風屏障布局對公鐵同層桁架橋-列車系統氣動特性的影響

劉路路，鄒云峰,2，何旭輝,2，汪震

(1.中南大學土木工程學院，湖南長沙，410075；2.軌道交通工程結構防災減災湖南省重點實驗室，湖南長沙，410075)

隨著高速鐵路橋梁的快速發展，許多質量小、大跨橋梁隨之出現，側風下橋上列車安全性問題愈加突出[1-3]。風屏障作為一種簡單、高效的抗風措施，可以有效減小列車位置橫向風速，從而減小側風對列車的影響，提高列車橋上行車的安全性[4-6]。國內外學者采用數值模擬和風洞試驗等方法研究了高度、位置和透風率等不同風屏障參數對不同橋型橋上列車的防風效果[7-9]。GU等[10]研究了不同彎折角的波紋型風障背風面流場結構的變化規律及其對鐵路橋梁上列車的遮蔽性能；何瑋等[11]采用風洞試驗和數值模擬相結合的方法，研究了在橋梁列車線雙側設置不同高度風屏障情況下，列車與橋梁的氣動力系數以及車橋系統周圍的流場分布情況；周蕾等[12]利用數值模擬方法在列車線兩側設置風屏障，分析了風屏障透風率對不同橋型氣動特性的影響并進行了橫向對比，揭示了風屏障對車橋系統氣動特性的影響機理，探究了風屏障參數對流線型橋梁氣動特性的影響；REN 等[13]通過風洞試驗研究了不同高度、不同孔隙率對蘭新(蘭州—烏魯木齊)高速鐵路的防風效果。上述研究的橋面較窄，風屏障均布置在列車線兩側。對于橋址處主風向始終不變的高鐵橋梁，風屏障可以僅設置在橋面迎風側[14]，一些學者對風屏障的布置形式(單、雙側)進行了研究。REN等[13]通過風洞試驗研究了單、雙側風屏障對蘭新高速鐵路的防風效果，發現雙側風障防護效果略優于僅布置迎風側風障的防護效果，但考慮到對箱梁的負面影響，箱梁雙側風屏障對箱梁的防護效果并沒有明顯優勢；王玉晶等[15]綜合分析了設置單、雙側風屏障后車輛和橋梁的氣動特性，發現安裝單側風屏障和雙側風屏障時車輛和橋梁的氣動力系數都很接近，背風側風屏障并不能有效提高車輛的氣動性能；BULJAC等[16]通過風洞試驗重點介紹了風屏障布置方式(包括布置在迎風橋面邊緣、布置在背風橋面邊緣和布置雙側風屏障)對橋面周圍氣流流動及橋梁的動力穩定性的影響；GUO 等[17]發現單側風屏障能夠有效減小車輛的側力與橫搖力矩系數，且風屏障與列車的距離對列車氣動特性也有較大影響。已有研究成果均針對橋面較窄或鐵路線橋梁，風屏障布置方式變化較少，而公鐵同層橋梁橋面較寬，風屏障布置位置除了布置在列車兩側外，也可選擇布置在公路線兩側，風屏障布置形式也是更加復雜。公鐵同層鐵路橋梁能夠同時實現線路相接和橋位的合理布置，是橋梁建設的新趨勢[18]，其橋面與列車間的氣動干擾和風屏障的布置較以往橋梁有顯著不同。已有風屏障對車橋系統氣動特性的影響研究并不完全適用于公鐵同層桁架橋，且有關風屏障布置方式和位置對公鐵同層桁架橋-列車氣動特性的研究報道較少。為此，本文對某大跨度公鐵同層鋼桁架懸索橋進行節段模型風洞試驗，以高為2.50 m、透風率為30%的風屏障為例，研究不同風屏障布置形式(單、雙側)和布置位置(內、外側)對車橋系統氣動特性的影響，以便為同類型高速鐵路橋梁的車橋系統氣動特性研究和風屏障的設置提供參考依據。

1 試驗

1.1 試驗模型與設備

某大跨公鐵同層懸索橋主梁采用2片主桁結構形式，主桁高為12.00 m，寬為38.00 m，上層橋面為六線高速公路，下層為四線普通公路和兩線列車客運專線。列車高為3.50 m，寬為3.38 m，主梁斷面見圖1。試驗在中南大學風洞實驗室的高速試驗段進行，該試驗段長×寬×高為15.00 m×3.00 m×3.00 m，試驗采用風速為20 m/s的均勻流場。列車長度通常較大，可近似認為列車與橋梁均符合片條假定，根據阻塞率要求確定模型縮尺比為1:50，主梁和列車縮尺模型長均為1.92 m，該試驗模型在風洞試驗段的最大阻塞率為3.8%，試驗段縮尺模型如圖2所示。

圖1 主梁斷面圖Fig.1 Cross-section of girder

圖2 風洞試驗節段模型Fig.2 Scale model of wind tunnel test

為了測量桁架橋-列車系統氣動特性，在主梁模型兩端設置2個動態測力天平，采用測力方法測量車橋系統氣動力。列車表面截面布有3個測壓截面(含30 個測壓孔)，采用美國PSI 公司的DTC net電子式壓力掃描閥系統測量列車表面風壓系數，并通過積分獲得列車氣動力，采樣頻率為330 Hz，采樣時長為30 s。參考靜壓采用皮托管測量，參考風速采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針測量。

1.2 試驗工況

研究表明，風屏障高度、透風率和開孔形式等參數都會影響風屏障防風效果[9-11]。為排除其他因素的影響，風屏障統一選取高為2.50 m、透風率為30%的直立式格柵型風屏障，風屏障模型為5.00 mm厚塑料材質模型，不易變形，具體參數如表1 所示。本研究將位置1 和位置4 風屏障定義為外側風屏障，位置2和位置3風屏障定義為內側風屏障，風屏障位置如圖3 所示。試驗共分為8 組，各組均在風攻角為0°時進行試驗，試驗來流風向角為90°，風速為20 m/s，其中，第1～4組為迎風線列車工況，第5～8 組為背風線列車工況，風屏障布置形式為單、雙側，布置位置為內、外側，試驗工況如表2所示。

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

圖3 風屏障位置編號Fig.3 Number of wind barrier position

表1 風屏障幾何參數Table 1 Parameters of scaled wind barrier

1.3 數據處理

作用在車橋系統上的靜風荷載可按體軸坐標系定義，主梁氣動力系數Cl表達式為：

式中：h為主梁模型高度；b為主梁模型寬度；l為主梁模型長度；Cl和Cd分別為單位長度主梁升力系數與阻力系數；Fl和Fd分別為主梁升力與阻力；ρ為空氣密度，取ρ=1.225 kg/m3；U為平均風速。

列車在風場中受到的壓力作用，常用量綱一風壓系數表征[22]：

式中：CPi(t)為列車表面第i個測壓點的風壓系數；Pi(t)為列車表面第i個測壓孔測得的壓力；P0為風洞內靜壓，該靜壓是通過皮托管側孔測量，皮托管用于監測迎面而來的自由流；空氣密度ρ=1.225 kg/m3。

壓力系數反映的是結構某一點的受力情況，可將壓力系數對面積積分得到列車截面氣動力，作用在列車上的靜風荷載采用升阻力和扭轉力矩描述，氣動力系數定義如下[15]：

式中：H為列車模型高度；B為列車模型寬度；L為列車模型長度；CL，CD和CM分別為單位長度列車升力系數、阻力系數和扭轉力矩系數；FL和FD分別為列車升力與阻力；θi為測壓孔在列車截面的外法線向量角；n為測壓孔總數。列車測壓孔布置、升阻力系數方向規定如圖4所示。

圖4 列車截面測壓孔及氣動力系數方向規定Fig.4 Pressure measuring holes and direction of aerodynamic coefficient

2 結果與討論

2.1 主梁氣動力系數

圖5所示為不同風屏障布置形式條件下0°風攻角主梁的平均氣動力系數。從圖5可見：主梁升力系數較小，風屏障對升力系數的影響并不明顯；風屏障主要增大主梁的阻力系數，且不同布置形式風屏障對主梁影響不同。由圖5(a)可知：對比4種工況，當風屏障位于內側時，風屏障對主梁阻力系數影響最小，阻力系數增大約3%，對比Case 2和Case 4這2個工況，阻力系數相差1%，即下游內側風屏障對主梁的影響幾乎可忽略。而當風屏障位于外側時，風屏障對主梁影響較大，對比Case 1和Case 3這2個工況，在主梁上游外側布置單側風屏障，阻力系數增大7%，在主梁外側布置雙側風屏障，主梁阻力系數增大最多，約為10%，即下游外側風屏障也會增大主梁阻力系數，不應忽略。由圖5(b)可知：當列車位于背風側線路時，風屏障對主梁阻力系數的影響規律與風屏障位于內側時的影響規律相同，列車位置對上述規律無影響。

圖5 風屏障布局對平均主梁氣動力系數的影響Fig.5 Influence of layout of wind barrier on mean aerodynamic coefficient of bridge

因此，當風屏障布置在外側時，風屏障對主梁阻力系數的影響大于布置在內側時的影響；下游內側風屏障對主梁幾乎無影響，但下游外側風屏障會增大主梁阻力系數。

2.2 列車氣動力系數

列車的平均氣動力系數如圖6所示。由圖6可知：不同布局的風屏障均會降低迎風線列車的升阻力系數，但影響程度有所不同。由圖6(a)可知：對比4種工況，當風屏障位于內側時，迎風線列車阻力系數減小約43%，升力系數減小約47%，對列車升阻力系數的影響相比布置在外側時的小。對比Case 2和Case 4這2個工況可知，列車升阻力系數均相差1%，即下游內側風屏障對列車升阻力系數幾乎無影響，這與王玉晶等[15]的研究結果一致。來流在經過風屏障和列車作用后，位置3的下游內側風屏障區域風場較弱，有、無下游內側風屏障對列車升阻力系數影響也較小；當風屏障位于外側時，對迎風線列車升阻力系數影響較大，對比Case 1和Case 3這2種工況，若在主梁上游外側布置單側風屏障，則迎風線列車阻力系數減小44%，升力系數減小57%，若在主梁外側布置雙側風屏障，則迎風線列車阻力系數減小55%，升力系數減小70%，影響最大，即下游外側風屏障對列車升阻力系數有較大影響，不可忽略。從圖6(b)可見：當風屏障位于內側時，列車阻力系數減小約15%，升力系數減小38%；對比Case 6和Case 8這2 種工況可知，背風線列車升阻力系數均相差約2%，下游內側風屏障對背風線列車升阻力系數也幾乎無影響；當風屏障位于外側時，對列車升阻力系數影響較大。對比Case 5和Case 7這2種工況可知，若在主梁上游外側布置單側風屏障，則背風線列車阻力系數減小17%，升力系數減小40%；若在主梁外側布置雙側風屏障，則背風線列車阻力系數減小35%，升力系數減小35%，防風效果比風屏障位于內側時的防風效果好，且下游外側風屏障對背風線列車有影響。

由圖6可知：不同布局的風屏障均會降低列車的扭轉力矩系數CM，無風屏障時，迎風線列車扭轉力矩系數為0.21，背風線列車扭轉力矩系數為0.15；安裝風屏障后，迎風線列車扭轉力矩系數降低約70%，背風線列車扭轉力矩系數降低約60%，風屏障對列車扭轉力矩系數影響較明顯，但安裝風屏障后，列車扭轉力矩系數均相對較小，約為0.05，不同位置的風屏障對背風線列車扭轉力矩系數影響規律并不明顯。

圖6 風屏障布局對列車平均氣動力系數的影響(風屏障高為2.50 m)Fig.6 Influence of layout of wind barrier on mean aerodynamic coefficient of train(wind barrier height is 2.50 m)

綜上可知，無論列車位于迎風側線路還是背風側線路，風屏障位于外側時對列車的遮蔽效果要優于其位于內側時的遮蔽效果，下游內側風屏障并不起作用，但下游外側風屏障仍能減小列車升阻力系數，故在桁架橋外側布置雙側風屏障對列車的遮擋效果較好，且對迎風線列車的影響更大。

2.3 列車平均風壓系數

列車表面風壓系數可反映風屏障對列車各面的影響，為了了解不同風屏障布局下氣流在列車表面分離與再附情況，選取3個截面風壓系數均值進行分析，結果如圖7所示。從圖7可見：風屏障使列車表面迎風面正壓絕對值減小，頂面、背風面和底面的負壓絕對值減小，但4種不同布置形式和位置的風屏障具有不同的防風效果，平均風壓系數測點曲線表現出不同的形式。

圖7 風屏障布局對列車表面平均風壓系數的影響(風屏障高為2.50 m)Fig.7 Influence of layout of wind barrier on mean wind pressure coefficient(wind barrier height is 2.50 m)

風屏障設置形式(單、雙側)對列車表面風壓系數的影響見圖4(a)。由圖4(a)可知：對比Case 2 和Case 4這2個工況，列車表面風壓系數曲線幾乎完全重合，即位置3的下游內側風屏障完全處于列車下游弱風區，幾乎可忽略；而對比Case 1和Case 3這2 個工況，列車表面風壓系數完全不同，位置4的下游外側風屏障不僅影響列車下游風場，引起列車背風面負壓絕對值增大，而且風的再循環也影響位置1處風屏障與列車之間的風場，迎風面正壓也發生變化，不可忽略，可見，下游風屏障不應忽略。

雙側風屏障設置位置(內、外側)對列車表面平均風壓系數的影響見圖7(b)。從圖7(b)可見：在設置雙側風屏障條件下，對比Case 3和Case 4這2個工況，當風屏障設置在外側(位置1 和4)時，列車頂面處流動分離明顯減弱，拐點處風壓極系數極值更小，即外側風屏障(位置1 和4)對列車的防風效果均優于內側風屏障(位置2 和3)的防風效果。背風線列車所表現規律基本與之相同(見圖7(b))。

2.4 列車脈動風壓系數

為了了解不同風屏障布局下列車表面脈動風壓系數變化，選取3個截面脈動風壓系數均值進行分析。同樣以高為2.50 m、透風率為30%的風屏障為例，分析風屏障布置形式和位置的影響，結果如圖8所示。從圖8可見：不同位置對列車表面脈動風壓系數的影響不大，脈動風壓系數基本一致，脈動風壓系數極值點的位置也相同。但對比迎風線列車和背風線列車脈動風壓系數可知，迎風線列車表面脈動風壓系數極值點出現在9號測點(見圖8(a))即列車迎風面頂部；而背風線列車表面脈動風壓系數極值點在3 號測點即列車迎風面底部。

圖8 風屏障布局對列車脈動風壓系數的影響(風屏障高為2.50 m)Fig.8 Influence of layout of wind barrier on fluctuating wind pressure coefficient(wind barrier height is 2.50 m)

3 結論

1)風屏障布置在外側時對主梁阻力系數的影響大于風屏障布置在內側的影響，下游內側風屏障對主梁阻力系數幾乎無影響，但下游外側風屏障會對主梁阻力系數有影響。

2)無論列車位于迎風線還是背風線，風屏障位于外側時對列車的遮蔽效果要比位于其內側時的好，下游內側風屏障并不起到防風作用，但下游外側風屏障仍能減小列車升阻力系數，故在桁架橋外側布置雙側風屏障對列車的遮擋效果較好，且對迎風線列車氣動力系數的影響更大。

3)對比單、雙側風屏障的結果可知，下游內側風屏障(位置3)對列車各面平均風壓系數幾乎無影響，但下游外側風屏障(位置4)引起氣流回流，對列車背風面負壓區甚至其余各面平均風壓系數有較大影響；列車脈動風壓系數受風屏障布置方式影響不大，但在不同列車位置，脈動風壓系數極值點的位置不相同。

4)在風屏障高為2.50 m、透風率為30%時，在同層桁架橋外側布置雙側風屏障，主梁阻力系數僅增大10%，而列車阻力系數減小55%，風屏障效果較好。