摘要：為了探究路堤-橋梁過渡段處車輛的氣動力，建立1：50的大比例尺路堤-橋梁過渡段和車輛試驗?zāi)Ｐ?，在橋梁和路堤段分別布置兩種風(fēng)屏障，并在車輛模型表面布置多個測壓點，以研究不同防風(fēng)措施下處于不同風(fēng)向角的路橋過渡段車輛氣動力。試驗結(jié)果表明：與無防風(fēng)措施相比，布置橋梁風(fēng)屏障后最不利風(fēng)向角會從-15°變?yōu)?°，此風(fēng)向下過渡段處車輛的三分力最大；再進一步布置路堤風(fēng)屏障后最不利風(fēng)向角不變，但大幅度減小了0°風(fēng)向角下車輛的側(cè)力系數(shù)和力矩系數(shù)；布置路堤風(fēng)屏障能有效減小車輛所受三分力；不同風(fēng)向角下改變陸地風(fēng)屏障參數(shù)產(chǎn)生的影響不同，針對路堤-橋梁過渡段布置防風(fēng)措施時，應(yīng)充分考慮其來流方向，以達到最優(yōu)效果。

關(guān)鍵詞：路堤-橋梁過渡段；風(fēng)洞試驗；車輛氣動力；風(fēng)向角；防風(fēng)措施

中圖分類號：U417.9" " "文獻標(biāo)志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0136-07

Experimental analysis of vehicle aerodynamic force in embankment-bridge transition section

HAN Bing， LI Haoxuan， HE Yikuan， XIE Huibing， JIA Ying

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， P. R. China）

Abstract： In order to explore the aerodynamic force of vehicles at the transition section of embankment and bridge， a 1：50 large-scale embankment-bridge transition section and vehicle experimental model are established in this paper. Two kinds of wind barriers are arranged in the bridge and embankment sections， and multiple pressure measuring points are arranged on the surface of the vehicle model to study the aerodynamic force of vehicles at the embankment-bridge transition section at different wind directions under different windproof measures. The experiment results show that compared with no wind-proof measures， the most unfavorable wind direction angle will change from -15° to 0° after the arrangement of the bridge wind barrier， and the three-component force of the vehicle at the transition section under this wind direction is the largest. After further arrangement of embankment wind barrier， the most unfavorable wind direction angle remains unchanged， but the lateral coefficient and torque coefficient of the vehicle at 0° wind direction angle are greatly reduced. The arrangement of embankment wind barrier can effectively reduce the three-component force of vehicles. The influence of changing the parameters of land wind barrier is not the same in different wind directions. The direction of the incoming flow should be fully considered in the arrangement of windbreak measures for the embankment-bridge transition section to achieve the optimal effect.

Keywords： embankment-bridge transition section； wind tunnel experiment； vehicle aerodynamic force； wind direction angle； windproof measures

在中國發(fā)展程度較高的沿海城市，在原有道路基礎(chǔ)上建設(shè)符合城市新規(guī)劃要求的快速道路，多需要修建橋梁來跨越原有的道路設(shè)施，由此產(chǎn)生了大量路堤-橋梁過渡段。已有研究表明，路橋過渡段線路形式的變化會引起風(fēng)環(huán)境的差異，車輛在其中行駛相當(dāng)于受到了突風(fēng)的影響，會對行車安全造成不利的影響[1-5]。

近年來，許多學(xué)者針對過渡段風(fēng)場進行了研究。在目前的研究中，風(fēng)洞試驗和數(shù)值模擬是常用的兩種手段。李波等[6]利用風(fēng)洞試驗的方法，研究了條形風(fēng)屏障的擋風(fēng)性能，分析了孔隙率、障條寬度的影響，提出了風(fēng)速折減系數(shù)可以有效評價風(fēng)屏障擋風(fēng)效果。王露等[7]、張景鈺等[8]建立了路堤-路塹縮尺模型，對過渡段區(qū)域不同位置處的風(fēng)剖面及線路不同位置車輛氣動力進行研究，結(jié)果表明，交界處附近，上方較低區(qū)域風(fēng)剖面由路塹主導(dǎo)，較高區(qū)域由路堤主導(dǎo)，交界處附近對行車安全最不利。穆鑫[9]用模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究了擋風(fēng)墻對路堤-隧道過渡段風(fēng)場的影響。Sun等[10]通過現(xiàn)場試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合，分析了高速列車在通過防風(fēng)口時的氣動力變化。Wang等[11]建立了橋梁-隧道過渡段模型，針對過渡段提出了梯形和階梯形兩種風(fēng)屏障。Deng等[12]建立了橋梁-隧道過渡段模型，分析了列車經(jīng)過橋隧過渡段時的三分力系數(shù)變化。施成華等[13]研究了不同參數(shù)風(fēng)屏障下，車輛經(jīng)過橋梁-隧道過渡段時的氣動力。Liu等[14]建立了矩形防風(fēng)林模型，分析了車輛經(jīng)過矩形防風(fēng)林過渡段的三分力系數(shù)變化，并計算了車輛安全行駛的臨界風(fēng)速。

已有研究表明，車輛經(jīng)過過渡段時氣動力變化與單一線路行駛并不相同，而目前針對線路過渡段區(qū)域的研究還在發(fā)展階段。由于中國地形復(fù)雜，修建橋梁跨越障礙是常用手段，因此產(chǎn)生了大量的路堤-橋梁過渡段，路堤結(jié)構(gòu)向上凸起擠壓氣流會改變原有的風(fēng)環(huán)境[15]，而氣流經(jīng)過橋梁時會產(chǎn)生擾流現(xiàn)象，兩者對風(fēng)環(huán)境的影響并不相同。而針對路堤和橋梁上方設(shè)置的防風(fēng)措施一般也不相同，也會造成防風(fēng)措施過渡段區(qū)域影響車輛的行駛安全。目前對路堤-橋梁過渡區(qū)域的研究較少，無法準(zhǔn)確確定車輛在路堤-橋梁過渡段的氣動力特性。筆者以高速路和橋梁過渡段區(qū)域為研究對象，在風(fēng)洞中建立了1：50的大比例尺模型，研究了線路交界處GTS車輛不同風(fēng)向角下及不同防風(fēng)措施參數(shù)下的車輛氣動力。

1 風(fēng)洞試驗及測試方法

路堤-橋梁過渡段模型由路堤-橋梁模型及GTS車輛模型組成。為了更加準(zhǔn)確地模擬路堤-橋梁過渡段上方車輛的受力特點，采用大比例尺模型，模型縮尺比為1：50。設(shè)計原型采用路堤-橋梁-路堤的組合模式，兩側(cè)路堤等長分別為31 m，中間橋梁長66 m，過渡段總長128 m，采用雙向四車道布置，車道寬度3.75 m。車輛采用sandia美國國家試驗室于1996年提出的GTS車輛模型作為原型，車輛全長19.8 m，車寬2.6 m，高4.1 m，車頭為流線型。路堤-橋梁過渡段模型（如圖1所示）路堤高度193.4 mm，頂部寬500 mm，底部寬1 080.2 mm，單側(cè)路堤長度620 mm；如圖2所示，橋梁高度91.8 mm，底部距離地面高度120 mm，路面高度193.4 m，采用雙幅橋梁，兩幅橋梁間距10 mm，每幅橋梁兩側(cè)布置防撞護欄，防撞護欄寬度10 mm（對應(yīng)實際寬度0.5 m），高度17.6 mm（對應(yīng)實際高度0.88 m）。車輛模型高72 mm，寬52 mm，長396 mm，車輛位于路堤-橋梁交界處中心。

為了研究不同防風(fēng)措施和風(fēng)屏障透風(fēng)率對車輛氣動力的影響，設(shè)計了橋梁和路堤兩種風(fēng)屏障分別布置在橋梁和路堤上方，橋梁風(fēng)屏障高40 mm，透風(fēng)率為50%，路堤風(fēng)屏障高240 mm，只計算上方120 mm的透風(fēng)率，透風(fēng)率為30%、50%、70%，路堤風(fēng)屏障如圖2所示。

試驗在北京交通大學(xué)風(fēng)洞試驗室進行，風(fēng)洞尺寸5.2 m×2.5 m，放置在風(fēng)洞試驗室中的模型如圖3所示。

試驗中通過尖劈-粗糙元系統(tǒng)模擬邊界層風(fēng)場，在風(fēng)洞中未放置模型時，通過眼鏡蛇三維測速儀在轉(zhuǎn)盤位置測量出風(fēng)場的風(fēng)剖面，當(dāng)來流風(fēng)速為6 m/s時，得到風(fēng)洞平均風(fēng)剖面及湍流分布。邊界層布置及風(fēng)剖面如圖4所示。

在車輛模型上布置測壓點測得車輛表面風(fēng)壓。使用ESP-64HD微型壓力掃描模塊進行采樣，因為路堤-橋梁過渡段風(fēng)場較復(fù)雜，在車輛表面布置盡可能多的測點，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，最終考慮到車輛內(nèi)部走線等諸多因素的影響，在車輛側(cè)面布置3排6列17個測點，車輛頂部布置2排5列10個測點，車頭布置2排2列4個測點，車尾布置3排2列6個測點，全身共54個測點，測點布置如圖5所示。

為了探究不同風(fēng)向角下路堤-橋梁過渡段車輛的氣動力變化，通過轉(zhuǎn)動試驗室轉(zhuǎn)盤來模擬不同來流風(fēng)向角φ，風(fēng)向角如圖6所示。

2 數(shù)據(jù)處理

氣動力參數(shù)是一組無量綱量，其定義如下：

式中：P_i （t）為壓力掃描閥測得的i點處表面風(fēng)壓，規(guī)定壓力作用方向指向結(jié)構(gòu)表面為正，反之為負；P_1為參考點處的平均總壓；P_0為參考點處的平均靜壓；H為車輛高度；A_D為車輛側(cè)面積； A_L為車輛頂面面積。車輛氣動力系數(shù)示意如圖7所示。

3 風(fēng)洞試驗結(jié)果分析

3.1 不同防風(fēng)措施對車輛氣動力的影響

為了探究不同防風(fēng)措施對車輛氣動力的影響，試驗中測試了不布置風(fēng)屏障、布置橋梁風(fēng)屏障、布置橋梁風(fēng)屏障和路堤風(fēng)屏障的情況，車輛三分力系數(shù)如圖8所示。當(dāng)沒有防風(fēng)措施，車輛三分力系數(shù)最大值都出現(xiàn)在φ=-15°時，隨著角度變化三分力系數(shù)逐漸降低，可能是因為氣流從橋梁側(cè)吹來時，受到氣流分離的影響，車輛所處的環(huán)境更為不利。當(dāng)φ=-30°時，吹向橋梁側(cè)的氣流受到另一側(cè)路堤的影響，導(dǎo)致了車輛三分力系數(shù)減小。

布置橋梁風(fēng)屏障之后，風(fēng)向角φ=-15°時，受到風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)的影響，車輛三分力系數(shù)皆有一定幅度的下降；而φ=0°時車輛三分力系數(shù)大幅度增大，可能是因為此時交界處氣流受到路堤、橋梁和風(fēng)屏障的相互影響，條形風(fēng)屏障的窄道效應(yīng)增大。

布置橋梁風(fēng)屏障和路堤風(fēng)屏障之后，側(cè)力、升力和力矩系數(shù)隨風(fēng)向角的變化規(guī)律沒有改變，但其數(shù)值大幅度減小，這是因為路堤風(fēng)屏障的擋風(fēng)效應(yīng)使得氣流速度降低，在風(fēng)向角φ=0°時，車輛三分力系數(shù)最大。在風(fēng)向角φ=0°時，車輛側(cè)力和力矩系數(shù)都小于沒有防風(fēng)措施時，但升力系數(shù)減小后仍大于沒有防風(fēng)措施時，仍然需要進一步優(yōu)化路堤風(fēng)屏障參數(shù)來降低路堤-橋梁過渡段的車輛升力系數(shù)。

當(dāng)風(fēng)向角為負時（風(fēng)從橋梁側(cè)吹來），車輛三分力系數(shù)大于風(fēng)向角為正時（風(fēng)從路堤側(cè)吹來），此時位于路堤-橋梁過渡段的車輛所處風(fēng)環(huán)境更為不利。

3.2 路堤風(fēng)屏障參數(shù)對車輛氣動力的影響

為了進一步探究不同路堤風(fēng)屏障參數(shù)對路堤-橋梁車輛氣動力的影響，設(shè)置不同的布置距離（路堤風(fēng)屏障與路堤坡腳之間的距離）、透風(fēng)率和排間距（兩排路堤風(fēng)屏障間距）的路堤風(fēng)屏障。

3.2.1 布置距離

為了探究路堤風(fēng)屏障布置距離對路堤-橋梁過渡段車輛氣動力的影響，試驗設(shè)計了3種不同的布置距離60、100、140 mm（對應(yīng)實際距離3、5、7 m），圖9為不同布置距離下車輛的三分力系數(shù)對比圖。

由圖9（a）可知，大多數(shù)情況下，減小布置距離車輛側(cè)力系數(shù)先增大后減小，但在風(fēng)向角φ=15°時，側(cè)力系數(shù)隨著布置距離的減小而減小，當(dāng)布置距離為60 mm時，路堤風(fēng)屏障的遮擋效應(yīng)最顯著，車輛側(cè)力系數(shù)最小。最不利風(fēng)向角仍為φ=0°，且當(dāng)風(fēng)向角為負時，車輛側(cè)力系數(shù)對布置距離更為敏感，改變布置距離，側(cè)力系數(shù)變化較大。

由圖9（b）可知，在不同布置距離下，φ=0°時車輛升力系數(shù)仍遠大于其他角度，此時車輛升力系數(shù)隨著布置距離的增大先減小后增大，但當(dāng)布置距離達到100 mm之后，再增大布置距離，升力系數(shù)變化幅度不大。

對比圖9（a）、（c）可見，側(cè)力系數(shù)與力矩系數(shù)在不同布置距離下變化規(guī)律基本一致。

3.2.2 透風(fēng)率

為了探究路堤風(fēng)屏障透風(fēng)率對路堤-橋梁過渡段車輛氣動力的影響，試驗將路堤風(fēng)屏障固定在100 mm的位置，并設(shè)計了3種不同的透風(fēng)率（30%、50%、70%），圖10為不同路堤風(fēng)屏障透風(fēng)率下車輛的三分力系數(shù)對比圖。

由圖10可見，在透風(fēng)率為50%時，車輛三分力系數(shù)在風(fēng)向角φ=0°時會大幅度增大；當(dāng)透風(fēng)率為30%和70%時，車輛三分力系數(shù)隨著風(fēng)向角向正向轉(zhuǎn)動而減小。

由圖10（a）可見，除風(fēng)向角φ=0°時，車輛側(cè)力系數(shù)隨著路堤風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大先減小后增大，當(dāng)透風(fēng)率為50%時，車輛側(cè)力系數(shù)最小。當(dāng)φ=0°時，車輛側(cè)力系數(shù)隨著路堤風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大而減小，當(dāng)透風(fēng)率為70%，車輛側(cè)力系數(shù)最小。

由圖10（b）可見，車輛升力系數(shù)隨著路堤風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大先減小后增大，但當(dāng)φ=0°時，透風(fēng)率增大到50%之后，升力系數(shù)對透風(fēng)率的反應(yīng)不敏感，再增大透風(fēng)率，升力系數(shù)基本不變。

對比圖10（a）、（c）可得，車輛力矩系數(shù)隨著路堤風(fēng)屏障透風(fēng)率的變化規(guī)律與側(cè)力系數(shù)基本一致。

3.2.3 排間距

為了探究路堤風(fēng)屏障排間距對路堤-橋梁過渡段車輛氣動力的影響，試驗布置了兩排路堤風(fēng)屏障，將第一排路堤風(fēng)屏障固定在100 mm的位置，并設(shè)計了2種不同的排間距（100、200 mm發(fā)別對應(yīng)實際排間距5、10 m），圖11為不同路堤風(fēng)屏障排間距下車輛的三分力系數(shù)對比圖。

由圖11（a）可見，布置兩排路堤風(fēng)屏障，風(fēng)向角為負時車輛側(cè)力系數(shù)相較于一排路堤風(fēng)屏障時增大，且隨著排間距的增大繼續(xù)增大。當(dāng)風(fēng)向角φ=0°時，布置兩排路堤風(fēng)屏障后，車輛側(cè)力系數(shù)大幅度降低，排間距對其影響不大。當(dāng)風(fēng)向角為正時，兩排路堤風(fēng)屏障時車輛側(cè)力系數(shù)大于單排路堤風(fēng)屏障時，且其受排間距的影響較小。

由圖11（b）可見，布置兩排路堤風(fēng)屏障后，相較于單排路堤風(fēng)屏障，車輛升力系數(shù)提高明顯，但風(fēng)向角φ=0°時升力系數(shù)提升較小，且其隨著排間距的增大而減小，風(fēng)向角φ=0°仍為最不利風(fēng)向角。當(dāng)風(fēng)向角為正時，排間距對車輛升力系數(shù)影響不大；但當(dāng)風(fēng)向角為負時，車輛升力系數(shù)隨著排間距的增大有一定變化。

對比圖11（a）、（c）可見，車輛力矩系數(shù)隨著路堤排間距的變化規(guī)律與側(cè)力系數(shù)基本一致。

4 結(jié)論

以路堤-橋梁過渡段為研究對象，探討了車輛在不同防風(fēng)措施下車輛三分力系數(shù)的變化規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）車輛位于過渡段交界處時，車身三分力系數(shù)對風(fēng)向角較敏感，當(dāng)風(fēng)向角為負時，對行車安全更為不利。

2）與沒有防風(fēng)措施相比，僅布置橋梁風(fēng)屏障對車輛三分力系數(shù)更加不利，升力系數(shù)甚至增大了25%，同時最不利風(fēng)向角也從-15°變?yōu)榱?°；而在此基礎(chǔ)上進一步布置路堤風(fēng)屏障后，車輛三分力系數(shù)大幅度減小。

3）布置單排路堤風(fēng)屏障時，車輛三分力系數(shù)隨著路堤風(fēng)屏障布置距離的增大先減小后增大，但其隨風(fēng)向角變化規(guī)律基本不變。

4）與單排布置相比，布置兩排路堤風(fēng)屏障，除風(fēng)向角為0°時，車輛三分力系數(shù)均有所增大，但在風(fēng)向角為0°時，側(cè)力和力矩系數(shù)大幅度減??；同時，排間距的增加僅對風(fēng)向角為-30°時車輛的側(cè)力和力矩系數(shù)有明顯的影響。

5）針對路堤-橋梁過渡段布置防風(fēng)措施時，應(yīng)充分考慮來流方向，以達到最優(yōu)效果。

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（編輯" 胡玲）

收稿日期：2020?10?22

基金項目：山東省交通運輸科技項目（C17L00380）；國家自然科學(xué)基金（51778051）

作者簡介：韓冰（1973- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)長期性能和橋梁結(jié)構(gòu)理論研究，E-mail：bhan@bjtu.edu.cn。

Received： 2020?10?22

Foundation items： Shandong Transportation Science and Technology Project （No. C17L00380）; National Natural Science Foundation of China （No. 51778051）

Author brief： HAN Bing （1973- ）， professor， doctorial supervisor， main research interest： long-term performance of steel-concrete composite structure and bridge structure theory， E-mail： bhan@bjtu.edu.cn.