韓 旭，向活躍，2，李 鎮(zhèn)，苑仁安，李永樂，2

（1.西南交通大學(xué)橋梁工程系，四川 成都 610031；2.風(fēng)工程四川省重點(diǎn)實驗室，四川 成都 610031；3.江蘇省交通工程建設(shè)局，江蘇 南京 210004；4.中鐵大橋勘測設(shè)計院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430050）

摘要: 為了研究線路的非對稱性布置對列車和橋梁系統(tǒng)氣動特性的影響，開發(fā)了一種同步測試車-橋氣動力的裝置，通過本裝置對線路非對稱布置的大跨度公鐵兩用斜拉橋進(jìn)行了節(jié)段模型風(fēng)洞試驗?？紤]了下層鐵路和下層公路分別為迎風(fēng)側(cè)的工況，測試了不同車-橋組合下車輛和橋梁各自的氣動力，討論了線路非對稱布置、風(fēng)攻角、雙車交會和汽車對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響。結(jié)果表明：相對下層鐵路側(cè)迎風(fēng)工況，下層公路迎風(fēng)側(cè)的橋梁升力系數(shù)和扭矩系數(shù)差別較大，且車輛升力系數(shù)也變化較大；橋梁和車輛的阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角的增加而減小；雙車交會時，背風(fēng)側(cè)車輛阻力系數(shù)發(fā)生突變；受公鐵平層防眩網(wǎng)的作用，汽車對列車氣動特性影響相對較小。

關(guān)鍵詞:車-橋組合系統(tǒng)；氣動特性；風(fēng)洞試驗；線路非對稱；同步測試裝置

中圖分類號:U441+.2；V211.74文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號:1004-4523（2022）06-1388-07

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2022.06.011

收稿日期:2021-03-17；修訂日期:2021-07-06

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目（51778544，51978589，51525804）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2682021CG014）。

引 言

隨著中國交通的快速發(fā)展，越來越多的橋梁向大跨度、公鐵兩用方向發(fā)展，而大跨度橋梁結(jié)構(gòu)相對輕柔，高速列車在大跨度橋梁上運(yùn)行時，列車的安全性和舒適性成為重點(diǎn)關(guān)注的焦點(diǎn)。為評價橋上列車在自然風(fēng)作用下運(yùn)行的安全性和舒適性，通常需要進(jìn)行風(fēng)-車-橋耦合振動分析［1］，車輛和橋梁各自的氣動特性是進(jìn)行風(fēng)-車-橋耦合振動分析的基礎(chǔ)［2-4］，而橋梁的氣動特性會受到列車運(yùn)行的影響，列車的氣動特性也會受到橋梁斷面的影響。因此，考慮車-橋組合狀態(tài)下車輛和橋梁的相互氣動干擾是非常必要的。

在已有的研究中，對于車-橋組合狀態(tài)下車輛和橋梁氣動特性的研究通常采用現(xiàn)場實測、數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗三種方法［1］，但現(xiàn)場實測受到諸多因素的影響，且操作不便、成本較高，相關(guān)研究相對較少，因此，數(shù)值模擬［5］和風(fēng)洞試驗［6-7］為車-橋系統(tǒng)氣動特性的主要研究方法。周蕾等［8］通過CFD 數(shù)值模擬分析了風(fēng)屏障對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響，研究了風(fēng)屏障對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響機(jī)理。BAO等［9］采用CFD 數(shù)值模擬方法，研究了列車雙車交會時車輛和橋梁的氣動系數(shù)，并通過風(fēng)洞試驗進(jìn)行了驗證。姚志勇等［10］采用CFD 方法通過重疊網(wǎng)格模擬了列車運(yùn)動，分析了車-橋系統(tǒng)的繞流流場，討論了考慮列車運(yùn)動對車-橋氣動力的影響。CFD 數(shù)值模擬可便于修改風(fēng)攻角、風(fēng)速等系統(tǒng)參數(shù)，但數(shù)值模擬技術(shù)計算量較大，且精度仍有待驗證。風(fēng)洞試驗可人為地改變、重復(fù)試驗條件，更適合開展機(jī)理性研究。王玉晶等［11］通過風(fēng)洞試驗研究了車輛在三種不同路況上（平地路基、簡支箱梁和簡支T 梁）的三分力系數(shù)，并討論了設(shè)置不同風(fēng)屏障對車輛和橋梁氣動特性的影響。SUZUKI 等［12］進(jìn)行了不同斷面外形的列車和不同橋梁形式組合的風(fēng)洞試驗，并考慮了風(fēng)偏角的影響，分析了橋梁高度對車輛阻力系數(shù)的影響。XIANG 等［13］采用自主研制的移動車輛裝置，通過風(fēng)洞試驗研究了列車在橋上運(yùn)行時的氣動特性，并討論了風(fēng)速和風(fēng)向的影響。郭文華等［14］采用自主研制的車-橋裝置測試了頭車、中車及尾車的氣動力，并分析了風(fēng)速和車輛在橫向位置的影響。但文獻(xiàn)［12-14］未考慮列車對橋梁氣動特性的影響。李永樂等［15］在常規(guī)節(jié)段模型三分力測試裝置的基礎(chǔ)上，研制了三分力分離裝置——交叉滑槽系統(tǒng)，并在進(jìn)行車-橋系統(tǒng)的風(fēng)洞試驗時對交叉滑槽系統(tǒng)的可行性進(jìn)行了檢驗。鄒云峰等［16］對交叉滑槽系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，在車輛兩側(cè)增加了天平，以保證車輛和橋梁氣動力測試同步進(jìn)行，并利用同步分離裝置在風(fēng)洞試驗中研究了車輛和橋梁的氣動特性，討論了風(fēng)攻角和車-橋組合方式的影響。但在進(jìn)行風(fēng)攻角等工況的改變時，仍將車輛和橋梁分開調(diào)整。在試驗過程中，頻繁更換車輛模型的位置，一定程度上降低了試驗效率。若橋梁模型為桁架結(jié)構(gòu)，且列車位于下層橋面或桁架內(nèi)部時，由于桁片的遮擋作用，車輛模型的安裝和固定較為不便，頻繁拆卸模型過程中，列車與橋面的相對位置難以在不同對比測試工況中保持一致。

在橋梁節(jié)段模型的兩端，通常采用端板用于固定橋梁模型，對于列車位于桁架橋梁下層橋面的情況，進(jìn)行車-橋節(jié)段模型試驗時，通常需要在端板上開孔，以便列車模型順利通過，并在保持車-橋相對位置的條件下進(jìn)行測試。常泰長江大橋下層橋面采用非對稱布置形式，公路與鐵路處于下層橋面同層之中。若此時在端板上對應(yīng)鐵路雙線位置開孔，會影響模型結(jié)構(gòu)的安全，同時降低試驗效率。

本文在研制車-橋氣動力同步測試裝置的基礎(chǔ)上，通過車-橋組合系統(tǒng)的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，測試了下層鐵路和下層公路分別作為迎風(fēng)側(cè)時，單車行駛和雙車交會時車-橋組合工況下車輛和橋梁各自的氣動力系數(shù)。分析討論了線路非對稱布置、風(fēng)攻角、雙車交會和汽車對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響。

1 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗

常泰長江大橋為雙塔雙索面雙層公鐵兩用斜拉橋，主跨為1176 m，主梁采用兩片主桁結(jié)構(gòu)形式，主桁高15.5 m，寬35.0 m。上層為正交異性板橋面結(jié)構(gòu)，通行雙向六車道公路；下層為正交異性板箱型結(jié)構(gòu)，一側(cè)通行雙向四車道，一側(cè)通行兩線客運(yùn)專線，下層橋面公路和鐵路在同層，且關(guān)于橋軸線非對稱布置。

由于列車和橋梁的長度較長，屬于線狀結(jié)構(gòu)，可以采用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗進(jìn)行氣動特性的研究。結(jié)合風(fēng)洞的幾何尺寸，考慮阻塞率、長寬比及桁架節(jié)間完整性等因素，節(jié)段模型選擇8 個節(jié)間，縮尺比設(shè)定為1∶53.46，橋梁模型長2.095 m，寬0.655 m，高0.290 m（阻塞率約為4.7% < 5%，長寬比為3.20 > 2，滿足抗風(fēng)規(guī)范的要求［17］）；列車模型采用CRH2 斷面，長1.850 m，寬0.063 m，高0.065 m，車輛和橋梁模型的橫斷面如圖1所示。

圖1 模型橫斷面圖（單位：mm）Fig.1 Cross section of model（Unit：mm）

主梁試驗?zāi)Ｐ筒捎盟芰虾湍静闹谱鳎熊嚹Ｐ筒捎脙?yōu)質(zhì)木材制作，除模擬主梁的主要構(gòu)件之外，對節(jié)點(diǎn)板、鋼軌、欄桿和斜拉索錨拉板等細(xì)部構(gòu)造也進(jìn)行了模擬，充分保證了結(jié)構(gòu)的外形相似；另外，制作的模型還需保證足夠的強(qiáng)度和剛度，使試驗過程中模型不發(fā)生明顯的變形和振動，以保證測得的車輛和橋梁模型氣動力的可靠性和準(zhǔn)確性。車-橋組合的節(jié)段模型如圖2所示。

圖2 列車-橋梁組合節(jié)段模型Fig.2 Section model of vehicle-bridge system

為提高車-橋組合狀態(tài)下列車和橋梁氣動特性測試效率，并避免更換工況過程中人為造成列車位置變化對測試結(jié)果的影響，本文開發(fā)了一種同步測試車輛和橋梁氣動力的裝置，其示意圖如圖3所示。

圖3 鐵路迎風(fēng)時同步測力裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of synchronous test device

橋梁模型直接水平固定于風(fēng)洞壁兩側(cè)的測力軸上，且與兩端用于形成二維流的端板保留一定間隙，測力軸與風(fēng)洞外的刻度盤相連，可通過刻度盤對橋梁模型的風(fēng)攻角進(jìn)行精確調(diào)整。列車模型兩端安裝Gamma 六分量高頻天平，再通過連接裝置將天平固定于橋梁上，列車與橋梁可同步變換風(fēng)攻角。為滿足試驗精度要求，需保證試驗過程中天平、車輛和橋梁三者之間不產(chǎn)生相對位移，且列車與橋梁僅通過天平連接，其余位置無接觸。測力軸和高頻天平采集的數(shù)據(jù)通過專用的數(shù)據(jù)采集軟件將數(shù)據(jù)同步地記錄于電腦上，試驗過程中始終觀察車輛和橋梁模型的狀態(tài)，保證試驗數(shù)據(jù)采集過程中車輛和橋梁模型未發(fā)生振動。

對于單車-橋梁氣動力試驗，只需將列車通過天平固定于橋梁上，測試不同風(fēng)速、不同攻角時列車和橋梁的氣動力，通過后期數(shù)據(jù)處理即可得到兩者的三分力系數(shù)。需要說明的是，試驗中需要先對無風(fēng)工況下不同攻角的初始結(jié)果進(jìn)行采集，以消除列車和橋梁重力分量的影響；此外，測力軸得到的是列車和橋梁的合力，而高頻天平測得的僅為列車的氣動力，要得到橋梁的氣動力，需要先通過力的平移法則將列車的力轉(zhuǎn)移到橋梁力的參考點(diǎn)，再進(jìn)行力的合成，即在測力軸和高頻天平結(jié)果的基礎(chǔ)上通過力的合成定理可得到橋梁氣動力。對于雙車-橋梁試驗，由于天平數(shù)量限制，只能分別測試迎風(fēng)側(cè)車輛和背風(fēng)側(cè)車輛的氣動力，將兩個車輛模型放置于橋梁軌道線路位置，天平分別連接于迎風(fēng)側(cè)車輛和背風(fēng)側(cè)車輛，測試得到不同線路位置上車輛的氣動力，而橋梁的三分力則需要測力軸的結(jié)果分別減去迎風(fēng)側(cè)列車和背風(fēng)側(cè)列車的三分力才可得到。

相較于已有試驗裝置［15-16］，本文采用的同步測試裝置在進(jìn)行單車-橋梁試驗時，只需在試驗開始前調(diào)整并固定車-橋相對位置即可完成三分力測試，風(fēng)攻角調(diào)整在風(fēng)洞外進(jìn)行；對雙車-橋梁試驗也僅需調(diào)整一次列車模型位置，更換過程中不會改變車輛與橋梁模型間的間隙，提高了試驗效率，增加了試驗數(shù)據(jù)的可靠性。另外，Gamma 六分量高頻天平與車輛模型相比，尺寸相對較小，對列車的氣動干擾較小，對試驗數(shù)據(jù)的影響也可以忽略。

試驗前分別對測力軸和Gamma 六分量高頻天平進(jìn)行了標(biāo)定，以確保試驗測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗中，橋梁和車輛模型的氣動力分別由測力軸和高頻天平得到，兩個設(shè)備的采集系統(tǒng)不同，數(shù)據(jù)采集在均勻來流風(fēng)速穩(wěn)定后進(jìn)行，橋梁受到來流的湍流度較小，測力軸系統(tǒng)默認(rèn)采樣頻率為800 Hz，采樣時間為5 s；但主桁分離作用一定程度上增加了車輛所受來流的湍流度，適當(dāng)增加采樣時間以減小測試誤差，設(shè)置高頻天平采樣時間為30 s，同時采樣頻率采用軟件默認(rèn)的1 kHz。

2 試驗工況及數(shù)據(jù)處理

風(fēng)洞試驗在西南交通大學(xué)單回流串聯(lián)雙試驗段工業(yè)風(fēng)洞（XNJD-1）第二試驗段中進(jìn)行，試驗段寬2.4 m，高2.0 m，風(fēng)速范圍為1.0～45.0 m/s，來流為均勻流時湍流度小于1%。試驗的具體工況如表1所示，試驗風(fēng)速取10，13 和16 m/s 三級風(fēng)速以相互驗證測試結(jié)果，三個試驗風(fēng)速對應(yīng)的湍流度分別為0.97%，1.02%和0.91%，表明來流湍流度較??；大跨度橋梁在風(fēng)和車輛荷載共同作用下，使橋梁產(chǎn)生較大轉(zhuǎn)角和附加風(fēng)攻角，可能出現(xiàn)較大風(fēng)攻角［18］，因此試驗中的風(fēng)攻角考慮為±5°，±3°，0°。

表1 風(fēng)洞試驗工況Tab.1 Cases of wind tunnel test

由于來流的湍流度較小，桁片分離引起的流場額外脈動分量相對有限，車-橋系統(tǒng)在不同組合下的氣動特性變化主要是車-橋系統(tǒng)的氣動干擾引起橫風(fēng)繞流流場顯著改變引起的，本文忽略了來流脈動分量對橋梁和列車氣動特性的影響。作用在橋梁或車輛上的靜風(fēng)荷載可通過靜力三分力來定義，三分力的表示有體軸和風(fēng)軸兩種坐標(biāo)，這兩種可以相互轉(zhuǎn)換，本文僅給出了體軸坐標(biāo)系下的測試結(jié)果。體軸坐標(biāo)系下靜力三分力系數(shù)的定義如下：

式中α為來流風(fēng)攻角；U為來流平均風(fēng)速；ρ為空氣密度，取為1.25 kg/m3；H，B和L分別為車輛或橋梁節(jié)段模型的高度、寬度和長度，具體取值參照第1節(jié)橋梁和車輛模型的尺寸；FH（α），F(xiàn)V（α）和M（α）分別為體軸坐標(biāo)系下風(fēng)攻角為α?xí)r的阻力、升力和扭矩；CH（α），CV（α）和CM（α）分別為體軸系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)。橋梁和車輛的三分力示意圖如圖3所示。其中，下標(biāo)b 表示橋梁的三分力，為測力軸的力減去Gamma 六分量高頻天平測得的列車力；下標(biāo)v表示列車的三分力，為兩個高頻天平測得的合力。

3 試驗結(jié)果及分析

由于橋梁斷面為鈍體斷面，其擾流分離點(diǎn)較固定，流體在尖角處迅速分離，可忽略雷諾數(shù)對橋梁的影響；在車-橋組合狀態(tài)下，主梁分離流中的脈動成分弱化了弧形列車表面附面層的黏性作用，使得不同風(fēng)速下流場在列車表面的分離點(diǎn)較為固定，不同風(fēng)速下的氣動力系數(shù)接近，試驗結(jié)果穩(wěn)定性較好［19］?？紤]到試驗低風(fēng)速下（10 m/s）模型受到的風(fēng)荷載較小、測試相對誤差可能較大，而高風(fēng)速下（16 m/s）節(jié)段模型存在一定程度的風(fēng)致振動，因此，本文選取中間風(fēng)速下（13 m/s）測試得到的三分力系數(shù)進(jìn)行后續(xù)的分析。

3.1 線路非對稱布置的影響

本文研究的主梁為非對稱結(jié)構(gòu)，下層鐵路側(cè)和公路側(cè)分別處于橋軸線的兩側(cè)，來流的情況復(fù)雜，出現(xiàn)下層鐵路側(cè)和下層公路側(cè)分別作為迎風(fēng)側(cè)的可能性較大，這導(dǎo)致車輛和橋梁的氣動特性有較大的差異。為了研究線路非對稱布置對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響，風(fēng)洞試驗中分別考慮了下層鐵路側(cè)和下層公路側(cè)作為迎風(fēng)側(cè)，表2給出了來流風(fēng)攻角為0°、單列車位于橋上時的車輛和橋梁的三分力系數(shù)。

表2 不同側(cè)作為迎風(fēng)側(cè)時車-橋系統(tǒng)三分力系數(shù)Tab.2 Three-component aerodynamic coefficients of ve?hicle-bridge system with different windward sides

由表2可得，相對于下層鐵路側(cè)迎風(fēng)時，下層公路側(cè)迎風(fēng)的橋梁阻力系數(shù)變化不大，但升力系數(shù)和扭矩系數(shù)差別較大，且升力系數(shù)的方向發(fā)生了變化，這可能是車輛和公鐵防眩網(wǎng)相對于橋梁的位置引起橋梁氣流變化導(dǎo)致的。

進(jìn)一步分析下層鐵路和下層公路分別作為迎風(fēng)側(cè)時車輛的氣動特性，不同側(cè)作為迎風(fēng)側(cè)對車輛的阻力系數(shù)影響有限，但與單獨(dú)的列車［20］相比，阻力系數(shù)減小了約60%，這是由于軌道距離橋梁前緣較遠(yuǎn)，車輛處于橋梁前緣分離產(chǎn)生的低速區(qū)，并且橋梁的豎腹桿、斜腹桿、節(jié)點(diǎn)板以及防弦屏網(wǎng)也有一定的影響，這顯著弱化了車輛上的氣動阻力。與文獻(xiàn)［20］的單獨(dú)列車相比，由于橋梁改變了車輛下緣的氣動繞流，本文車-橋組合下車輛的升力系數(shù)明顯增大，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［15］的研究結(jié)論一致；由于公路側(cè)欄桿和公鐵防眩網(wǎng)的遮擋作用，導(dǎo)致下層公路作為迎風(fēng)側(cè)時車輛的升力系數(shù)較小，其值約為下層鐵路作為迎風(fēng)側(cè)時的0.60。

與對稱線路橋梁相比［6，18-19］，非對稱線路橋梁上列車的氣動特性不僅隨著線路位置變化而不同，還受到來流方向（來流方向為上游或下游）的影響，由表2可以看出，來流方向?qū)α熊嚨臍鈩犹匦杂休^大影響。

3.2 風(fēng)攻角的影響

橋梁斷面屬于鈍體斷面，這會引起氣流分離后部分氣流重新附著于車輛表面，而氣流經(jīng)過鈍體斷面后分離的剪切層厚度受到來流風(fēng)攻角的直接影響［19］，也進(jìn)一步影響了氣流對車輛的再附著，這種影響通常通過氣動力來體現(xiàn)。為了研究風(fēng)攻角對車-橋組合下車輛和橋梁氣動特性的影響，圖4給出了下層鐵路和下層公路分別為迎風(fēng)側(cè)時，不同風(fēng)攻角下（α =±5°，±3°和0°）車輛和橋梁的阻力系數(shù)。由圖4可知，隨著風(fēng)攻角的增加，橋梁和車輛的阻力系數(shù)不斷降低，這可能是因為隨著風(fēng)攻角的增加使得分離點(diǎn)后剪切層的厚度增加［21］。但相比風(fēng)攻角為+ 3°時和風(fēng)攻角為+ 5°時車輛和橋梁的阻力系數(shù)稍微增加，可能是車輛和橋梁的迎風(fēng)面積增大，弦桿氣流分離作用減弱導(dǎo)致的。

圖4 不同風(fēng)攻角下橋梁和車輛的阻力系數(shù)Fig.4 Drag coefficients of vehicle and bridge at different wind attack angles

進(jìn)一步分析，由圖4（a）可得，風(fēng)攻角對迎風(fēng)側(cè)車輛（鐵路迎風(fēng)線路2 和公路迎風(fēng)線路1）的阻力系數(shù)影響更大；相對于鐵路迎風(fēng)，公路迎風(fēng)時阻力系數(shù)有明顯的降低趨勢，這是由于公路側(cè)欄桿和公鐵防眩網(wǎng)降低風(fēng)荷載作用導(dǎo)致的。由圖4（b）可知，對車輛位于不同線路位置時，橋梁在不同風(fēng)攻角下的阻力系數(shù)較為接近，這表明不同線路的列車對橋梁流場的影響基本一致，也可能是桁梁的腹桿和節(jié)點(diǎn)板等結(jié)構(gòu)的遮擋作用弱化了列車的影響。

3.3 雙車交會的影響

為了考查雙車交會時對車-橋系統(tǒng)氣動特性的影響，表3和4 給出了下層鐵路和下層公路分別作為迎風(fēng)側(cè)時，列車雙車交會和未交會時車-橋系統(tǒng)的三分力系數(shù)。

由表3可得，雙車交會時背風(fēng)側(cè)車輛的阻力系數(shù)為接近0 的負(fù)值，這是因為背風(fēng)側(cè)車輛處于迎風(fēng)側(cè)車輛的遮擋效應(yīng)中，而為負(fù)值可能是氣流繞過迎風(fēng)側(cè)車輛，在公鐵防眩網(wǎng)的作用下，對背風(fēng)側(cè)車輛產(chǎn)生了與來流相反方向的壓力作用。值得注意的是，這種列車氣動力的突變對于雙車交會時背風(fēng)側(cè)車輛的運(yùn)行安全有較大影響。

表3 下層鐵路迎風(fēng)時的車-橋系統(tǒng)三分力系數(shù)Tab.3 Three-component aerodynamic coefficients of vehicle-bridge system in windward of lower-level railway

由表4可知，下層公路作為迎風(fēng)側(cè)時，由于公路側(cè)欄桿和公鐵防眩網(wǎng)的存在，擾亂了主梁下層的氣流，改變了氣流的原有狀態(tài)，使得雙車交會時阻力系數(shù)比單車狀態(tài)下要小，且背風(fēng)側(cè)的阻力系數(shù)稍大于迎風(fēng)側(cè)，這與下層鐵路為迎風(fēng)側(cè)時有較大差異。

表4 下層公路迎風(fēng)車-橋系統(tǒng)三分力系數(shù)Tab.4 Three-component aerodynamic coefficients of vehicle-bridge system in windward of lower-level highway

對比表3和4，雙車交會時背風(fēng)側(cè)車輛的升力系數(shù)較單車狀態(tài)顯著減小，下層鐵路和下層公路迎風(fēng)時都減小了約75%，而迎風(fēng)側(cè)車輛的升力系數(shù)較單車狀態(tài)有小幅度的增加。與雙車未交會時的氣動力系數(shù)相比，下層鐵路迎風(fēng)時雙車交會狀態(tài)下橋梁的阻力系數(shù)和升力系數(shù)有所增大，而下層公路迎風(fēng)時卻有所減小。

3.4 汽車對列車和橋梁的影響

由于主梁下層同時有公路和鐵路，出現(xiàn)汽車和列車同時在橋上運(yùn)行的可能性極大，汽車和列車同時運(yùn)行于橋梁同一層面會使得氣流變得復(fù)雜，因此，研究汽車對列車的影響是非常必要的。

為了研究汽車對列車的影響，進(jìn)行了下層公路為迎風(fēng)側(cè)時汽車和列車共存于橋上的風(fēng)洞試驗。由表4可知下層公路迎風(fēng)時單車處于背風(fēng)側(cè)時更危險，因此本文只研究了汽車和列車共存時列車處于背風(fēng)側(cè)的工況，汽車布置于靠近迎風(fēng)側(cè)的車道（試驗?zāi)Ｐ椭熊嚨乐行木€離主桁中心線74 mm），示意圖如圖5所示。表5給出了不同數(shù)量的汽車存在于橋上，列車處于背風(fēng)側(cè)時車-橋系統(tǒng)的三分力系數(shù)。由于小汽車尺寸較小且呈流線型，對來流的影響較弱，本文僅考慮了客車和貨車模型的影響。

圖5 汽車布置示意圖Fig.5 Schematic diagram of car layout

表5 汽車和列車共存時車-橋系統(tǒng)三分力系數(shù)Tab.5 Three-component aerodynamic coefficients of vehicle-bridge system with coexisted automobiles and trains

由表5可知，隨著汽車數(shù)量的增加，列車阻力系數(shù)略有增加，但增幅較小，這是因為公路和鐵路之間的防眩網(wǎng)結(jié)構(gòu)弱化了汽車對列車的影響，也可能是試驗中考慮的汽車數(shù)量較少導(dǎo)致產(chǎn)生的影響較小。與單車-橋狀態(tài)相比，汽車的存在使得橋梁的阻力系數(shù)和升力系數(shù)有所增加，尤其是升力系數(shù)。

4 結(jié) 論

結(jié)合常泰長江大橋主梁斷面非對稱布置的特點(diǎn)，研制了用于車-橋組合狀態(tài)下氣動力測試的同步測試裝置。進(jìn)一步結(jié)合氣動力同步測試裝置進(jìn)行了風(fēng)洞試驗，研究了線路非對稱布置對車-橋組合氣動特性的影響。通過對比分析測試結(jié)果得到如下結(jié)論：

（1）相對于下層鐵路側(cè)迎風(fēng)時，下層公路迎風(fēng)側(cè)的橋梁阻力系數(shù)差別較小，但升力系數(shù)和扭矩系數(shù)發(fā)生較大變化，且升力系數(shù)方向發(fā)生變化。

（2）下層鐵路和下層公路分別作為迎風(fēng)側(cè)時，車輛的阻力系數(shù)較為接近；與下層鐵路作為迎風(fēng)側(cè)相比，下層公路作為迎風(fēng)側(cè)的升力系數(shù)較小，與下層鐵路作為迎風(fēng)側(cè)相比，下層公路作為迎風(fēng)側(cè)車輛的升力系數(shù)較小，約為0.6。

（3）橋梁和車輛的阻力系數(shù)隨著風(fēng)攻角的增加而減??；風(fēng)攻角對迎風(fēng)側(cè)車輛的阻力系數(shù)影響更大；車輛所處的線路位置對橋梁在不同攻角下的阻力系數(shù)影響有限。

（4）雙車交會時背風(fēng)側(cè)車輛的升力系數(shù)較單車狀態(tài)減小了約75%，而迎風(fēng)側(cè)車輛的升力系數(shù)較單車狀態(tài)有小幅度的增加；下層鐵路為迎風(fēng)側(cè)時，雙車交會的背風(fēng)側(cè)車輛的阻力系數(shù)接近0；但下層公路為迎風(fēng)側(cè)時，背風(fēng)側(cè)車輛的阻力系數(shù)略大于迎風(fēng)側(cè)。

（5）由于公路和鐵路間設(shè)置了防眩網(wǎng)，汽車的存在對列車阻力系數(shù)影響較??；與單車-橋狀態(tài)相比，汽車的存在使得橋梁的阻力系數(shù)和升力系數(shù)有所增加，尤其是升力系數(shù)。