風屏障對平層公鐵橋上列車防風效果分析

劉葉，王方立，韓艷，胡朋

風屏障對平層公鐵橋上列車防風效果分析

劉葉1，王方立2，韓艷1，胡朋1

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

為探討風屏障的防風效果，對側風作用下平層公鐵橋梁?列車?風屏障系統氣動特性進行了風洞試驗研究，針對兩類風屏障的不同透風率和高度對不同風偏角下橋上中間列車的三分力系數進行測試，研究了風屏障在不同風偏角下的傾覆力矩系數的折減系數。研究結果表明：風屏障在橋面上安裝位置不同，對列車氣動力特性影響有明顯區別；設置風屏障能夠有效減小作用在車輛上的三分力系數，給橋上列車提供更有利的行駛環境；風屏障的透風率比高度對列車氣動特性的影響要大。無風屏障作用時，側風下單車上游時列車的傾覆力矩系數最大，受風荷載影響最顯著。由于上游車的擋風作用，雙車交會時下游列車三分力系數較小，受風屏障和風偏角影響也較小。風偏角在0°～15°時，風屏障透風率和高度對風屏障防風效果影響不明顯；風偏角60°≤≤90°時，設置風屏障A的風速折減率要大于設置風屏障B的，防風效果更佳。

風屏障；公鐵平層橋面；車?橋系統；風洞試驗；氣動力系數

隨著高速鐵路的快速發展，側風作用下列車的行駛安全引起了人們的廣泛關注[1?2]。橋梁相對于地面高度較大，橋面處風速較大[3]，增大了橋上列車的風荷載。車橋耦合作用也會增大列車的動力響應，加大了橋上行車的不安全性。為了降低大風天氣橋上列車發生事故的可能性，在強風地區的橋上均會設置風屏障[4]，改善橋上的風環境，提高列車的行駛速度和安全系數。因此，風屏障對橋上列車行車防風性能的研究具有重要意義。

國內外相關學者針對風屏障的防風性能進行了大量研究。蘇洋[5]等人針對分離式公鐵雙層橋面橋梁?列車?風屏障系統氣動效應進行了風洞試驗，研究了有無風屏障對列車的氣動力系數的影響，討論了間隔高度對列車氣動力系數的影響情況。向活躍[6]等人利用風洞試驗和數值模擬2種方法，分別對風屏障作用下橋梁和列車的氣動特性進行了系統分析，研究表明：軌道上方的流場分布和車輛風荷載受風屏障高度和透風率影響較大。何旭輝[7]等人采用同步測壓方法，分析了風屏障對典型車橋組合狀態下列車的風壓分布特征，從流體力學角度解釋了風屏障的氣動效應機理。Telenta[8]等人通過改變風屏障的障條傾斜角度，對車輛氣動特性進行了研究，以車輛所受最小側向力為目標，對障條間距及傾斜角度進行了優化。Papesch[9]通過風洞試驗對鐵路橋上風屏障防風性能進行分析，研究了風屏障形式對車輛傾覆力矩的影響，并得到了合理的風屏障形式。Suzuki[10]等人研究了風屏障的防風性能，表明：路基、橋梁等下部結構及周圍地貌等因素對風屏障高度、透風率等參數最優值的選取有影響，可通過風洞試驗確定。張佳文[11]等人通過風洞試驗，研究了不同風屏障高度與透風率，以及風偏角對橋上高速列車氣動系數的影響情況。這些研究中橋梁斷面大多為箱形結構，橋面單一，僅部分針對分層或分離式公鐵兩用橋。對于不同風偏角下風屏障對公鐵平層橋上列車氣動特性的影響研究還未見報道。列車在側風環境中行駛，氣動特性與風偏角有關，運行速度和風速的改變會使發生變化，對不同風偏角下風屏障的防風性能研究具有現實意義。

公鐵平層橋梁結構較公鐵分層橋梁或一般公路橋梁結構面寬，橋上汽車、列車與橋梁間的氣動干擾較其他橋梁有顯著不同，還需考慮風屏障的影響。因此，開展公鐵平層橋梁?列車?風屏障系統間的相互氣動干擾研究，非常有意義。本研究以某公鐵平層大跨度斜拉橋為研究對象，擬對兩類風屏障考慮風屏障透風率和高度的影響下，對不同風偏角的橋上中間列車的三分力系數進行了風洞試驗。基于試驗結果，對比分析2種風屏障下橋上列車的氣動特性。計算橋上列車的傾覆力矩系數，研究不同風偏角下風屏障的透風率和高度，探討風屏障防風效果的影響。

1 風洞試驗

1.1 測試模型及裝置

試驗在長沙理工大學大型邊界層風洞實驗室中進行，該實驗室包括水平回流高風速試驗段(高速試驗段)和直流低風速試驗段(低速試驗段)。高速試驗段的尺寸為寬4.0 m×高3.0 m×長21 m，風速范圍為1.0～45.0 m/s。低速試驗段的尺寸為寬10.0 m×高3.0 m×長21.0 m，風速范圍為1.0～18.0 m/s。本次試驗在高速試驗段內的均勻流場中完成，試驗風速為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，公路與鐵路之間設防護欄。試驗中所有節段模型均采用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。橫風作用下外形復雜的頭車三維繞流特性顯著。中間車輛的外形相對比較規則，可通過測壓積分得到氣動力，精度可得到保證[12?13]，其結果可反映整車的氣動力。縮尺后的主梁與列車斷面組合如圖1所示。上游列車布置6個測壓斷面，下游列車布置2個測壓斷面，圖2的測壓斷面4為列車中心，每個測壓斷面有30個測壓點，列車測壓斷面及測壓孔布置如圖2,3所示。

采用等效透風率法進行風屏障縮尺模型風洞試驗時，保持透風率相同的情況下，通過適當增加孔徑，而減少開孔數量。風屏障A采用方形孔，布置在最外側防護欄所在位置；風屏障B采用圓孔形，布置在內側防護欄所在位置。本試驗主要針對這2種類型風屏障(如圖4,5所示)，3種透風率(20%、40%和60%)和3種高度(3.0 m、3.5 m和4.0 m)，研究其對車?橋系統氣動特性的影響。

橋梁采用2臺六分量應變天平測量氣動力和氣動力矩，而列車采用原裝進口美國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%，參考點的風速由皮托管測量得到。試驗中，采樣時長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 試驗工況及數據處理

為研究列車所在位置、雙車交會及不同風屏障組合對列車?橋梁系統氣動力的影響。試驗在均勻流場中以風速11.5 m/s進行，僅考慮0°風攻角，風偏角為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。

圖4 方形風屏障A不同透風率

圖5 圓形風屏障B不同透風率

本試驗主要考慮單獨設置風屏障A和B對橋上中間列車氣動特性的影響。主要試驗工況為單車上游(工況1)、單車下游(工況2)、雙車交會上游(工況3)和雙車交會下游(工況4)。

壓力系數反映結構某一點的受力情況。為研究列車受到的整體氣動力，將壓力系數對面積積分，得到列車的三分力系數。氣動力系數可以用體軸坐標系或風軸坐標系表示，本試驗選擇風軸坐標系下的靜力三分力系數為[14]：

式中：D、L和M分別為風軸系下模型的側力系數、升力系數和扭矩系數；、、分別為模型的高、寬、長；D、L、分別為風軸系下模型受到的側力、升力和力矩，由風壓積分得到；為來流平均風速。

2 車?橋?風屏障系統的列車氣動特性測試結果分析

2.1 風屏障安裝位置對列車氣動力系數的影響

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

工況1～4在A、B 兩類風屏障下，氣動力系數隨風偏角的變化情況(風屏障高3.0 m，透風率40%)如圖6所示。從圖6中可以看出，由于風屏障A和風屏障B在橋上安裝的位置不同，兩類風屏障對中間列車氣動力系數影響有明顯區別。風偏角小于45°時，工況1～3與風屏障B組合，其列車的側力系數和扭矩系數的絕對值均小于與風屏障A組合的；風偏角大于45°時，設置風屏障A的列車三分力系數的絕對值更小。雙車交會下游車的側力系數在4種測試工況中最小，主要是由于上游車的擋風作用，使得雙車交會下游車的側力系數和扭矩系數基本不受風屏障類型影響，僅隨風偏角發生微小變化。設置風屏障B時，在工況1～3下列車三分力系數的絕對值均隨風偏角的增大而增大，列車迎風面與背風面的壓差和車體頂部與底部的壓差均隨風偏角的增大而變大，使得列車受到的側力和升力較大。單車上游與雙車交會上游車的側力系數一致，表明：雙車交會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要大于單車下游的，風屏障對列車氣動力的影響機理與列車所處上下游位置相關。設置風屏障A時，在工況1～3工況下，列車的側力系數隨風偏角影響趨勢一致，升力系數和阻力系數隨偏角變化規律性不強。4種測試工況在橫風作用下，與風屏障A組合能更有效降低列車的三分力系數。

2.2 風屏障透風率對列車氣動力系數的影響

單車上游時，列車氣動力系數隨風屏障透風率和風偏角的變化情況(風屏障高3.0 m，工況1)如圖7所示。從圖7中可以看出，風屏障能有效改善側風作用下橋上列車氣動性能，提高列車在大風環境下的運行安全。風偏角大于30°時，單車上游，列車的側力系數隨風屏障透風率的增大而增大，小透風率的風屏障承受了較多側向風荷載。風屏障透風率為60%時，A、B兩類風屏障下，列車的側力系數曲線吻合，表明：此時列車迎風面與背風面壓差只與風屏障的透風率有關。設置風屏障B時，列車的側力系數和升力系數隨風偏角的變化趨勢與無風屏障時的相似，均隨風偏角的增大而增大。設置風屏障A時，風偏角小于30°，風屏障透風率的大小對列車三分力系數沒影響；當風偏角大于75°時，能更有效降低列車的三分力系數。

圖7 單車上游列車在不同風屏障透風率下的三分力系數

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

2.3 風屏障高度對列車氣動力系數的影響

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

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

圖8 橫風下列車三分力系數隨風屏障A透風率變化情況

從圖10中可以看出，當風屏障高度超過3.5 m時，單車下游列車的側力系數不發生變化，列車迎風面與背風面壓力的變化不明顯。雙車交會下游列車的扭矩系數為正值，與其他3種測試工況相反。單車上游和雙車交會上游列車的側力系數和扭矩系數受風屏障高度的影響趨勢相同。列車4種測試工況下，升力系數隨風屏障高度的變化規律不明顯。

3 風屏障防風效果研究

高速列車在強側風下發生傾覆，主要是高速列車側力、升力和二者共同產生的傾覆力矩過大造成的。傾覆力矩反映列車在橫風作用下的傾覆性能，是衡量列車橫風穩定性最重要的指標。為了探討風屏障的防風效果，可以用三分力系數分量來定義列車的傾覆力矩系數[15]，其表達式為：

圖9 單車上游列車在不同風屏障高度下的三分力系數

式中：x和y分別為升力臂和阻力臂。

工況1～4測試工況在無風屏障作用下列車的傾覆力矩系數隨風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均隨風偏角的增大而增大，90°橫風下的列車傾覆力矩系數最大，行駛安全性問題最突出。單車上游列車傾覆力矩系數在4種測試情況中最大，受風荷載影響最顯著；雙車交會上游與單車上游列車傾覆力矩系數隨風偏角變化趨勢基本一致，數值也相差不大。表明：雙車交會下游列車對上游列車的氣動干擾不明顯。由于雙車交會下游列車受上游列車對風荷載的遮擋作用，使得雙車交會時下游列車的傾覆力矩系數最小，列車運行偏安全。

式中：OW為有風屏障情況下的傾覆力矩系數；O為無風屏障時的傾覆力矩系數。

圖11 列車傾覆力矩系數隨風偏角變化情況

從圖12中還可以看出，風偏角在0°～15°范圍內，風屏障的透風率和高度對風屏障的防風效果影響不明顯。風偏角小于30°時，設置風屏障B的傾覆力矩系數的折減率均大于設置風屏障A的。風偏角大于60°時，風屏障A的防風效果明顯比風屏障B的好。橫風下，風屏障A的防風效果要優于風屏障B的。

圖13 橫風下風屏障A不同透風率和高度對列車的防護效果

4 結論

以某公鐵平層橋面橋梁?列車?風屏障系統為研究對象，通過對不同工況下的列車三分力系數的測試，分析了風屏障的類型、透風率和高度對橋上列車氣動力系數的影響，并對不同風偏角下風屏障的防風性能進行了研究，得出的結論為：

1) 設置風屏障，能夠顯著減小列車的三分力系數。風屏障透風率大小較風屏障高度對列車的氣動特性影響。風屏障在橋面上安裝位置不同，對列車氣動力系數的影響也有明顯區別。設置風屏障B時，列車的三分力系數絕對值隨風偏角的增大而增大，與無風屏障時列車三分力系數變化規律較接近。

2) 無風屏障作用時，側風下單車上游列車的傾覆力矩系數最大，受風荷載影響最顯著。雙車交會上游列車側力系數隨風偏角變化的趨勢與單車上游列車的一致，雙車交會下游列車對上游列車干擾作用不明顯。雙車交會下游列車的三分力系數較小，受風屏障和風偏角的影響小，主要由于上游列車對其擋風作用明顯。

3) 風偏角在0°～15°范圍內，傾覆力矩系數的折減率主要隨風偏角的增大而增大，風屏障的透風率和高度對防風效果影響不明顯。風偏角小于30°時，設置風屏障B的傾覆力矩系數折減率均大于設置風屏障A的；風偏角大于60°時，風屏障A的防風效果明顯要比風屏障B的好。90°橫風下，設置風屏障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，可以通過轉動列車模型模擬列車相對風速風偏角的變化，測得的列車氣動力結果與運動狀態下列車各相對風速風偏角的較吻合。但對于列車?橋系統而言，由于只有列車沿橋軸方向(順橋向)運動，而橋梁在列車運動方向是不動的，兩者與氣流的相對風偏角不一樣。因此，測得的列車相對風速風偏角的氣動力，會存在一定的誤差。但本研究的試驗結果可以定性地反映風屏障各參數對列車氣動特性的影響，對風屏障的設計具有一定的指導意義。后期會研發移動列車測試裝置與方法，進一步研究移動列車氣動力隨風偏角的變化情況。

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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

國家自然科學優秀青年基金項目(51822803)

劉葉(1995?)，女，長沙理工大學博士研究生。