周記國, 王桂花, 徐鳳月

(1.白城師范學(xué)院土木工程學(xué)院, 吉林白城 137000; 2.內(nèi)蒙古大學(xué)交通學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010000)

0 引言

自然風(fēng)荷載作用下車輛在大跨度橋梁上行駛時(shí),車-橋系統(tǒng)的振動(dòng)受到風(fēng)荷載的影響。而自然風(fēng)環(huán)境中的風(fēng)荷載較大時(shí)會(huì)威脅到車輛的行車安全[1]。對車輛的行車安全的評價(jià)大多數(shù)是基于車輛的氣動(dòng)力系數(shù),而后進(jìn)行車輛行駛時(shí)車輛的振動(dòng)及車輛輪壓的變化時(shí)程計(jì)算,最后對車輛的行車安全進(jìn)行評估。而車輛的氣動(dòng)特性不僅與車輛的外形有關(guān),還受到橋梁斷面形式及風(fēng)荷載的類型影響。所以,對車輛氣動(dòng)特性的正確評估,對車輛的振動(dòng)特性及行車安全的評價(jià)有著至關(guān)重要的作用。

對車輛氣動(dòng)特性的研究,目前主要有風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬2種方法[2-3],在研究車輛的氣動(dòng)特性的過程中,所建立的測試或計(jì)算模型可以分為車輛靜止與車輛運(yùn)動(dòng)2種。車輛氣動(dòng)特性的研究過程中,基于靜止車輛氣動(dòng)力系數(shù)的測試相對容易獲得,而對運(yùn)動(dòng)車輛進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)難度會(huì)增大。并且車輛的氣動(dòng)特性受到諸多因素的影響,如車輛的外部尺寸形式[4-5],車輛間的相互遮擋[6-7],由于結(jié)構(gòu)或地形環(huán)境影響的風(fēng)荷載變化[8]。

專家們對車輛氣動(dòng)特性的研究,得到了不同狀態(tài)下車輛的氣動(dòng)力系數(shù)數(shù)值大小,進(jìn)而對研究車輛在道路或橋梁上行駛過程中,車輛的行車舒適性及行車安全性的評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐,并且對車輛安全評價(jià)起著至關(guān)重要的作用。本文主要考慮車輛在大跨度橋梁上行駛過程中,路面的地表粗糙度、車輛運(yùn)動(dòng)模型及車-橋系統(tǒng)的振動(dòng)對車輛氣動(dòng)特性的影響,對比計(jì)算幾種不同狀況下車輛氣動(dòng)力系數(shù)的數(shù)值大小的差別,為車輛的行車舒適及行車安全評價(jià)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 風(fēng)-車-橋分析模型

在大氣邊界層內(nèi)自然環(huán)境的風(fēng)場的風(fēng)速隨著高度而變化,其特性受地球表面的地形特性影響,風(fēng)場沿豎向的變化即為風(fēng)速剖面,所以風(fēng)剖面指地表比較平坦并且有地表有較均勻的粗糙特性的地區(qū)中風(fēng)速隨豎向地表高度的分布規(guī)律,對于風(fēng)剖面的形式本文采用指數(shù)分布見式(1)。

(1)

對于湍流脈動(dòng)能k,表達(dá)式為式(2)。

(2)

對于大氣湍流特性的描述最基本的參數(shù)是湍流強(qiáng)度,湍流強(qiáng)度Iu(z)為離地表高度z、地面粗糙度類別的函數(shù),表達(dá)式為:湍流脈動(dòng)能耗散率ε,其中,Cμ=0.009,l=0.07L,L為特征長度。

為了研究在側(cè)向風(fēng)作用下車輛的氣動(dòng)特性的變化規(guī)律,選用橋梁模型大跨度為鋼箱梁斜拉橋進(jìn)行數(shù)值建模分析,選用車輛模型為大客車如圖1所示,橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖2所示。

圖1 大客車模型(單位:m)

圖2 橋梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位:mm)

2 風(fēng)-車-橋數(shù)值分析

本文研究對風(fēng)荷載的研究主要通過(Computation Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值模型的方法來進(jìn)行研究。對流場的分析采用計(jì)算流體力學(xué)進(jìn)行數(shù)值模擬,對瞬態(tài)問題的流體力學(xué)計(jì)算,需要借助隱式時(shí)間積分方案[9]。車輛行駛時(shí),車輛會(huì)受到來自車輛行駛時(shí)所產(chǎn)生的等效縱向風(fēng)荷載及不同風(fēng)速的風(fēng)攻角、風(fēng)偏角的自然風(fēng)綜合作用。則當(dāng)車輛在行駛過程中受到合成風(fēng)速UR、風(fēng)偏角為ψ的風(fēng)荷載作用時(shí),車輛受到的氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩為式(3)。

(3)

式中:Fx為作用于車體質(zhì)心的阻力;Fy為作用于車體質(zhì)心的側(cè)向力;Fz為作用于車體質(zhì)心的升力;Mx為作用于車體質(zhì)心的傾覆力矩;My為作用于車體質(zhì)心的翻轉(zhuǎn)力矩;Mz為作用于車體質(zhì)心的偏轉(zhuǎn)力矩。與風(fēng)荷載作用于車體上產(chǎn)生的六分力相對應(yīng)的為氣動(dòng)六分力系數(shù),其中:CD(ψ)為車輛的阻力系數(shù);CS(ψ)為車輛的側(cè)向力系數(shù);CL(ψ)為車輛的升力系數(shù);CR(ψ)為車輛的傾覆力矩系數(shù);CP(ψ)為車輛的俯仰力矩系數(shù);CY(ψ)為車輛的偏轉(zhuǎn)系數(shù)。

3 車輛氣動(dòng)力系數(shù)

3.1 路面粗糙度的影響

路面粗糙度不同,風(fēng)荷載剖面及脈動(dòng)風(fēng)強(qiáng)度不同,為了研究不同地表粗糙度類別對車輛及橋梁的氣動(dòng)特性的影響,分別取地表粗糙度α為0.12、0.16、0.22、0.3。4類不同的地表粗糙度時(shí),平均風(fēng)剖面如圖3所示。其中,以車輛位于來流方向第2車道為研究工況,以橋面下25 m處為零點(diǎn),參考點(diǎn)高度10 m處產(chǎn)的風(fēng)速為15 m/s,不同地表粗糙度下車輛的氣動(dòng)力系數(shù)如圖4、圖5所示。

圖3 風(fēng)剖面

圖4 車輛側(cè)向力系數(shù)

圖5 車輛氣動(dòng)力系數(shù)

路面粗糙度不同,造成豎向風(fēng)剖面不同高度處風(fēng)速大小有一定差別。路面粗糙度等級越高,在豎向風(fēng)剖面中空中風(fēng)速越大。而且隨著高度增大,各風(fēng)剖面間的風(fēng)速差異也就越大。可以看出,地表粗糙度不同時(shí),車輛的六分力氣動(dòng)力系數(shù)略有差異,由于車輛在側(cè)向風(fēng)荷載作用下,所以主要對比車輛的側(cè)向力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)的數(shù)值變化。以Ⅰ類地面粗糙度為標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)?shù)孛娲植诙确謩e為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ類時(shí),車輛的側(cè)向力系數(shù)最大變化9.6%、升力系數(shù)最大變化8.0%、傾覆力矩系數(shù)最大變化9.5%?？傮w由于車輛位置處的風(fēng)速隨著地表粗糙度增大而風(fēng)速增大,而車輛的氣動(dòng)力系數(shù)是由車輛的車體外表風(fēng)壓的合力構(gòu)成,所以車輛的氣動(dòng)力系數(shù)總體隨著地表粗糙度增大而略有小幅度減小。

不同路面粗糙度下風(fēng)荷載作用在車輛上時(shí),對車輛的氣動(dòng)特性來說,最終體現(xiàn)的是車輛受到的側(cè)向風(fēng)荷載的風(fēng)速作用均勻程度。由于車輛的豎向高度較小,所以不同梯度風(fēng)荷載的作用對車輛的氣動(dòng)特性影響不大。由此可看,對車輛的氣動(dòng)特性研究時(shí),風(fēng)荷載的選擇可以盡量考慮橋梁所在環(huán)境的實(shí)際地表粗糙度的類別。但如果研究車輛在橋上行駛過程中車輛的行車安全或行車舒適性時(shí),應(yīng)考慮具體環(huán)境下路面粗糙度對風(fēng)荷載的風(fēng)剖面的影響。

3.2 車輛行駛的影響

車輛在橋上行駛時(shí)車輛是運(yùn)動(dòng)的,但橋梁是靜止的。目前對車輛氣動(dòng)力系數(shù)的研究中,大多常見分析模型是車輛靜止在橋上而改變風(fēng)偏角進(jìn)行車輛風(fēng)荷載加載從而獲得車輛的氣動(dòng)力系數(shù),但車輛以不同速度在橋上行駛,而橋梁相對靜止時(shí),車輛的氣動(dòng)力系數(shù)是否存在差異需要作進(jìn)一步的研究。以大客車在大跨度鋼箱梁上為研究對象,采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)分別分析,車輛靜止在橋上改變風(fēng)偏角與車輛在橋上行駛采用合成風(fēng)速與風(fēng)偏角2種技術(shù)對車輛的氣動(dòng)特性進(jìn)行研究,其中車輛在橋上行駛時(shí),分別采用車輛以45 km/h、90 km/h 這2種工況進(jìn)行對比分析。車輛的氣動(dòng)三分力系數(shù)隨風(fēng)偏角的變化見圖6。

圖6 車輛三分力系數(shù)

總體比較可以看出,從車輛靜止到車輛行駛時(shí)車輛的氣動(dòng)力系數(shù)是增大的。當(dāng)車輛以90 km/h的速度行駛時(shí),車輛的側(cè)向力系數(shù)、升力系數(shù)、傾覆力矩系數(shù)相對最大,車輛以45 km/h的速度行駛時(shí)車輛的氣動(dòng)三分力系數(shù)數(shù)值大小介于車輛靜止與90 km/h速度行駛之間。以車輛靜止時(shí)車輛的氣動(dòng)力系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn),對比研究+40°～-40°風(fēng)偏角范圍內(nèi)車輛的側(cè)向力系數(shù)與傾覆力矩系數(shù)的變化幅度可以得到,當(dāng)車輛以分別以45 km/h、90 km/h的速度行駛時(shí),車輛的側(cè)向力系數(shù)最大增幅分別為19.89%與52.73%,車輛的傾覆力矩系數(shù)最大增幅分為17.28%與58.12%。

雖然2種研究方法導(dǎo)致車輛的氣動(dòng)力系數(shù)的數(shù)值大小存在差異,但車輛的氣動(dòng)三分力系數(shù)隨著風(fēng)偏角的變化規(guī)律基本一致。其中車輛的側(cè)向力系數(shù)與車輛的傾覆力矩系數(shù)均在0°風(fēng)偏角附近出現(xiàn)最大值,這說明車輛受到的合成風(fēng)偏角為0°作用時(shí),車輛外表面的風(fēng)壓荷載出現(xiàn)最大值,但對于車輛的側(cè)向力系數(shù)及車輛的傾覆力矩系數(shù)確不一定為最大值。而車輛的升力系數(shù)最大值出現(xiàn)在風(fēng)偏角為±40°附近時(shí)。

車輛在橋上靜止與車輛在橋上行駛2種不同的分析模型對車輛的氣動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行研究,所得到的車輛的氣動(dòng)力系數(shù)存在差異。導(dǎo)致2種研究方法存在差異的要本原因是,對于車輛受到的合成風(fēng)速與風(fēng)偏角雖然相同,但是2種研究方法中橋梁受到的合風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)偏角確存在較大差異。這是因?yàn)?車輛受到的風(fēng)荷載為車輛行駛產(chǎn)生的風(fēng)荷載與外界自然風(fēng)荷載的合成作用,而橋梁則只受到外界風(fēng)荷載的單獨(dú)作用。由此可看,當(dāng)研究車輛的氣動(dòng)力系數(shù)時(shí),需要考慮車輛在橋上行駛時(shí)實(shí)際的行駛速度,進(jìn)行有針對性的研究車輛的氣動(dòng)特性。

4 結(jié)論

本文對風(fēng)-車-橋耦合系統(tǒng)建立了風(fēng)-車-橋三維空間分析模型,針對不同地表粗糙度類別及車輛靜止與車輛行駛狀況,對車輛及的氣動(dòng)力系數(shù)的差別進(jìn)行了進(jìn)一步的分析,得到主要結(jié)論:

(1) 側(cè)向風(fēng)荷載作用下,研究車輛及橋梁的氣動(dòng)力系數(shù),需要考慮側(cè)向風(fēng)荷載的梯度風(fēng)剖面的影響,盡可能考慮實(shí)際地表路面粗糙度的影響。

(2) 研究車輛在橋上行駛時(shí)車輛的氣動(dòng)力特性時(shí),需要考慮實(shí)際車輛的行駛速度進(jìn)行分析車輛的氣動(dòng)力系數(shù)。

(3)分析風(fēng)荷載作用下車輛在橋上的行車安全臨界風(fēng)荷載,應(yīng)考慮車橋系統(tǒng)周圍環(huán)境及車橋耦合效應(yīng)的影響。