路堤-橋梁過渡段車輛氣動力風洞試驗研究

摘要：為了探究路堤-橋梁過渡段處車輛的氣動力，建立1：50的大比例尺路堤-橋梁過渡段和車輛試驗模型，在橋梁和路堤段分別布置兩種風屏障，并在車輛模型表面布置多個測壓點，以研究不同防風措施下處于不同風向角的路橋過渡段車輛氣動力。試驗結果表明：與無防風措施相比，布置橋梁風屏障后最不利風向角會從-15°變為0°，此風向下過渡段處車輛的三分力最大；再進一步布置路堤風屏障后最不利風向角不變，但大幅度減小了0°風向角下車輛的側力系數和力矩系數；布置路堤風屏障能有效減小車輛所受三分力；不同風向角下改變陸地風屏障參數產生的影響不同，針對路堤-橋梁過渡段布置防風措施時，應充分考慮其來流方向，以達到最優效果。

關鍵詞：路堤-橋梁過渡段；風洞試驗；車輛氣動力；風向角；防風措施

中圖分類號：U417.9" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0136-07

Experimental analysis of vehicle aerodynamic force in embankment-bridge transition section

HAN Bing， LI Haoxuan， HE Yikuan， XIE Huibing， JIA Ying

（School of Civil Engineering， Beijing Jiaotong University， Beijing 100044， P. R. China）

Abstract： In order to explore the aerodynamic force of vehicles at the transition section of embankment and bridge， a 1：50 large-scale embankment-bridge transition section and vehicle experimental model are established in this paper. Two kinds of wind barriers are arranged in the bridge and embankment sections， and multiple pressure measuring points are arranged on the surface of the vehicle model to study the aerodynamic force of vehicles at the embankment-bridge transition section at different wind directions under different windproof measures. The experiment results show that compared with no wind-proof measures， the most unfavorable wind direction angle will change from -15° to 0° after the arrangement of the bridge wind barrier， and the three-component force of the vehicle at the transition section under this wind direction is the largest. After further arrangement of embankment wind barrier， the most unfavorable wind direction angle remains unchanged， but the lateral coefficient and torque coefficient of the vehicle at 0° wind direction angle are greatly reduced. The arrangement of embankment wind barrier can effectively reduce the three-component force of vehicles. The influence of changing the parameters of land wind barrier is not the same in different wind directions. The direction of the incoming flow should be fully considered in the arrangement of windbreak measures for the embankment-bridge transition section to achieve the optimal effect.

Keywords： embankment-bridge transition section； wind tunnel experiment； vehicle aerodynamic force； wind direction angle； windproof measures

在中國發展程度較高的沿海城市，在原有道路基礎上建設符合城市新規劃要求的快速道路，多需要修建橋梁來跨越原有的道路設施，由此產生了大量路堤-橋梁過渡段。已有研究表明，路橋過渡段線路形式的變化會引起風環境的差異，車輛在其中行駛相當于受到了突風的影響，會對行車安全造成不利的影響[1-5]。

近年來，許多學者針對過渡段風場進行了研究。在目前的研究中，風洞試驗和數值模擬是常用的兩種手段。李波等[6]利用風洞試驗的方法，研究了條形風屏障的擋風性能，分析了孔隙率、障條寬度的影響，提出了風速折減系數可以有效評價風屏障擋風效果。王露等[7]、張景鈺等[8]建立了路堤-路塹縮尺模型，對過渡段區域不同位置處的風剖面及線路不同位置車輛氣動力進行研究，結果表明，交界處附近，上方較低區域風剖面由路塹主導，較高區域由路堤主導，交界處附近對行車安全最不利。穆鑫[9]用模型試驗和數值模擬相結合的方法，研究了擋風墻對路堤-隧道過渡段風場的影響。Sun等[10]通過現場試驗和數值模擬相結合，分析了高速列車在通過防風口時的氣動力變化。Wang等[11]建立了橋梁-隧道過渡段模型，針對過渡段提出了梯形和階梯形兩種風屏障。Deng等[12]建立了橋梁-隧道過渡段模型，分析了列車經過橋隧過渡段時的三分力系數變化。施成華等[13]研究了不同參數風屏障下，車輛經過橋梁-隧道過渡段時的氣動力。Liu等[14]建立了矩形防風林模型，分析了車輛經過矩形防風林過渡段的三分力系數變化，并計算了車輛安全行駛的臨界風速。

已有研究表明，車輛經過過渡段時氣動力變化與單一線路行駛并不相同，而目前針對線路過渡段區域的研究還在發展階段。由于中國地形復雜，修建橋梁跨越障礙是常用手段，因此產生了大量的路堤-橋梁過渡段，路堤結構向上凸起擠壓氣流會改變原有的風環境[15]，而氣流經過橋梁時會產生擾流現象，兩者對風環境的影響并不相同。而針對路堤和橋梁上方設置的防風措施一般也不相同，也會造成防風措施過渡段區域影響車輛的行駛安全。目前對路堤-橋梁過渡區域的研究較少，無法準確確定車輛在路堤-橋梁過渡段的氣動力特性。筆者以高速路和橋梁過渡段區域為研究對象，在風洞中建立了1：50的大比例尺模型，研究了線路交界處GTS車輛不同風向角下及不同防風措施參數下的車輛氣動力。

1 風洞試驗及測試方法

路堤-橋梁過渡段模型由路堤-橋梁模型及GTS車輛模型組成。為了更加準確地模擬路堤-橋梁過渡段上方車輛的受力特點，采用大比例尺模型，模型縮尺比為1：50。設計原型采用路堤-橋梁-路堤的組合模式，兩側路堤等長分別為31 m，中間橋梁長66 m，過渡段總長128 m，采用雙向四車道布置，車道寬度3.75 m。車輛采用sandia美國國家試驗室于1996年提出的GTS車輛模型作為原型，車輛全長19.8 m，車寬2.6 m，高4.1 m，車頭為流線型。路堤-橋梁過渡段模型（如圖1所示）路堤高度193.4 mm，頂部寬500 mm，底部寬1 080.2 mm，單側路堤長度620 mm；如圖2所示，橋梁高度91.8 mm，底部距離地面高度120 mm，路面高度193.4 m，采用雙幅橋梁，兩幅橋梁間距10 mm，每幅橋梁兩側布置防撞護欄，防撞護欄寬度10 mm（對應實際寬度0.5 m），高度17.6 mm（對應實際高度0.88 m）。車輛模型高72 mm，寬52 mm，長396 mm，車輛位于路堤-橋梁交界處中心。

為了研究不同防風措施和風屏障透風率對車輛氣動力的影響，設計了橋梁和路堤兩種風屏障分別布置在橋梁和路堤上方，橋梁風屏障高40 mm，透風率為50%，路堤風屏障高240 mm，只計算上方120 mm的透風率，透風率為30%、50%、70%，路堤風屏障如圖2所示。

試驗在北京交通大學風洞試驗室進行，風洞尺寸5.2 m×2.5 m，放置在風洞試驗室中的模型如圖3所示。

試驗中通過尖劈-粗糙元系統模擬邊界層風場，在風洞中未放置模型時，通過眼鏡蛇三維測速儀在轉盤位置測量出風場的風剖面，當來流風速為6 m/s時，得到風洞平均風剖面及湍流分布。邊界層布置及風剖面如圖4所示。

在車輛模型上布置測壓點測得車輛表面風壓。使用ESP-64HD微型壓力掃描模塊進行采樣，因為路堤-橋梁過渡段風場較復雜，在車輛表面布置盡可能多的測點，以保證結果的準確性，最終考慮到車輛內部走線等諸多因素的影響，在車輛側面布置3排6列17個測點，車輛頂部布置2排5列10個測點，車頭布置2排2列4個測點，車尾布置3排2列6個測點，全身共54個測點，測點布置如圖5所示。

為了探究不同風向角下路堤-橋梁過渡段車輛的氣動力變化，通過轉動試驗室轉盤來模擬不同來流風向角φ，風向角如圖6所示。

2 數據處理

氣動力參數是一組無量綱量，其定義如下：

式中：P_i （t）為壓力掃描閥測得的i點處表面風壓，規定壓力作用方向指向結構表面為正，反之為負；P_1為參考點處的平均總壓；P_0為參考點處的平均靜壓；H為車輛高度；A_D為車輛側面積； A_L為車輛頂面面積。車輛氣動力系數示意如圖7所示。

3 風洞試驗結果分析

3.1 不同防風措施對車輛氣動力的影響

為了探究不同防風措施對車輛氣動力的影響，試驗中測試了不布置風屏障、布置橋梁風屏障、布置橋梁風屏障和路堤風屏障的情況，車輛三分力系數如圖8所示。當沒有防風措施，車輛三分力系數最大值都出現在φ=-15°時，隨著角度變化三分力系數逐漸降低，可能是因為氣流從橋梁側吹來時，受到氣流分離的影響，車輛所處的環境更為不利。當φ=-30°時，吹向橋梁側的氣流受到另一側路堤的影響，導致了車輛三分力系數減小。

布置橋梁風屏障之后，風向角φ=-15°時，受到風屏障遮擋效應的影響，車輛三分力系數皆有一定幅度的下降；而φ=0°時車輛三分力系數大幅度增大，可能是因為此時交界處氣流受到路堤、橋梁和風屏障的相互影響，條形風屏障的窄道效應增大。

布置橋梁風屏障和路堤風屏障之后，側力、升力和力矩系數隨風向角的變化規律沒有改變，但其數值大幅度減小，這是因為路堤風屏障的擋風效應使得氣流速度降低，在風向角φ=0°時，車輛三分力系數最大。在風向角φ=0°時，車輛側力和力矩系數都小于沒有防風措施時，但升力系數減小后仍大于沒有防風措施時，仍然需要進一步優化路堤風屏障參數來降低路堤-橋梁過渡段的車輛升力系數。

當風向角為負時（風從橋梁側吹來），車輛三分力系數大于風向角為正時（風從路堤側吹來），此時位于路堤-橋梁過渡段的車輛所處風環境更為不利。

3.2 路堤風屏障參數對車輛氣動力的影響

為了進一步探究不同路堤風屏障參數對路堤-橋梁車輛氣動力的影響，設置不同的布置距離（路堤風屏障與路堤坡腳之間的距離）、透風率和排間距（兩排路堤風屏障間距）的路堤風屏障。

3.2.1 布置距離

為了探究路堤風屏障布置距離對路堤-橋梁過渡段車輛氣動力的影響，試驗設計了3種不同的布置距離60、100、140 mm（對應實際距離3、5、7 m），圖9為不同布置距離下車輛的三分力系數對比圖。

由圖9（a）可知，大多數情況下，減小布置距離車輛側力系數先增大后減小，但在風向角φ=15°時，側力系數隨著布置距離的減小而減小，當布置距離為60 mm時，路堤風屏障的遮擋效應最顯著，車輛側力系數最小。最不利風向角仍為φ=0°，且當風向角為負時，車輛側力系數對布置距離更為敏感，改變布置距離，側力系數變化較大。

由圖9（b）可知，在不同布置距離下，φ=0°時車輛升力系數仍遠大于其他角度，此時車輛升力系數隨著布置距離的增大先減小后增大，但當布置距離達到100 mm之后，再增大布置距離，升力系數變化幅度不大。

對比圖9（a）、（c）可見，側力系數與力矩系數在不同布置距離下變化規律基本一致。

3.2.2 透風率

為了探究路堤風屏障透風率對路堤-橋梁過渡段車輛氣動力的影響，試驗將路堤風屏障固定在100 mm的位置，并設計了3種不同的透風率（30%、50%、70%），圖10為不同路堤風屏障透風率下車輛的三分力系數對比圖。

由圖10可見，在透風率為50%時，車輛三分力系數在風向角φ=0°時會大幅度增大；當透風率為30%和70%時，車輛三分力系數隨著風向角向正向轉動而減小。

由圖10（a）可見，除風向角φ=0°時，車輛側力系數隨著路堤風屏障透風率的增大先減小后增大，當透風率為50%時，車輛側力系數最小。當φ=0°時，車輛側力系數隨著路堤風屏障透風率的增大而減小，當透風率為70%，車輛側力系數最小。

由圖10（b）可見，車輛升力系數隨著路堤風屏障透風率的增大先減小后增大，但當φ=0°時，透風率增大到50%之后，升力系數對透風率的反應不敏感，再增大透風率，升力系數基本不變。

對比圖10（a）、（c）可得，車輛力矩系數隨著路堤風屏障透風率的變化規律與側力系數基本一致。

3.2.3 排間距

為了探究路堤風屏障排間距對路堤-橋梁過渡段車輛氣動力的影響，試驗布置了兩排路堤風屏障，將第一排路堤風屏障固定在100 mm的位置，并設計了2種不同的排間距（100、200 mm發別對應實際排間距5、10 m），圖11為不同路堤風屏障排間距下車輛的三分力系數對比圖。

由圖11（a）可見，布置兩排路堤風屏障，風向角為負時車輛側力系數相較于一排路堤風屏障時增大，且隨著排間距的增大繼續增大。當風向角φ=0°時，布置兩排路堤風屏障后，車輛側力系數大幅度降低，排間距對其影響不大。當風向角為正時，兩排路堤風屏障時車輛側力系數大于單排路堤風屏障時，且其受排間距的影響較小。

由圖11（b）可見，布置兩排路堤風屏障后，相較于單排路堤風屏障，車輛升力系數提高明顯，但風向角φ=0°時升力系數提升較小，且其隨著排間距的增大而減小，風向角φ=0°仍為最不利風向角。當風向角為正時，排間距對車輛升力系數影響不大；但當風向角為負時，車輛升力系數隨著排間距的增大有一定變化。

對比圖11（a）、（c）可見，車輛力矩系數隨著路堤排間距的變化規律與側力系數基本一致。

4 結論

以路堤-橋梁過渡段為研究對象，探討了車輛在不同防風措施下車輛三分力系數的變化規律，得出以下結論：

1）車輛位于過渡段交界處時，車身三分力系數對風向角較敏感，當風向角為負時，對行車安全更為不利。

2）與沒有防風措施相比，僅布置橋梁風屏障對車輛三分力系數更加不利，升力系數甚至增大了25%，同時最不利風向角也從-15°變為了0°；而在此基礎上進一步布置路堤風屏障后，車輛三分力系數大幅度減小。

3）布置單排路堤風屏障時，車輛三分力系數隨著路堤風屏障布置距離的增大先減小后增大，但其隨風向角變化規律基本不變。

4）與單排布置相比，布置兩排路堤風屏障，除風向角為0°時，車輛三分力系數均有所增大，但在風向角為0°時，側力和力矩系數大幅度減小；同時，排間距的增加僅對風向角為-30°時車輛的側力和力矩系數有明顯的影響。

5）針對路堤-橋梁過渡段布置防風措施時，應充分考慮來流方向，以達到最優效果。

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（編輯" 胡玲）

收稿日期：2020?10?22

基金項目：山東省交通運輸科技項目（C17L00380）；國家自然科學基金（51778051）

作者簡介：韓冰（1973- ），男，教授，博士生導師，主要從事鋼-混凝土組合結構長期性能和橋梁結構理論研究，E-mail：bhan@bjtu.edu.cn。

Received： 2020?10?22

Foundation items： Shandong Transportation Science and Technology Project （No. C17L00380）; National Natural Science Foundation of China （No. 51778051）

Author brief： HAN Bing （1973- ）， professor， doctorial supervisor， main research interest： long-term performance of steel-concrete composite structure and bridge structure theory， E-mail： bhan@bjtu.edu.cn.