風障對橋上高速列車氣動特性影響的風洞試驗

張佳文，郭文華, 2，熊安平，項超群，王嘉奇

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風障對橋上高速列車氣動特性影響的風洞試驗

張佳文1，郭文華1, 2，熊安平1，項超群1，王嘉奇1

(1. 中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2. 中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南長沙，410075)

為考慮側風作用下風障對橋上高速列車氣動特性的影響，以高速列車與雙線簡支箱梁橋為原型，自主研制了縮尺比為1:20的風障?車?橋模型風洞試驗模型裝置。測試高速列車的頭車、中車及尾車各自的氣動力。分析風速、列車位于橋梁的橫向位置、不同風障高度與透風率、風偏角對高速列車氣動系數的影響，最后以靜力輪重減載率作為風障防風效果評價指標，給出風障氣動選型參數建議值。研究結果表明：雷諾數對車?橋系統的氣動性能影響有限；橋梁上設置風障可明顯減小列車所受氣動力；列車位于迎風側線路時運行時所受氣動荷載較大；隨著風障高度的增大，列車氣動力系數減小；當風障增加到某一高度后列車氣動系數基本不再隨風障高度變化，但隨著透風率增大而增大；當風偏角小于等于20°時，高度為4 m，透風率為0%風障的擋風效果較好，而當風偏角大于20°時，高度為4 m，透風率為30%風障的擋風效果較優。研究結論可為實際工程中風障氣動選型提供 參考。

風障；側風；高速列車；風洞試驗；氣動力系數；高度；透風率

隨著我國第六次鐵路大提速和高速鐵路的大規模建設，鐵路橋梁在全部線路中所占比重越來越大。與常規地面運行環境區別較大，鐵路橋梁橋面高程一般較高，在橋上行駛的高速列車受到風的作用也更大。其次，高速列車采用大型中空鋁合金型材料或不銹鋼薄筒型輕量化結構，自身結構輕柔，加之運行速度高，側風對高速列車的影響更加明顯。已有研究表明[1]：風障是改善高速列車在橋梁風環境中行車安全問題的一種有效途徑，沿線路一側或兩側設置風障為高速列車創造一個相對低風速的局部運行環境，可顯著提高高速列車的臨界車速。由于風障造型的多樣性，從中優選哪種安全、經濟、實用的方案至今還沒有成熟的理論來指導，因此確定風障的結構參數與橋上高速列車所受氣動力規律是十分必要的。目前針對鐵路橋梁上輕型風障的風洞試驗研究較少，國內、外研究主要集中在公路橋梁上的輕型風障與鐵路路堤上的重型擋風墻方面。阮欣等[2]提出了杭州灣跨海大橋設置風障必要性的風險評估方法和風障方案優選風險評估方法；英國Flint&Neill公司采用節段模型研究了在塞文橋橋塔附近安裝不同形狀和高度的風障的效果，同時在車輛模型上挑選不同點來測量造成其傾覆的風 速[3]；Charuvisit等[4?5]通過風洞試驗分析了車速、風速以及風障對車輛通過橋塔尾流區時車輛所受的風速和氣動力沿車輛行駛方向分布的影響；王厚雄等[6]以高路堤上單線鐵路為研究對象，利用風洞試驗研究了高路堤及單側擋風墻對大風特性和車輛橫風氣動特性的影響；劉賢萬等[7]通過風洞試驗研究高路堤上的單側擋風墻及其流場分布；日本鐵路對線路構造形式、風障、車輛等組合進行了一系列風洞試驗，研究認為風障的減風效果依賴風障高度和透風率的影響[8]；向活躍等[9]通過風洞試驗測試了不同開孔形式風屏障作用下車輛的氣動力系數，分析了風屏障的孔徑和開孔形狀對車輛氣動特性的影響，討論了圓孔形風屏障與縱條形風屏障的相似性。唐煜[10]通過擋風屏?列車?橋系統的風洞節段模型試驗研究了不同高度、不同透風率擋風屏對列車氣動力系數的影響；梅群峰[11]和權曉亮[12]在唐煜[10]的基礎上通過1:8大比例擋風屏?列車?橋系統的整體模型風洞測試了列車中車氣動力系數，頭車和尾車僅為氣動補償段。風障結構造型有2種：直線型與曲線型。高速鐵路中小跨度橋梁風障的設置常用直線型[13]。典型的風障設計為縱橫相間的欄桿或多孔板，已有風洞試驗顯示風障的孔隙形式對風場的影響不明顯[13]，高度與透風率才是決定風障擋風效率的根本參數。風障高度應視實車高度(一般在3.5~4.0 m之間)而定，風障越高越不經濟且增加橋梁自身荷載。在鐵路橋梁上多采用有一定透風率的雙側風障。已有分析表明[11]：考慮橋梁自身的安全性，帶有一定的透風率，將更合理。根據已有的關于透風率研究發現：當透風率為10%~20%時風障的擋風效率高達75%~90%(即風速降低到無風障時的10%~25%)[14]，但它對整個橋梁帶來了很大的氣動阻力荷載，并且可能引起橋梁動力穩定性的下降。透風率在40%~50%之間的風障既能夠提供足夠的擋風效率，又限制了氣動阻力的增幅和穩定性的下降[15?16]?，F有的考慮風障的風洞試驗研究多采用常規縮尺比(1:45左右)節段模型。節段模型無法真實反映風障?車?橋梁間的三維繞流特性，忽略風沿結構展向變化的影響[17]。其次，常用縮尺比較小對列車與橋梁細節模擬得不夠精細且不符合實際情況，導致測定的列車升力難以反映真實情況。可能導致試驗結果與實際風障?車?橋系統所受風荷載出入較大，從而導致對真實高速列車氣動性能的誤判，造成防風措施無效或經濟上浪費，因此應開展大縮尺比風障?車?橋整體模型(通常為1:15~1:20)風洞試驗，并考慮車輛在不同編組位置時的影響。本文作者自主研制縮尺比為1:20的風障?車?橋組合整體模型試驗裝置，分別采用高速列車的三車模型與三跨雙線簡支箱梁模型，嚴格模擬高速列車外型，風障可任意調整高度與透風率等結構參數，測試橋上高速列車頭車、中車及尾車的氣動參數，討論風速、車輛在橋面橫向相對位置、風障高度與透風率、風偏角對高速列車氣動特性的影響，以靜力輪重減載率評價風障的防風效果進而選擇合理的風障氣動參數，為風障氣動參數與列車氣動力關系的確定提供參考依據。

1 風障?車?橋模型試驗裝置

本文的風洞試驗在中南大學高速鐵路建造技術國家工程實驗室風洞實驗室低速試驗段進行，風速范圍為0~18 m/s，該試驗段寬為12 m、高為3.5 m、長為18 m，中間為直徑5 m、可旋轉360°的轉盤，轉盤中心距試驗段來流方向前緣12 m，距來流方向后緣6 m。綜合考慮風障、橋梁與列車的幾何尺寸、風洞阻塞比的影響及車輛和橋梁間的氣動相互作用，試驗模型采用1:20的幾何縮尺比例加工制作，模型列車的外形復雜程度與實車相同，其中頭(尾)車長為1.225 m，中車長為1.25 m。橋梁模型總長為4.8 m。圖1所示為列車模型與橋梁模型橫截面尺寸。

單位：mm

風障模型為直線型風障且為可拆卸結構，可進行不同高度和不同透風率的若干工況的模型試驗。風障采用一系列分布均勻的細長葉片來模擬風障，葉片采用輕質高強塑料，箱梁兩側一共布置18段風障，由3根立柱將每段風障固定在箱梁上，立柱采用輕質鋼材，可以確保風障受側風作用時具有良好的穩定性能。風障的透風率主要取決于葉片和墊片的尺寸與數量，試驗中通過減少葉片增加墊片的數量來增大透風率，反之透風率減小。葉片和墊片厚度為1.0 cm和0.5 cm 2種規格。

2 試驗內容

2.1 測試工況

表1所示為風障氣動選型試驗工況。為了研究不同高度、不同透風率的風障對橋上高速列車氣動力的遮擋效果，先初步選定一個合理的風障參數(見表1)，研究這9種風障工況對列車氣動性能的影響。

表1 風障氣動選型試驗工況

在風洞試驗中，通過360°旋轉的轉盤可方便模擬風偏角、列車在橋面橫向位置的影響。風偏角分別為0°，10°，20°，30°，40°，60°和90°，列車分別處于迎風側線路、背風側線路。在以上12個子工況下測試了列車模型的頭車、中車、尾車的氣動力。

2.2 測試儀器

本文試驗采用JR3動態六分量應變天平測試列車的氣動力，其和方向力的量程F和F均為0~100 N，方向力的量程F為0~200 N，繞，和軸的力矩M，M和M的量程為0~7 N?m。在轉盤轉動過程中，測力天平不會與車體發生相對轉動。天平信號經放大后由計算機數據分析軟件采集。為提高測試數據的穩定性與可靠性、盡量消除外界干擾的影響，每次測試之間間隔時間1 min。采集系統由1個通道組成，設定每次數據采集時間為30 s，采樣頻率為2 000 Hz。為了保證試驗數據的準確性及提高試驗效率，對每一工況進行2次測試，將2次試驗結果的平均值作為該工況的最終取值。

3 數據處理氣動力系數定義

圖2所示為列車氣動力六分力氣動力示意圖。側風作用下高速列車主要受6個氣動力的作用[18]，即側力F、阻力F、升力F、俯仰力矩M、側傾力矩M和側偏力矩M。

圖2 列車氣動力六分力氣動力示意圖

列車六分力系數為風偏角(即來流速度矢量與列車縱向中心線之間的夾角，?平面內)的函數。在體軸坐標系下，列車六分力系數定義[19]如下。

側力系數：

阻力系數：

升力系數：

仰俯力矩系數：

側傾力矩系數：

側偏力矩系數：

式中：為合成風速，即風洞試驗時試驗風速；為空氣密度，取1.225 kg/m3；，和分別為列車的高度、寬度和長度，在計算頭(尾)車和中車對應的六分力系數時采用的參考長度不同。

力矩除與以上參數有關以外，還與力矩矩心的位置有關。由于測力天平與測試車體內部的上頂面直接相連，測力天平的原點在各測試車體上表面連接件的形心位置。所有模型車和橋采用統一坐標系，坐標原點均在測力天平與模型的連接位置[20]。

4 試驗結果及分析

4.1 雷諾數的影響

考察雷諾數對高速列車(無風障)氣動特性的影響，表2給出了10.0，12.5和15.0 m/s 3種試驗風速下，列車分別位于迎風側線路與背風側線路時的氣動系數。由表2可見：高速列車各氣動系數在不同風速下個別數據存在較大差異，但大部分氣動系數差異不明顯。因為列車與簡支箱梁形成一個更大的鈍體結構，使得雷諾數對列車的氣動性能影響不大?？紤]到較低風速時模型所受風荷載相對較小、測試誤差略大，故取風速為15.0 m/s時測試結果作為相應工況的實測值。

表2 列車氣動系數(β為90°)

4.2 風障高度對列車氣動力影響

考察風障高度對橋上高速列車的擋風效果，圖3所示為=90°時不同風障高度下列車各氣動系數 曲線。

(a) 側力系數；(b) 阻力系數；(c) 升力系數；(d) 仰俯力矩系數；(e) 側傾力矩系數；(f) 側偏力矩系數

由圖3可知：1) 與無風障時相比，橋梁上設置風障后，列車的六分力系數明顯減小。氣動系數減小的幅度受風障高度影響較大，但當風障增加到某一高度后基本不再隨風障高度變化，減風效果不再明顯； 2) 當風障高度大于等于4 m時，列車的氣動力系數減小幅度不大，列車的側力、升力、側傾力矩在風障大于等于3 m高時有上升趨勢，而升力在風障高于4 m時有減小趨勢。當風障高度超過4 m還增加高度，對提高行車安全性效果不太明顯。3) 當風偏角為90°且風障高度小于等于3 m時，高速列車位于橫橋向的不同位置時存在明顯不同的氣動干擾，其中迎風側線路時車輛氣動系數變化幅度較大，對橋上高速列車的氣動特性影響顯著；而背風側線路時車輛風荷載變化幅度相對較小，對其氣動特性影響不明顯。迎風側線路中車的側力、升力、側傾力矩系數變化比迎風側線路頭車、尾車的大，而其他系數變化的幅度較小。

4.3 風障透風率對列車氣動力影響

根據上述試驗結果，初歩確認高度為4 m的風障最有利于列車的安全運行?？紤]到風障自身結構安全和橋梁安全的影響，具有一定的透風率將更有利于風障?列車?橋的安全。圖4所示為=90°時同一風障高度(4 m)不同風障透風率下高速列車氣動系數曲線。

(a) 側力系數；(b) 阻力系數；(c) 升力系數；(d) 仰俯力矩系數；(e) 側傾力矩系數；(f) 側偏力矩系數

由圖4可知：1) 在同一風障高度下，隨著透風率的增加，由于有更多的風作用在列車表面，因此列車六分力系數有增大的趨勢；2) 當風偏角為90°時，列車各分力系數在迎風側線路運行時總比在背風線路時大，即列車在橋梁上迎風側運行時略為不利。迎風側線路中車的側力系數、升力系數、側傾力矩系數增加的幅度比迎風側線路頭車、尾車的大。迎風側線路中車的側力系數、升力系數、側傾力矩系數變化比迎風側線路頭車、尾車的大，而無論位于迎風側線路或背風側線路中車的阻力系數、仰俯力矩系數、側偏力矩系數變化的幅度很小，對其氣動特性影響不顯著，且頭車尾車出現對稱現象；3) 當風障透風率大于等于30%時，橋上高速列車的各氣動力系數增大，其中側力系數、升力系數、側傾力矩系數增大幅度較大。當透風率超過30%后，風障的擋風效果不好，對提高行車安全性效果不利。

4.4 風偏角對列車氣動力影響

一般來說，迎風側線路頭車對風最為敏感，最易發生傾覆[21?22]，行車安全由頭車控制，因此風障設置主要考慮對頭車的防風效果。根據前面風障氣動選型試驗的結果，初歩確認4 m高、30%透風率的風障最有利于列車的安全運行。為了進一歩確認風障氣動選型后的風障對高速列車的擋風效果，圖5所示為橋梁設置4 m，30%透風率風障時橋上高速列車隨風偏角變化六分力系數變化。

(a) 側力系數；(b) 阻力系數；(c) 升力系數；(d) 仰俯力矩系數；(e) 側傾力矩系數；(f) 側偏力矩系數

分析圖5可知：1) 隨風偏角的變化，透風率為0%時車輛氣動系數變化幅度較大且規律不明顯，而其他透風率的分力系數曲線變化較為平緩；當風偏角為60°時，側力、升力、側傾力矩系數曲線均發生轉折變化，因為列車對側風的有效阻擋面積最大；2) 當風偏角小于40°時，4 m高，30%透風率的側力系數、仰俯力矩系數、側傾力矩系數、側偏力矩系數比透風率為0%的變化小。當風偏角為90°時，0%透風率的各分力系數是最小的，說明當列車靜止時0%透風率的風障擋風效果最好，且30%透風率與0%透風率的各分力系數相差不大。

5 風障擋風效果評價

風障防風效果的評價關鍵在于選擇合適的評價指標[23]。從力學的角度出發，通過解耦作用在車體上列車六分力，可以單獨解出列車8個輪子的等效豎向力。由于測力天平的原點在各測試車體天平上表面形心，坐標軸在車體的上表面，力的方向與坐標軸保持一致，如圖6所示(僅以仰俯力矩與側力為例)。當力的方向為正值時為減載效應，當力的方向為負值時為加載效應。根據靜力平衡原理可得車輪的等效豎向力：

式中：Δ1，Δ3，Δ5和Δ7分別為1，3，5和7號車輪的等效豎向力；為軌距；1為坐標原點到3(4，5和6)號車輪的距離；2為坐標原點到1(2，7和8)號車輪的距離。同理，2，4，6和8車輪的等效豎向力據此類推。

(a) 車輛側面與對應底部圖；(b) 車輛正面圖

圖6 等效豎向力示意圖

Fig. 6 Equivalent vertical force

定義靜力輪重減載率為車輪的等效豎向力與輪重的比值，即Δ/，其中為列車的輪重[19]。通過分析8個車輪的靜力輪重減載率就可以判斷不同風障工況下列車氣動性能，進而可對風障擋風效果進行評估，選出合理的風障氣動選型參數。CRH型高速列車為8輛編組總質量為380 t，每個輪重平均為59 375 N。以試驗風速15.0 m/s為例研究不同風障工況下高速列車位于迎風側線路時頭車的靜力輪重減載率的最大值估算見表3~4。

表3 透風率為0%時不同風障高度時靜力輪重減載率

表4 高度為4 m時不同風障透風率時靜力輪重減載率

從表3~4可知：隨著風障高度增加，8個輪子的靜力輪重減載率均有減小的趨勢；在一定風障高度下隨著透風率的增加列車的8個輪子的靜力輪重減載率均有增大的趨勢。通過對比分析可以看出：無風障時最大靜力輪重減載率為9.88%，4 m風障的最大靜力輪重減載率為1.13%。當高度4 m、透風率30%風障在風偏角小于或等于20°時，透風率0%時的靜力輪重減載率最大值比透風率30%時的小，說明無透風率風障擋風效果較好，而當風偏角大于20°時，透風率30%比透風率0%的靜力輪重減載率最大值小，該風障也能達到較好的擋風效果。

6 結論

1)綜合考慮列車與橋梁間的相互氣動影響，自主研制了風障?車?橋模型試驗裝置，風障為可拆卸結構，該系統可改變風速、風偏角、測試對象及車輛和橋梁的相對位置、風障高度、透風率等系統參數。車橋模型裝置除能模擬車輛與橋梁之間的氣動作用外，還可以考慮風障(或聲障)對車?橋的氣動作用，且適當改造后可考慮模擬路基、線路周邊建筑等各種環境因素。

2)雷諾數效應對橋上高速列車氣動力系數的影響較為有限，其規律不明顯?？紤]到較低風速時模型上的風荷載相對較小、測試誤差略大，故取較高風速的測試結果較為合理。

3) 風障能有效改善強側風作用下運行于橋上高速列車氣動性能。橋梁上設置了風障后，高速列車的六分力系數明顯減小，說明風障的設置對提高列車的行車安全性有顯著的影響，因此，在強側風的環境下，高速鐵路橋梁加設風障擋風結構是保證列車運營安全的有效措施。列車在橋上橫向位置的不同對其自身氣動性能的影響，結果表明迎風側的列車氣動系數受風障影響普遍大于背風側列車氣動系數，即列車位于迎風側線路運行時略為不利。

4) 高度與透風率是風障氣動選型的主要參數。當風障增加到某一高度時各氣動系數得到了有效減小且之后其擋風效果基本不再隨高度變化。當風障高度超過4 m還繼續增加高度，對提高行車安全性效果不太明顯?？紤]到風障自身結構安全和橋梁安全，具有一定的透風率將更有利于風障?車?橋的安全。隨著風障透風率的增加，列車六分力系數都有增大的趨勢，但當透風率為30%時，列車頭車的各氣動系數均較小，列車運行危險性較低。當風偏角為90°時列車中車的側力系數、升力系數、側傾力矩系數是最大的，也從風洞試驗的角度驗證了二維CFD數值模擬時，風速入口條件只取風偏角為90°是偏于安全的。

5)根據靜力學的力矩平衡原理，以靜力輪重減載率是評價風障擋風效果的關鍵參數。綜合考慮到不同風障工況下的列車六分力系數，建議當風偏角較小(小于等于20°)時，可選取高4 m、透風率0%的風障較為合理。而當風偏角較大(大于20°)時，可選取高4 m、透風率30%的風障擋風效果較為理想。因此，風障的設置可根據高速鐵路沿線的實際風速情況及既有線上的運營經驗選擇合理化風障氣動選型參數。

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Experiment study on the effect of wind barrier on aerodynamic characteristics of high-speed train on bridge

ZHANG Jiawen1, GUO Wenhua1, 2, XIONG Anping1, XIANG Chaoqun1, WANG Jiaqi1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction,Central South University, Changsha 410075, China)

In order to investigate the effects of wind barrier vehicle on the aerodynamic characteristics of a vehicle-bridge system under crosswind, a high-speed train model and simple support bridge with double lines were designed to measure the aerodynamic forces acting on the vehicles and bridge by a self-developed wind tunnel test model with a scale of 1:20. The aerodynamic force coefficients of head train, middle train, and rear train of high-speed train were tested. Wind speed, laterally relative position of vehicle and bridge, the height and ventilation of the wind barrier, and yaw angle were investigated to demonstrate their effects on aerodynamic force coefficients of vehicles on bridge. Based on the criteria of static percent of wheel load, the optimal aerodynamic parameters of wind barriers were selected accordingly. The results show that the impact of Reynolds number on vehicle-bridge system is limited; the bridge structure arranged on the wind barrier can obviously reduce the train for the aerodynamic force; the train running in windward is greater than that in leeward; aerodynamic force coefficients of the train tend to increase with the increase of height of wind barrier, and when wind barrier is high enough, it has no influence on the aerodynamic forces, but the coefficients of the train increase with the increase of wind ventilation; when the yaw angle is below or equal to 20°, the bridge is provided with 4 m and 0% ventilation rate wind barrier structure is good, but when the yaw angle is greater than 20°, the performance of 4 m and 30% ventilation rate, wind barrier structure is the most reasonable. The research conclusion can guide significance and reference value in selecting the concrete wind barrier parameters.

wind barrier; crosswind; high-speed train; wind tunnel test; aerodynamic force coefficients; height; ventilation rate

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.044

TU393.3

A

1672?7207(2015)10?3888?10

2014?03?13；

2014?05?20

國家自然科學基金資助項目(51078356)；鐵道部科技研究開發計劃重大項目(2008G031-Q)(Project (51078356) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2008G031-Q) supported by the Major Project of Science and Technology Research and Development Plan of Ministry of Railway)

郭文華，教授，博士生導師，從事橋梁結構振動與穩定、風工程研究；E-mail：whguo@126.com

(編輯 陳愛華)