風(fēng)屏障對(duì)簡(jiǎn)支箱梁橋上風(fēng)場(chǎng)分布影響的試驗(yàn)研究

邱曉為， 李小珍， 譚懿玲， 李星星， 肖 軍,2,3

(1. 西南交通大學(xué) 橋梁工程系, 成都 610031； 2. 中交第二公路工程局有限公司， 西安 710065；3. 中交公路長(zhǎng)大橋建設(shè)國(guó)家工程研究中心有限公司，北京 100011)

列車(chē)在大風(fēng)條件下高速運(yùn)行時(shí)，存在著不容忽視的安全風(fēng)險(xiǎn)，其空氣動(dòng)力性能惡化，不僅升力、橫向力迅速增加，還影響橫向穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致列車(chē)傾覆[1-4]，因強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致的列車(chē)晚點(diǎn)停運(yùn)或傾覆事故屢見(jiàn)不鮮[5-6]，如日本自1872年有鐵路運(yùn)輸以來(lái)，共發(fā)生了30多起由風(fēng)引起的列車(chē)事故[7-8]；中國(guó)蘭新線自通車(chē)以來(lái)因大風(fēng)引起的列車(chē)脫軌、傾覆事故多達(dá)30多起，吹翻貨車(chē)100多輛[9]；京滬高速鐵路沿線每年最高風(fēng)速大于20 m/s的次數(shù)約為19.2次[10]，對(duì)列車(chē)的行車(chē)安全性影響較大。相關(guān)學(xué)者通過(guò)將列車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)相結(jié)合，對(duì)強(qiáng)側(cè)向風(fēng)作用下車(chē)-橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究[11-12]，根據(jù)強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下列車(chē)運(yùn)行安全保障體系[13]，與優(yōu)化列車(chē)外形、限制或停止列車(chē)運(yùn)行等措施相比，大風(fēng)區(qū)設(shè)置風(fēng)屏障是提高既有線路列車(chē)安全運(yùn)行的有效措施[14-15]。

沿線路設(shè)置風(fēng)屏障可以為列車(chē)創(chuàng)造一個(gè)相對(duì)低速的局部運(yùn)行環(huán)境，進(jìn)而有效提高列車(chē)行車(chē)安全性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)屏障防風(fēng)性能做了廣泛地研究。研究表明：風(fēng)屏障的遮擋效應(yīng)主要受其設(shè)置高度、設(shè)置方向、透風(fēng)率、孔隙分布等特征參數(shù)的影響[16]，相較于其他特征參數(shù)，風(fēng)屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)往往取決于選擇最佳的透風(fēng)率[17]，Seginer[18]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量結(jié)果表明風(fēng)屏障的透風(fēng)率是決定其尾流特性最為重要的設(shè)計(jì)參數(shù)；Dong等[19]利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)試驗(yàn)方法研究了風(fēng)屏障后的瞬時(shí)速度場(chǎng)，表征了湍流場(chǎng)對(duì)風(fēng)屏障的遮蔽效應(yīng)有很大影響，優(yōu)化了風(fēng)屏障的高度和透風(fēng)率；向活躍等[20]采用風(fēng)壓排管測(cè)試技術(shù)開(kāi)展了風(fēng)洞模型試驗(yàn)，并結(jié)合數(shù)值模擬研究了風(fēng)屏障特征參數(shù)對(duì)典型線路軌道上方風(fēng)壓分布的影響，分析了風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理。除關(guān)注風(fēng)屏障遮蔽效應(yīng)下的流場(chǎng)特性之外，相關(guān)學(xué)者結(jié)合列車(chē)和橋梁的流場(chǎng)和氣動(dòng)力開(kāi)展了關(guān)于風(fēng)屏障遮蔽效應(yīng)的研究，如He等[21-24]基于同步測(cè)壓技術(shù)與數(shù)值仿真方法研究了風(fēng)屏障特征參數(shù)對(duì)典型列車(chē)-橋梁系統(tǒng)氣動(dòng)力的影響，為提高列車(chē)在側(cè)風(fēng)條件下在橋上運(yùn)行安全性，提出了一種可調(diào)節(jié)的百葉式風(fēng)屏障；Guo等[25-26]通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)分析了風(fēng)屏障特征參數(shù)對(duì)車(chē)橋系統(tǒng)氣動(dòng)力特性的影響規(guī)律，并對(duì)風(fēng)屏障高度及透風(fēng)率進(jìn)行了參數(shù)化研究，結(jié)果表明風(fēng)屏障能有效地降低了列車(chē)上的阻力和彎矩，但提高了橋梁的阻力和彎矩系數(shù)。風(fēng)屏障遮蔽效應(yīng)隨透風(fēng)率增大的變化趨勢(shì)并非線性，而是在某一透風(fēng)率范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定[27]，考慮風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)下的平均風(fēng)速及湍流特性，Hagen等[28-30]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、風(fēng)洞試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法研究表明風(fēng)屏障最佳透風(fēng)率約為0.3或0.4。

線路構(gòu)造形式差異對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)效果影響較大，相較于平地，橋上運(yùn)行的列車(chē)對(duì)側(cè)風(fēng)作用更加敏感，其原因在于：由于橋梁的存在改變了列車(chē)橫截面的縱橫比，進(jìn)而改變橫風(fēng)作用下列車(chē)周?chē)傲熊?chē)表面的壓力分布情況[31]，具體地，橋上列車(chē)背風(fēng)側(cè)漩渦尺寸及數(shù)量都大于平地情況，致使列車(chē)背風(fēng)側(cè)負(fù)壓區(qū)較大，導(dǎo)致橋上列車(chē)側(cè)力和傾覆力矩較大[32]，而明確橋梁軌道上方風(fēng)場(chǎng)分布特性是進(jìn)行車(chē)輛氣動(dòng)荷載優(yōu)化的前提。高速鐵路線路中的簡(jiǎn)支箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁總里程中所占比重較大，以京滬高鐵為例，正線橋梁244座，總長(zhǎng)1 061 km，其中最常用的跨度32 m雙線整孔簡(jiǎn)支梁共計(jì)27 973孔，全線簡(jiǎn)支梁橋總長(zhǎng)搭956 km，占橋梁總里程的90%以上[33]。本文針對(duì)高速鐵路典型跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁為研究對(duì)象，采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法，考慮風(fēng)速、湍流強(qiáng)度等影響因素，采集了軌道中心不同橋面高度處的風(fēng)場(chǎng)信息，通過(guò)引入變異系數(shù)開(kāi)展非一致性分析，并系統(tǒng)研究了風(fēng)屏障對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)的影響規(guī)律，得到了典型跨度簡(jiǎn)支箱梁的風(fēng)場(chǎng)特征預(yù)估剖面圖，確定了典型鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的等效風(fēng)速比，為后續(xù)風(fēng)屏障設(shè)計(jì)及高速列車(chē)行車(chē)安全性評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)概況及測(cè)試方法

試驗(yàn)場(chǎng)地為西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞試驗(yàn)室，其寬、高、長(zhǎng)分別為22.5，4.5，36.0 m，風(fēng)洞空置時(shí)的風(fēng)速范圍為0～16.5 m/s，湍流強(qiáng)度1.0%以下，可以模擬JTG/TD 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[34]要求的風(fēng)剖面、湍流強(qiáng)度、風(fēng)速譜等。

試驗(yàn)研究的橋梁原型為高速鐵路典型跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁，梁高為3.052 m，梁面寬度為12.6 m。相關(guān)研究表明[35]高度為3 m的風(fēng)屏障防風(fēng)效果較好，主要考慮透風(fēng)率的影響，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎?∶30的幾何縮尺比加工制作，橋梁和風(fēng)屏障的材料類(lèi)型分別為優(yōu)質(zhì)木材和碳纖維板，保證了模型具有足夠的剛度和強(qiáng)度。橋梁-風(fēng)屏障系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)剖面測(cè)試模型截面如圖1所示，測(cè)試節(jié)段模型的長(zhǎng)度為3 300 mm，其中風(fēng)屏障模型厚度為1.5 mm，高度為100 mm，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和厚度方向與其高度方向的比值分別為33和0.015，因此可以將風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)看作二維障礙物，忽略其順風(fēng)邊緣對(duì)氣流分離的影響。風(fēng)屏障采用雙側(cè)布置，考慮透風(fēng)率15%，30%，45%三種類(lèi)型，開(kāi)孔形式為均勻分布的圓孔陣列式，如圖2所示。相關(guān)研究表明：側(cè)向風(fēng)在流經(jīng)橋面時(shí)會(huì)形成一定厚度的附面層，即距離橋面一定高度范圍內(nèi)，不同高度的風(fēng)速是不同的。本文以CRH3型列車(chē)為背景，沿簡(jiǎn)支箱梁軌道中心上方布置風(fēng)場(chǎng)測(cè)試點(diǎn)，其中H1～H7為簡(jiǎn)支梁橋面風(fēng)場(chǎng)采集區(qū)，考慮到風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)的影響，設(shè)置H1～H9為風(fēng)屏障風(fēng)場(chǎng)效應(yīng)采集區(qū)，測(cè)點(diǎn)布置詳如表1所示。

圖1 測(cè)試模型示意圖(mm)

圖2 風(fēng)屏障防風(fēng)孔示意圖(mm)

表1 測(cè)點(diǎn)位置

(a) 湍流場(chǎng)布置

2 數(shù)據(jù)分析

眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x采集三維脈動(dòng)風(fēng)速，以u(píng)表示來(lái)流方向風(fēng)速，v表示沿橋軸線方向風(fēng)速，w表示垂直橋面方向風(fēng)速，總風(fēng)速V是三個(gè)方向風(fēng)速矢量的合成。本質(zhì)上隨機(jī)的自然風(fēng)可以分解成平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)，如式(1)～式(4)所示，以湍流強(qiáng)度Iuu，Ivv，Iww表征測(cè)點(diǎn)各方向的脈動(dòng)風(fēng)分量，Iuvw表征整體湍流強(qiáng)度，如式(5)～式(8)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

2.1 測(cè)點(diǎn)樣本分析

為表征橋面風(fēng)場(chǎng)的三維特性，本文以合成風(fēng)速V和整體湍流強(qiáng)度Iuvw為研究對(duì)象。以迎風(fēng)側(cè)軌道中心測(cè)點(diǎn)H5，即列車(chē)高度處風(fēng)場(chǎng)采集樣本為例，均勻來(lái)流風(fēng)速等級(jí)為6 m/s，其時(shí)程曲線如圖4所示，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知：風(fēng)場(chǎng)在連續(xù)的時(shí)間域內(nèi)服從Gaussian分布，風(fēng)速統(tǒng)計(jì)均值與擬合均值基本相等；與來(lái)流風(fēng)速相比，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的離散性及均值較大，說(shuō)明受主梁遮擋效應(yīng)的影響，橋面上方存在風(fēng)速和湍流強(qiáng)度的放大效應(yīng)，該測(cè)點(diǎn)時(shí)間平均速度、總體湍流強(qiáng)度分別為7.89 m/s和1.06%，是來(lái)流風(fēng)速的1.29倍和1.46倍。

(a) 時(shí)程曲線

2.2 風(fēng)速對(duì)分析測(cè)點(diǎn)的影響

為進(jìn)一步研究不同等級(jí)均勻來(lái)流風(fēng)速對(duì)迎風(fēng)側(cè)軌道中心H5測(cè)點(diǎn)的影響，基于最小二乘法理論，以線性擬合的方式給出來(lái)流風(fēng)速與H5測(cè)點(diǎn)風(fēng)速之間的變化關(guān)系，其擬合直線通過(guò)原點(diǎn)，直線斜率即為測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速的比值，如圖5(a)所示，可以看出：測(cè)試數(shù)據(jù)的擬合效果較好，其相關(guān)系數(shù)r約等于1，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速之間具有良好的線性關(guān)系，說(shuō)明風(fēng)速比受試驗(yàn)雷諾數(shù)效應(yīng)較小，試驗(yàn)結(jié)果可以忽略雷諾數(shù)效應(yīng)的影響；通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可知測(cè)點(diǎn)樣本風(fēng)速比均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為4.25×10-3，大于擬合直線斜率的標(biāo)準(zhǔn)誤差，說(shuō)明以樣本數(shù)據(jù)擬合的直線斜率可以相對(duì)合理地預(yù)測(cè)總體數(shù)據(jù)情況，故該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速之比可以取值為1.28，以樣本擬合斜率近似作為總體數(shù)據(jù)的預(yù)估值。經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析不同等級(jí)的來(lái)流風(fēng)速對(duì)迎風(fēng)側(cè)H5測(cè)點(diǎn)位置的湍流強(qiáng)度影響較小(圖5(b)所示)，但總體呈上升趨勢(shì)，取其多速度等級(jí)來(lái)流風(fēng)作用下的均值1.12%作為該測(cè)點(diǎn)湍流強(qiáng)度的預(yù)估值，其標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.6‰，預(yù)估值的準(zhǔn)確性可以滿(mǎn)足要求。

(a) 測(cè)點(diǎn)風(fēng)速擬合

2.3 湍流強(qiáng)度對(duì)分析測(cè)點(diǎn)的影響

為探究湍流風(fēng)場(chǎng)對(duì)軌道中心H5測(cè)點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)特征的影響，本文通過(guò)布置尖塔建立湍流風(fēng)場(chǎng)(詳見(jiàn)圖3(a))，其湍流強(qiáng)度為9.05%，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.24%。根據(jù)前述數(shù)據(jù)處理方法，給出軌道中心H5測(cè)點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)圖，如圖6所示，可以看出：湍流風(fēng)場(chǎng)中H5測(cè)點(diǎn)的測(cè)試數(shù)據(jù)線性擬合效果較好，過(guò)原點(diǎn)擬合直線的斜率可以近似看作該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比；與均勻風(fēng)場(chǎng)相似，湍流風(fēng)場(chǎng)中風(fēng)速對(duì)測(cè)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度影響較小，受簡(jiǎn)支箱梁遮擋效應(yīng)的影響，迎風(fēng)側(cè)H5測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比及湍流強(qiáng)度較低，而背風(fēng)側(cè)較高；與均勻流場(chǎng)相比，湍流風(fēng)場(chǎng)下的軌道中心H5測(cè)點(diǎn)風(fēng)速比相對(duì)較小，具有顯著的折減效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全性考慮，本文后續(xù)主要針對(duì)均勻流場(chǎng)進(jìn)行分析。

圖6 H5測(cè)點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)

2.4 風(fēng)屏障對(duì)分析測(cè)點(diǎn)的影響

透風(fēng)率是風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，本文通過(guò)設(shè)置透風(fēng)率為15%，30%，45%的三種風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)(詳見(jiàn)圖2)探究風(fēng)屏障透風(fēng)率對(duì)軌道中心H5測(cè)點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)特征的影響。測(cè)點(diǎn)風(fēng)場(chǎng)特征如圖7所示，可以看出：由于屏蔽作用，風(fēng)屏障顯著地降低了屏后的平均風(fēng)速，其遮擋效率與透風(fēng)率呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)風(fēng)屏障透風(fēng)率較高時(shí)(30%，45%)，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速具有良好的線性關(guān)系，過(guò)原點(diǎn)擬合直線的斜率可以近似看作該測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速比，與裸梁狀態(tài)相似，其迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)速比大于背風(fēng)側(cè)風(fēng)速比；與其他工況相比，透風(fēng)率30%風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)下，橋梁背風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)位置的湍流強(qiáng)度較高且隨來(lái)流風(fēng)速增大而增大，其風(fēng)速過(guò)原點(diǎn)擬合直線的相關(guān)性相對(duì)較差，測(cè)點(diǎn)湍流強(qiáng)度可能會(huì)影響風(fēng)速比的擬合精度。當(dāng)屏障透風(fēng)率較低時(shí)(15%)，風(fēng)屏障阻擋了大部風(fēng)分的來(lái)流風(fēng)，并在兩個(gè)風(fēng)屏障之間產(chǎn)生了一個(gè)反向流動(dòng)的區(qū)域，測(cè)點(diǎn)湍流強(qiáng)度隨風(fēng)速的增大而增大，而測(cè)點(diǎn)風(fēng)速受來(lái)流風(fēng)速影響較小(小于2.1 m/s)，試驗(yàn)結(jié)果與文獻(xiàn)[30]模擬結(jié)果相似。

(a) 風(fēng)速特征

3 典型跨度簡(jiǎn)支箱梁鐵路橋面風(fēng)場(chǎng)特征分析

為統(tǒng)計(jì)分析不同來(lái)流風(fēng)速UO對(duì)特征風(fēng)剖面的影響，以變異系數(shù)作為風(fēng)速非一致性指標(biāo)，通過(guò)引入變異系數(shù)CV的方式評(píng)價(jià)不同測(cè)點(diǎn)高度下風(fēng)速比、湍流強(qiáng)度預(yù)估值的合理性，變異系數(shù)CV的表達(dá)式如式(9)所示。

CV=(σ/μ)×100%

(9)

式中：σ表示來(lái)流風(fēng)速作用下統(tǒng)計(jì)變量的標(biāo)準(zhǔn)差；μ表示各來(lái)流風(fēng)速作用下統(tǒng)計(jì)變量的預(yù)估值。

如前所述，以樣本風(fēng)速的擬合斜率作為風(fēng)速比總體數(shù)據(jù)的均值，給出不同測(cè)點(diǎn)測(cè)試樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析得到不同來(lái)流風(fēng)速作用下典型跨度簡(jiǎn)支箱梁鐵路橋面風(fēng)場(chǎng)的非一致性指標(biāo)。

3.1 簡(jiǎn)支箱梁橋面風(fēng)場(chǎng)的非一致性分析

圖8(a1)和圖8(b1)所示為裸梁狀態(tài)下橋面特征非一致性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)圖，可以看出：與其他測(cè)點(diǎn)相比，迎風(fēng)側(cè)H1測(cè)點(diǎn)處風(fēng)速比的變異系數(shù)較大，為14.7%，其原因主要在于：① 該測(cè)點(diǎn)靠近橋面的附面層，平均風(fēng)速較小，超出了眼鏡蛇三維脈動(dòng)風(fēng)速測(cè)量?jī)x的采集精度，測(cè)量誤差較大；② 該測(cè)點(diǎn)在不同風(fēng)速等級(jí)作用下的風(fēng)速比可能受湍流強(qiáng)度的影響較大。除迎風(fēng)側(cè)H1測(cè)點(diǎn)外，總體上典型跨度簡(jiǎn)支箱梁鐵路橋面風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)受來(lái)流風(fēng)速的影響較小，其中風(fēng)速比變異系數(shù)均小于5%，并隨測(cè)點(diǎn)高度的增加而減小，結(jié)果穩(wěn)定性較高，以樣本風(fēng)速的擬合斜率作為風(fēng)速比的最終估值較為合理。與風(fēng)速比相反，湍流強(qiáng)度的變異系數(shù)隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加呈增大趨勢(shì)，各測(cè)點(diǎn)的變異系數(shù)均小于8%，結(jié)果穩(wěn)定性相對(duì)較高。

(a1) 風(fēng)速比非一致性指標(biāo)

通過(guò)前述橋面風(fēng)場(chǎng)的非一致性指標(biāo)分析可知各等級(jí)來(lái)流風(fēng)速作用下的橋面風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)均值與預(yù)估值吻合較好，裸梁狀態(tài)下橋面特征剖面圖如圖8(a2)和圖8(b2)所示，可以看出：與來(lái)流風(fēng)速相比，橋面軌道中心部分位置的風(fēng)速增加可達(dá)33%；受橋梁繞流的影響，風(fēng)速比和湍流強(qiáng)度與測(cè)點(diǎn)高度有很大的關(guān)系，就車(chē)輛高度范圍內(nèi)(測(cè)點(diǎn)H5以下)風(fēng)場(chǎng)特征而言，其波動(dòng)明顯，隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加風(fēng)速呈增大趨勢(shì)，而風(fēng)場(chǎng)的湍流強(qiáng)度隨著測(cè)點(diǎn)高度的增加呈減小趨勢(shì)；與迎風(fēng)側(cè)相比，主梁繞流對(duì)背風(fēng)側(cè)軌道中心風(fēng)場(chǎng)的影響范圍較大，迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)軌道中心風(fēng)場(chǎng)特征受橋梁繞流影響的主要范圍分別在測(cè)點(diǎn)H3和H4以下；與迎風(fēng)側(cè)軌道中心風(fēng)場(chǎng)分布特征相比，背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速比和湍流強(qiáng)度隨測(cè)點(diǎn)高度的變化較為平緩，背風(fēng)側(cè)風(fēng)速比拐點(diǎn)(風(fēng)速比為1的預(yù)估測(cè)點(diǎn)高度)高度大于迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速拐點(diǎn)高度。

3.2 風(fēng)屏障屏蔽作用橋面風(fēng)場(chǎng)的非一致性分析

為進(jìn)一步研究風(fēng)屏障對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)的屏蔽機(jī)理，以透風(fēng)率30%的風(fēng)屏障試驗(yàn)對(duì)象，如圖9(a1)和圖9(b1)所示統(tǒng)計(jì)分析得到屏蔽作用下橋面風(fēng)場(chǎng)的非一致性指標(biāo)，可以看出：與裸梁狀態(tài)相比(圖8(a1)，圖8(b1))，風(fēng)屏障作用下的橋面風(fēng)場(chǎng)特征變異系數(shù)普遍較大，說(shuō)明來(lái)流風(fēng)速對(duì)預(yù)估值的影響較大，僅以單一風(fēng)速評(píng)價(jià)屏后流場(chǎng)特性是不合理的；風(fēng)屏障屏蔽作用下的風(fēng)速比非一致性指標(biāo)與其湍流強(qiáng)度有關(guān)，風(fēng)速比的變異系數(shù)與湍流強(qiáng)度變異系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，如H4測(cè)點(diǎn)的迎、背風(fēng)側(cè)湍流強(qiáng)度變異系數(shù)分別為18.8%、17.6%，其風(fēng)速比變異系數(shù)分別達(dá)到了13.5%、13.6%。

(a1) 風(fēng)速比非一致性指標(biāo)

圖9(a2)和圖9(b2)所示為風(fēng)屏障屏蔽橋面風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)剖面圖，與裸梁狀態(tài)相比，風(fēng)屏障有效地降低了橋面的平均風(fēng)速，風(fēng)速比拐點(diǎn)向更高點(diǎn)移動(dòng)，測(cè)點(diǎn)結(jié)果有一定的離散性。通過(guò)前述橋面風(fēng)場(chǎng)的非一致性指標(biāo)分析可知：受風(fēng)屏障的屏蔽作用，各等級(jí)來(lái)流風(fēng)速作用下橋面?zhèn)€別測(cè)點(diǎn)的風(fēng)場(chǎng)特征參數(shù)，尤其是湍流強(qiáng)度，均值與預(yù)估值存在一定的誤差，其原因主要有兩個(gè)方面：一是風(fēng)屏障顯著降低了屏后的風(fēng)速，受測(cè)量?jī)x器精度限值，測(cè)量存在誤差；另一個(gè)方面兩側(cè)風(fēng)屏障之前形成反向流區(qū)，增大了流場(chǎng)湍流強(qiáng)度的離散性，進(jìn)而導(dǎo)致了風(fēng)速比擬合精度降低。

3.3 橋面等效風(fēng)速比分析

通常以矩形風(fēng)剖面等效實(shí)際風(fēng)剖面，等效原則為矩形風(fēng)剖面和實(shí)際風(fēng)剖面壓力總和相等，將等效風(fēng)速無(wú)量綱后即可得到等效風(fēng)速比，其計(jì)算公式如式(10)所示

(10)

式中：r為等效風(fēng)速比；H為等效高度，即橋面上行駛列車(chē)的側(cè)風(fēng)高度范圍(H5測(cè)點(diǎn)以?xún)?nèi))；V為風(fēng)剖面內(nèi)風(fēng)速值；UO為來(lái)流風(fēng)速；δ為風(fēng)速比。

以車(chē)底位置H1作為坐標(biāo)原點(diǎn)，車(chē)頂位置H5作為坐標(biāo)終點(diǎn)，為減少試驗(yàn)誤差，通過(guò)前述分析以擬合風(fēng)速比作為各測(cè)點(diǎn)的合理預(yù)估值，給出列車(chē)橫風(fēng)高度范圍內(nèi)的等效風(fēng)速比，如圖10所示。其中屏蔽橋面的風(fēng)屏障透風(fēng)率為30%，可以看出：與迎風(fēng)側(cè)相比，總的來(lái)說(shuō)背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)速較小，受主梁遮擋效應(yīng)的影響，裸梁橋面等效風(fēng)場(chǎng)具有放大效應(yīng)，風(fēng)屏障屏蔽作用下橋面背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)場(chǎng)的變異系數(shù)為10.4%，結(jié)果存在一定誤差，原因前述已做說(shuō)明，此處不再贅述；風(fēng)屏障等效風(fēng)場(chǎng)折減效應(yīng)顯著，其迎、背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)速分別裸梁狀態(tài)下的21.6%和19.4%。

圖10 橋面等效風(fēng)速比

4 結(jié) 論

本文采風(fēng)洞試驗(yàn)的方法探究了橫風(fēng)作用下風(fēng)屏障對(duì)典型跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁軌道中心風(fēng)場(chǎng)特征分布規(guī)律及影響機(jī)理，得到如下結(jié)論：

(1) 基于最小二乘法理論對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)原點(diǎn)的線性擬合分析，測(cè)點(diǎn)風(fēng)速與來(lái)流風(fēng)速之間具有良好的線性關(guān)系，以樣本數(shù)據(jù)擬合的直線斜率可以相對(duì)合理地預(yù)測(cè)總體數(shù)據(jù)情況。

(2) 均勻風(fēng)場(chǎng)中受主梁遮擋效應(yīng)的影響，裸梁橋面等效風(fēng)場(chǎng)具有放大效應(yīng)，橋面軌道中心部分位置的風(fēng)速增加可達(dá)32.8%，而湍流風(fēng)場(chǎng)會(huì)弱化這種放大效應(yīng)。

(3) 與裸梁橋面風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度相比，均勻風(fēng)場(chǎng)中來(lái)流風(fēng)速對(duì)風(fēng)屏障屏蔽作用下的橋面風(fēng)場(chǎng)湍流強(qiáng)度影響較大，其風(fēng)速比非一致性指標(biāo)與其湍流強(qiáng)度的變異性相關(guān)。

(4) 風(fēng)屏障可以有效地降低橋面風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)速，風(fēng)場(chǎng)折減效應(yīng)與其透風(fēng)率有關(guān)，其中透風(fēng)率30%的風(fēng)屏障屏蔽作用下其迎、背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)速分別為裸梁狀態(tài)下的21.6%和19.4%，但繞流區(qū)的湍流強(qiáng)度會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。