǒng)間的相互氣動(dòng)干擾研究，非常有意義。本研究以某公鐵平層大跨度斜拉橋?yàn)檠芯繉ο?，擬對兩類風(fēng)屏障考慮風(fēng)屏障透風(fēng)率和高度的影響下，對不同風(fēng)偏角的橋上中間列車的三分力系數(shù)進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)?；谠囼?yàn)結(jié)果，對比分析2種風(fēng)屏障下橋上列車的氣動(dòng)特性。計(jì)算橋上列車的傾覆力矩系數(shù)，研究不同風(fēng)偏角下風(fēng)屏障的透風(fēng)率和高度，探討風(fēng)屏障防風(fēng)效果的影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

1.1 測試模型及裝置

試驗(yàn)在長沙理工大學(xué)大型邊界層風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)室包括水平回流高風(fēng)速試驗(yàn)段(高速試驗(yàn)段)和直流低風(fēng)速試驗(yàn)段(低速試驗(yàn)段)。高速試驗(yàn)段的尺寸為寬4.0 m×高3.0 m×長21 m，風(fēng)速范圍為1.0～45.0 m/s。低速試驗(yàn)段的尺寸為寬10.0 m×高3.0 m×長21.0 m，風(fēng)速范圍為1.0～18.0 m/s。本次試驗(yàn)在高速試驗(yàn)段內(nèi)的均勻流場中完成，試驗(yàn)風(fēng)速為11.5 m/s。

模型為某平層公鐵兩用大橋，橋梁中間為雙線鐵路，線間距為4.6 m，鐵路兩邊是雙向6車道的高速公路，公路與鐵路之間設(shè)防護(hù)欄。試驗(yàn)中所有節(jié)段模型均采用1/43的幾何縮尺比。列車原型為CRH2型客車(中間列車)，列車模型尺寸長2 300.0 mm×寬78.6 mm×高81.4 mm。橫風(fēng)作用下外形復(fù)雜的頭車三維繞流特性顯著。中間車輛的外形相對比較規(guī)則，可通過測壓積分得到氣動(dòng)力，精度可得到保證[12?13]，其結(jié)果可反映整車的氣動(dòng)力?？s尺后的主梁與列車斷面組合如圖1所示。上游列車布置6個(gè)測壓斷面，下游列車布置2個(gè)測壓斷面，圖2的測壓斷面4為列車中心，每個(gè)測壓斷面有30個(gè)測壓點(diǎn)，列車測壓斷面及測壓孔布置如圖2,3所示。

采用等效透風(fēng)率法進(jìn)行風(fēng)屏障縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)，保持透風(fēng)率相同的情況下，通過適當(dāng)增加孔徑，而減少開孔數(shù)量。風(fēng)屏障A采用方形孔，布置在最外側(cè)防護(hù)欄所在位置；風(fēng)屏障B采用圓孔形，布置在內(nèi)側(cè)防護(hù)欄所在位置。本試驗(yàn)主要針對這2種類型風(fēng)屏障(如圖4,5所示)，3種透風(fēng)率(20%、40%和60%)和3種高度(3.0 m、3.5 m和4.0 m)，研究其對車?橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響。

橋梁采用2臺(tái)六分量應(yīng)變天平測量氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩，而列車采用原裝進(jìn)口美國PSI DTC Initium 電子壓力掃描閥，512通道自由組合選用64通道/塊×8塊，各壓力測量通道精度為0.06%，參考點(diǎn)的風(fēng)速由皮托管測量得到。試驗(yàn)中，采樣時(shí)長60 s，采樣頻率330 Hz。

圖1 車?橋斷面組合縮尺圖(單位：mm)

圖2 列車測壓斷面(單位：mm)

圖3 列車測壓孔布置

1.2 試驗(yàn)工況及數(shù)據(jù)處理

為研究列車所在位置、雙車交會(huì)及不同風(fēng)屏障組合對列車?橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)力的影響。試驗(yàn)在均勻流場中以風(fēng)速11.5 m/s進(jìn)行，僅考慮0°風(fēng)攻角，風(fēng)偏角為0°～90°，間距為15°，逐一測試不同工況下中間列車的三分力系數(shù)。

圖4 方形風(fēng)屏障A不同透風(fēng)率

圖5 圓形風(fēng)屏障B不同透風(fēng)率

本試驗(yàn)主要考慮單獨(dú)設(shè)置風(fēng)屏障A和B對橋上中間列車氣動(dòng)特性的影響。主要試驗(yàn)工況為單車上游(工況1)、單車下游(工況2)、雙車交會(huì)上游(工況3)和雙車交會(huì)下游(工況4)。

壓力系數(shù)反映結(jié)構(gòu)某一點(diǎn)的受力情況。為研究列車受到的整體氣動(dòng)力，將壓力系數(shù)對面積積分，得到列車的三分力系數(shù)。氣動(dòng)力系數(shù)可以用體軸坐標(biāo)系或風(fēng)軸坐標(biāo)系表示，本試驗(yàn)選擇風(fēng)軸坐標(biāo)系下的靜力三分力系數(shù)為[14]：

式中：D、L和M分別為風(fēng)軸系下模型的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)；、、分別為模型的高、寬、長；D、L、分別為風(fēng)軸系下模型受到的側(cè)力、升力和力矩，由風(fēng)壓積分得到；為來流平均風(fēng)速。

2 車?橋?風(fēng)屏障系統(tǒng)的列車氣動(dòng)特性測試結(jié)果分析

2.1 風(fēng)屏障安裝位置對列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響

風(fēng)屏障的方形開孔方式與圓形開孔方式對列車氣動(dòng)特性影響相差不大[4]。因此，對比風(fēng)屏障A和風(fēng)屏障B時(shí)，可近似為相同風(fēng)屏障透風(fēng)率。研究風(fēng)屏障不同安裝位置對列車氣動(dòng)特性的影響，僅考慮風(fēng)屏障與列車之間的間距為變量。

工況1～4在A、B 兩類風(fēng)屏障下，氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化情況(風(fēng)屏障高3.0 m，透風(fēng)率40%)如圖6所示。從圖6中可以看出，由于風(fēng)屏障A和風(fēng)屏障B在橋上安裝的位置不同，兩類風(fēng)屏障對中間列車氣動(dòng)力系數(shù)影響有明顯區(qū)別。風(fēng)偏角小于45°時(shí)，工況1～3與風(fēng)屏障B組合，其列車的側(cè)力系數(shù)和扭矩系數(shù)的絕對值均小于與風(fēng)屏障A組合的；風(fēng)偏角大于45°時(shí)，設(shè)置風(fēng)屏障A的列車三分力系數(shù)的絕對值更小。雙車交會(huì)下游車的側(cè)力系數(shù)在4種測試工況中最小，主要是由于上游車的擋風(fēng)作用，使得雙車交會(huì)下游車的側(cè)力系數(shù)和扭矩系數(shù)基本不受風(fēng)屏障類型影響，僅隨風(fēng)偏角發(fā)生微小變化。設(shè)置風(fēng)屏障B時(shí)，在工況1～3下列車三分力系數(shù)的絕對值均隨風(fēng)偏角的增大而增大，列車迎風(fēng)面與背風(fēng)面的壓差和車體頂部與底部的壓差均隨風(fēng)偏角的增大而變大，使得列車受到的側(cè)力和升力較大。單車上游與雙車交會(huì)上游車的側(cè)力系數(shù)一致，表明：雙車交會(huì)下游車對上游車的干擾作用不明顯，而單車上游的三分力系數(shù)要大于單車下游的，風(fēng)屏障對列車氣動(dòng)力的影響機(jī)理與列車所處上下游位置相關(guān)。設(shè)置風(fēng)屏障A時(shí)，在工況1～3工況下，列車的側(cè)力系數(shù)隨風(fēng)偏角影響趨勢一致，升力系數(shù)和阻力系數(shù)隨偏角變化規(guī)律性不強(qiáng)。4種測試工況在橫風(fēng)作用下，與風(fēng)屏障A組合能更有效降低列車的三分力系數(shù)。

2.2 風(fēng)屏障透風(fēng)率對列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響

單車上游時(shí)，列車氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率和風(fēng)偏角的變化情況(風(fēng)屏障高3.0 m，工況1)如圖7所示。從圖7中可以看出，風(fēng)屏障能有效改善側(cè)風(fēng)作用下橋上列車氣動(dòng)性能，提高列車在大風(fēng)環(huán)境下的運(yùn)行安全。風(fēng)偏角大于30°時(shí)，單車上游，列車的側(cè)力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大而增大，小透風(fēng)率的風(fēng)屏障承受了較多側(cè)向風(fēng)荷載。風(fēng)屏障透風(fēng)率為60%時(shí)，A、B兩類風(fēng)屏障下，列車的側(cè)力系數(shù)曲線吻合，表明：此時(shí)列車迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓差只與風(fēng)屏障的透風(fēng)率有關(guān)。設(shè)置風(fēng)屏障B時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)和升力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化趨勢與無風(fēng)屏障時(shí)的相似，均隨風(fēng)偏角的增大而增大。設(shè)置風(fēng)屏障A時(shí)，風(fēng)偏角小于30°，風(fēng)屏障透風(fēng)率的大小對列車三分力系數(shù)沒影響；當(dāng)風(fēng)偏角大于75°時(shí)，能更有效降低列車的三分力系數(shù)。

圖7 單車上游列車在不同風(fēng)屏障透風(fēng)率下的三分力系數(shù)

90°橫風(fēng)下，列車4種工況隨風(fēng)屏障A的透風(fēng)率變化的情況(風(fēng)屏障高3.0 m)如圖8所示。4種測試工況下的列車側(cè)力系數(shù)均隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大而增大。風(fēng)屏障透風(fēng)率依次增加20%時(shí)，列車側(cè)力系數(shù)發(fā)生等比例增長。在工況1～3下，風(fēng)屏障透風(fēng)率從40%上升到60%時(shí)，列車的升力系數(shù)劇增。表明：風(fēng)屏障的透風(fēng)率越小，車頂部與底部的壓力差越小，列車升力會(huì)大幅度減小。單車上游和單車下游的列車扭矩系數(shù)受風(fēng)屏障透風(fēng)率的影響一致。雙車交會(huì)下游時(shí)，列車在不同透風(fēng)率影響下，升力系數(shù)和扭矩系數(shù)的變化趨勢相同，均在透風(fēng)率為40%時(shí)最小。

2.3 風(fēng)屏障高度對列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響

單車上游時(shí)，列車的三分力系數(shù)隨風(fēng)屏障高度和風(fēng)偏角的變化情況(風(fēng)屏障透風(fēng)率40%，工況1)如圖9所示。從圖9中可以看出，單車上游時(shí)，列車的側(cè)力系數(shù)隨著風(fēng)屏障高度的增大而減小。由于列車迎風(fēng)面的正壓和背風(fēng)面的負(fù)壓均在減小，使得列車側(cè)力減小。與圖7相比，風(fēng)屏障透風(fēng)率的大小比高度對列車氣動(dòng)特性的影響要大。設(shè)置風(fēng)屏障B時(shí)，列車的三分力系數(shù)的絕對值隨風(fēng)偏角的增大而增大，列車的升力系數(shù)在風(fēng)屏障高度為3.5 m時(shí)最小。表明：列車頂部和底部壓力差隨風(fēng)屏障的高度變化有一個(gè)先減小后增大的過程。隨著風(fēng)偏角的增大，設(shè)置風(fēng)屏障A列車的氣動(dòng)力系數(shù)會(huì)更小，對列車在橫風(fēng)下行駛更有利。

90°橫風(fēng)下，列車4種測試工況隨風(fēng)屏障A高度的變化情況(風(fēng)屏障透風(fēng)率為40%)如圖10所示。

圖8 橫風(fēng)下列車三分力系數(shù)隨風(fēng)屏障A透風(fēng)率變化情況

從圖10中可以看出，當(dāng)風(fēng)屏障高度超過3.5 m時(shí)，單車下游列車的側(cè)力系數(shù)不發(fā)生變化，列車迎風(fēng)面與背風(fēng)面壓力的變化不明顯。雙車交會(huì)下游列車的扭矩系數(shù)為正值，與其他3種測試工況相反。單車上游和雙車交會(huì)上游列車的側(cè)力系數(shù)和扭矩系數(shù)受風(fēng)屏障高度的影響趨勢相同。列車4種測試工況下，升力系數(shù)隨風(fēng)屏障高度的變化規(guī)律不明顯。

3 風(fēng)屏障防風(fēng)效果研究

高速列車在強(qiáng)側(cè)風(fēng)下發(fā)生傾覆，主要是高速列車側(cè)力、升力和二者共同產(chǎn)生的傾覆力矩過大造成的。傾覆力矩反映列車在橫風(fēng)作用下的傾覆性能，是衡量列車橫風(fēng)穩(wěn)定性最重要的指標(biāo)。為了探討風(fēng)屏障的防風(fēng)效果，可以用三分力系數(shù)分量來定義列車的傾覆力矩系數(shù)[15]，其表達(dá)式為：

圖9 單車上游列車在不同風(fēng)屏障高度下的三分力系數(shù)

式中：x和y分別為升力臂和阻力臂。

工況1～4測試工況在無風(fēng)屏障作用下列車的傾覆力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化情況如圖11所示。從圖11中可以看出，列車4種測試工況的車輛傾覆力矩系數(shù)均隨風(fēng)偏角的增大而增大，90°橫風(fēng)下的列車傾覆力矩系數(shù)最大，行駛安全性問題最突出。單車上游列車傾覆力矩系數(shù)在4種測試情況中最大，受風(fēng)荷載影響最顯著；雙車交會(huì)上游與單車上游列車傾覆力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角變化趨勢基本一致，數(shù)值也相差不大。表明：雙車交會(huì)下游列車對上游列車的氣動(dòng)干擾不明顯。由于雙車交會(huì)下游列車受上游列車對風(fēng)荷載的遮擋作用，使得雙車交會(huì)時(shí)下游列車的傾覆力矩系數(shù)最小，列車運(yùn)行偏安全。

式中：OW為有風(fēng)屏障情況下的傾覆力矩系數(shù)；O為無風(fēng)屏障時(shí)的傾覆力矩系數(shù)。

圖11 列車傾覆力矩系數(shù)隨風(fēng)偏角變化情況

從圖12中還可以看出，風(fēng)偏角在0°～15°范圍內(nèi)，風(fēng)屏障的透風(fēng)率和高度對風(fēng)屏障的防風(fēng)效果影響不明顯。風(fēng)偏角小于30°時(shí)，設(shè)置風(fēng)屏障B的傾覆力矩系數(shù)的折減率均大于設(shè)置風(fēng)屏障A的。風(fēng)偏角大于60°時(shí)，風(fēng)屏障A的防風(fēng)效果明顯比風(fēng)屏障B的好。橫風(fēng)下，風(fēng)屏障A的防風(fēng)效果要優(yōu)于風(fēng)屏障B的。

圖13 橫風(fēng)下風(fēng)屏障A不同透風(fēng)率和高度對列車的防護(hù)效果

4 結(jié)論

以某公鐵平層橋面橋梁?列車?風(fēng)屏障系統(tǒng)為研究對象，通過對不同工況下的列車三分力系數(shù)的測試，分析了風(fēng)屏障的類型、透風(fēng)率和高度對橋上列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響，并對不同風(fēng)偏角下風(fēng)屏障的防風(fēng)性能進(jìn)行了研究，得出的結(jié)論為：

1) 設(shè)置風(fēng)屏障，能夠顯著減小列車的三分力系數(shù)。風(fēng)屏障透風(fēng)率大小較風(fēng)屏障高度對列車的氣動(dòng)特性影響。風(fēng)屏障在橋面上安裝位置不同，對列車氣動(dòng)力系數(shù)的影響也有明顯區(qū)別。設(shè)置風(fēng)屏障B時(shí)，列車的三分力系數(shù)絕對值隨風(fēng)偏角的增大而增大，與無風(fēng)屏障時(shí)列車三分力系數(shù)變化規(guī)律較接近。

2) 無風(fēng)屏障作用時(shí)，側(cè)風(fēng)下單車上游列車的傾覆力矩系數(shù)最大，受風(fēng)荷載影響最顯著。雙車交會(huì)上游列車側(cè)力系數(shù)隨風(fēng)偏角變化的趨勢與單車上游列車的一致，雙車交會(huì)下游列車對上游列車干擾作用不明顯。雙車交會(huì)下游列車的三分力系數(shù)較小，受風(fēng)屏障和風(fēng)偏角的影響小，主要由于上游列車對其擋風(fēng)作用明顯。

3) 風(fēng)偏角在0°～15°范圍內(nèi)，傾覆力矩系數(shù)的折減率主要隨風(fēng)偏角的增大而增大，風(fēng)屏障的透風(fēng)率和高度對防風(fēng)效果影響不明顯。風(fēng)偏角小于30°時(shí)，設(shè)置風(fēng)屏障B的傾覆力矩系數(shù)折減率均大于設(shè)置風(fēng)屏障A的；風(fēng)偏角大于60°時(shí)，風(fēng)屏障A的防風(fēng)效果明顯要比風(fēng)屏障B的好。90°橫風(fēng)下，設(shè)置風(fēng)屏障A對橋上列車行車安全更有利。

這里需要特別說明的是，如果只有列車存在的情況下，可以通過轉(zhuǎn)動(dòng)列車模型模擬列車相對風(fēng)速風(fēng)偏角的變化，測得的列車氣動(dòng)力結(jié)果與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下列車各相對風(fēng)速風(fēng)偏角的較吻合。但對于列車?橋系統(tǒng)而言，由于只有列車沿橋軸方向(順橋向)運(yùn)動(dòng)，而橋梁在列車運(yùn)動(dòng)方向是不動(dòng)的，兩者與氣流的相對風(fēng)偏角不一樣。因此，測得的列車相對風(fēng)速風(fēng)偏角的氣動(dòng)力，會(huì)存在一定的誤差。但本研究的試驗(yàn)結(jié)果可以定性地反映風(fēng)屏障各參數(shù)對列車氣動(dòng)特性的影響，對風(fēng)屏障的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。后期會(huì)研發(fā)移動(dòng)列車測試裝置與方法，進(jìn)一步研究移動(dòng)列車氣動(dòng)力隨風(fēng)偏角的變化情況。

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Study on the protective effects of wind barriers on the train on highway and railway same-story bridge

LIU Ye1, WANG Fang-li2, HAN Yan1, HU Peng1

(1. School of Civil Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;2. China Road & Bridge Corporation, Beijing 100011, China)

To investigate the protective effect of the wind barrier, the wind tunnel test was carried out on the aerodynamic characteristics of highway and railway same-story bridge wind barrier system under the action of crosswind. For the two types of wind barriers, the three-component force coefficient of the vehicles in the middle of the bridge under different wind deflections was tested with different wind rates and heights, and the wind speed reduction coefficient of the wind barrier under different wind deflections was studied. The results show that the installation position of the wind barrier on the bridge deck is different, which has a significant difference on the vehicle aerodynamic coefficient. The wind barrier can effectively reduce the lateral wind load on the vehicles and provide a more favorable driving environment for the vehicles on the bridge. The influence of the wind barrier permeability on the aerodynamic characteristics of the train is greater than that of the height of the wind barrier. When there is no wind barrier, the overturning moment coefficient of single vehicle upstream is the largest, and it is most significantly affected by wind load. Because of the wind effect of upstream vehicle, the three-component force coefficient of downstream train is smaller when two vehicles meet, and it is also less affected by wind barrier and wind deflection angle. When the wind deflection angle is 0°～15°, the air permeability and height of the wind barrier have no obvious effect on the wind protection effect. Under the wind deflection angle (60°≤β≤90°), the reduction rate of wind speed for setting the wind barrier A is greater than that for the wind barrier B, so the wind prevention effect is better.

wind barrier; highway and railway same-story bridge; train-bridge system; wind tunnel test; aerodynamic coefficient

U448.12

A

1674 ? 599X(2021)01 ? 0051 ? 09

2020?03?15

國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金項(xiàng)目(51822803)

劉葉(1995?)，女，長沙理工大學(xué)博士研究生。