风屏障对公铁两用桥上车辆气动特性的影响

甄谢友，苏 洋，向活跃，李永乐

(西南交通大学 桥梁工程系，四川 成都 610031)

为提高桥梁通行能力，缓解交通压力，大跨度跨江跨海大桥常采用公铁两用的结构形式。以钢桁架为主体框架，桥面采用整体性钢桥面板结构，桥面板与下弦杆连为整体，这种主梁结构具有较好的整体性、空间利用能力和合理受力性能，成为公铁两用桥梁首选形式。如主跨312 m的芜湖长江公铁两用斜拉桥[1]和主跨504 m的武汉天兴洲长江公铁两用斜拉桥[2]。另一方面，公铁两用钢桁架桥断面较为复杂，上下2个桥面相互影响，在侧风作用下当车辆通过时流场变化显著。因此为了提高车辆的行车安全性，桥面上通常要设置风屏障。

近年来，国内外学者对风屏障的防风效果进行了广泛研究。在国内，白璐等[3]采用CFD数值模拟方法，研究防风栅的设置位置对小轿车、大客车和大货车的气动特性的影响，提出防风栅的最佳设置方案，并推荐了设计临界风速。苏洋等[4]通过风洞试验研究分离式公铁双层桥面桥梁上、下桥面间气动干扰效应对列车气动效应的影响，分析了间隔高度的改变引起铁路桥面风速剖面以及列车气动力系数的变化。向活跃等[5]通过风洞试验分析风屏障的孔径和开孔形状对车辆气动特性的影响，讨论了圆孔形风屏障与纵条形风屏障的相似性。何旭辉等[6-7]基于同步测压技术，研究了风屏障对典型车桥组合状态下列车的风压分布和各面气动力分布特征的影响，并从流体力学角度解释了风屏障的气动影响机理。唐煜[8]针对风屏障的典型参数(透风率、高度、形状等)对列车气动性能的影响做了一系列研究，最后给出高速列车行车安全评价。

在国外，COLEMAN等[9]通过缩尺模型风洞试验，测试了不同风屏障情况下车辆的气动特性，研究结果表明，风屏障能有效降低车辆气动力，但是对于圆弧形车顶的车辆，其对雷诺数较为敏感，因此要予以适当修正。ARGENTINI等[10]通过风洞试验测试设置风屏障前后，车辆通过桥塔附近时的气动特性，得到了货车瞬态的气动导数，提出在后续的研究工作中应该考虑移动车辆的情况，进而对静止车辆情况进行修正。TELENTA等[11]研究了风屏障的障条倾斜角度对车辆气动特性的影响，以车辆所受侧向力最小为目标，优化了障条的间距及倾斜角度。FUJII等[12-13]针对日本铁路沿线桥梁区段上的列车气动力进行了一系列研究，分析了不同列车及桥梁类型的影响，提出了减少风致列车事故的措施。

然而，这些研究多针对单一桥面，其桥梁断面通常为箱形结构，仅部分针对公铁两用桥，对于公铁两用桁架桥设置风屏障后对车辆气动力及局部风场影响的研究相对较少。本文以某公铁两用钢桁架海峡大桥为背景，通过节段模型风洞试验分别研究了设置风屏障对桥面局部风场的影响，以及对公路车辆和铁路列车气动力的影响，证明了风屏障在公铁两用钢桁架桥中的良好防风效果。

1 模型风洞试验及测试方法

某海峡大桥是跨径组合为(48+6×80+48)m的连续梁桁架桥。主梁为倒梯形钢桁架，桁架高13 m，宽34.5 m。桥面系采用带有U形肋和纵梁加劲肋的正交异性板，公路桥面板为双向六车道；铁路桥面板上方为道砟槽及其他附属设施，为双线铁路。

试验在西南交通大学XNJD-3工业风洞进行，为满足阻塞率要求，主梁节段和车辆模型、风屏障模型的几何缩尺比均为1∶20，采用优质木材制作，保证模型具有足够的强度，且外形上保持几何相似。试验过程中主梁节段不发生变形且不出现明显的振动现象以保证测量的精度。试验模型见图1。

图1 试验模型

公路风屏障高度为3.5 m，透风率为50%(以下简称P1)，风屏障形式为纵条式，间距为71 mm，制作模型时采用塑料板雕刻而成。铁路风屏障高度为3.5 m，透风率为36.5%(以下简称P2)，为圆孔式风屏障，按等效透风率进行模拟。模型中孔隙直径为8 mm，采用铝板制作，来流风攻角为0°。风屏障模型见图2。

图2 风屏障模型

试验时，采用量程为5 kg的天平直接测试车辆的气动特性。试验风速分为6,8,10 m/s，以校核测试结果，最终以高风速下的气动力系数为定值。车辆风荷载的测量如图3所示。

实际中，汽车及列车可能同时出现，但上下桥面的间隔较高，列车高度有限，列车与汽车间的气动干扰较小，因此忽略列车与汽车共存的情况。由于汽车的类型多，本文仅采用3种典型的车辆(大货车、小货车、客车)进行风洞试验。3种汽车模型设计参数见表1。

图3 风荷载的测量(单位：mm)

汽车类型前投影面积/cm2总长/cm重心高度/cm大货车197.9877.18.5小货车175.3152.17.5客车156.9838.47.0

测试时同一车道布置3辆汽车(见图1)以保证测试车辆前后的绕流特征相似，汽车间距为50 cm。采用CRH2列车，由3节车组成，中间段为测试段，两端为辅助模型，以减小测试模型端部的绕流影响。

汽车受力如图4所示。

图4 汽车受力示意

由于汽车长度较小，三维绕流效应明显，所以汽车的五分力系数为[14]

式中：CL,CS,CMP,CMY,CMR分别为汽车的升力系数、侧向力系数、俯仰力矩系数、横摆力矩系数、侧翻力矩系数；FL,FS,MP,MY,MR分别为汽车所受到的升力、侧向力、俯仰力矩、横摆力矩、侧翻力矩；A为汽车沿轴向向车头方向正投影的面积；l为车辆总长；q=0.5ρU2，ρ为 空气密度，U为平均风速。

列车长度较长，属于线状结构，可简化为二维节段模型，三分力系数为[15]

式中：CH,CV,CM分别为列车的阻力系数、升力系数、力矩系数；H,B,L分别为列车节段模型的高度、宽度、长度；FH,FV,FM分别为体轴坐标系下的阻力、升力、力矩。本试验中，CRH2列车模型宽、高分别为169，175 mm，长度与桥梁节段模型长度相同。

列车受力如图5所示。

图5 列车受力示意

由于车辆气动特性与桥面风场存在紧密联系，为进一步研究车辆气动力的变化规律，对桥面风场进行了测试，测点布置于不同车道中心和轨道中心。其中，公路桥面设置18个测点，铁路桥面设置12个测点，测点的布置见图6。测试时，来流风速为10 m/s，测试时间为60 s。

图6 桥面风剖面测点布置(单位：m)

2 测试结果分析

2.1 风屏障对汽车的影响

有无风屏障时大货车在不同车道的五分力系数见图7。

图7 大货车在不同车道的气动力系数

由图7(a)可知：无风屏障时，汽车的侧向力系数随车道位置的内移先降低后增加，在1～3车道的变化趋势较为显著，在4～6车道的变化趋势则较为平缓。设置风屏障以后，汽车的侧向力系数减小明显，且随车道位置的变化趋势较为平缓。

由图7(b)和图7(c)可知:无风屏障时，汽车的升力系数和侧翻力矩系数随车道位置的内移先增加后减小，然后再增加后减小，呈现出 M形的变化规律。设置风屏障以后，汽车的升力系数和侧翻力矩系数均降低，且侧翻力矩系数降低较明显。

由图7(d)和图7(e)可知：无风屏障时汽车的横摆力矩系数和俯仰力矩系数绝对值在1,2车道最大，整体上数值较小且随车道位置的变化较为平缓，设置风屏障能够减小二者数值但不显著。

图8 设置风屏障后3种汽车的气动力系数

设置风屏障后3种汽车的气动力系数见图8。由图8可知，对于侧向力系数，大货车在各个车道均最大，而小货车在各个车道均最小；而升力系数、侧翻力矩系数、横摆力矩系数、俯仰力矩系数的数值相对较小，变化范围不大且无明显规律。这可能是因为受风屏障的影响，汽车所受到的风荷载明显减小，且3种车辆外形相差不大，所受气动力差异不大，导致气动力系数变化不明显。

为解释风屏障对公路车辆气动特性的影响，图9和图10分别给出了无风屏障和设置风屏障P1时公路桥面不同车道处的横桥向平均风速，以及设置风屏障后风速沿车道的水平分布。其中y为测点距桥面的距离，h为风屏障高度。

图9 不同车道处横桥向的平均风速

图10 设置风屏障后风速沿车道的水平分布

由图9可知：无论设置风屏障与否，6个车道贴近桥面附近处风速均较低，这是由于水管、防撞护栏等结构物的遮挡效应所致。不同车道处，随着高度的增加，横桥向风速均逐渐增加。无风屏障情况下，迎风侧1～3车道，当y/h=0.9左右时，风速趋于稳定值(11 m/s左右)；背风侧4～6车道，当y/h=1.1左右时，风速趋于稳定值(11 m/s左右)。设置风屏障P1在一定程度上降低了桥面横桥向的风速，在风屏障遮挡范围内(y/h≤1.0)，桥面横桥向风速较低，超过风屏障防风范围后桥面横桥向风速随着高度的增加而增大，并逐渐趋于稳定值(11 m/s左右)。因为车辆在风屏障防风范围内，所以车辆所受风荷载减小，五分力系数相应减小。

由图10可知，在不同高度处，风速沿车道的分布不同。当y/h=0.4时，风速沿车道呈现减小趋势，且减小幅度越来越小；当y/h=0.4，0.8,1.2时，风速沿车道先减小，然后在5，6车道处有增大的趋势，可能是因为该处高度与风屏障高度接近，距离风屏障较远的5，6车道受风屏障的影响减小。而公路车辆的高度在0.9h以内，导致其所受风荷载先减小，然后略微增大，直接影响了侧向力系数的变化趋势。另外，无论设置风屏障与否，桥面各个车道处的竖向风速均较低，说明风屏障对竖向风速无明显影响。

2.2 风屏障对列车的影响

有无风屏障情况下，铁路轨面迎风侧、背风侧的横桥向平均风速分布见图11。可以看出无论是否设置风屏障，贴近桥面附近处风速均较低，这是由于桥梁附属结构物的遮挡效应。在一定范围内横桥向平均风速随高度的增加而增大，并逐渐趋于稳定值(11 m/s左右)。设置风屏障后，横桥向平均风速降低明显，在风屏障防风高度范围(y/h≤1.0左右)内，桥面横桥向平均风速较低，超过防风区域后，随着高度的增加，来流风速逐渐增大并趋于稳定值(11 m/s)。

图11 不同轨道处横桥向的平均风速分布

铁路桥面列车在迎风侧和背风侧的三分力系数见表2。可见，当列车位于桥梁迎风侧，设置风屏障后列车气动力系数较无风屏障均有所降低，阻力系数降低了56.1%，升力系数降低了36.3%。当列车位于桥梁背风侧，设置风屏障以后的列车气动力系数较无风屏障均有所降低，列车的阻力系数降低了53.4%，升力系数降低了73.9%。这表明，风屏障对迎风和背风侧车辆阻力系数的折减率基本接近，但对升力系数的折减率有较大的差异，风屏障对背风侧车辆的防风效果更好。此外，有无风屏障情况下力矩系数均较小，相差不大。

表2 铁路桥面列车三分力系数

综上所述，设置风屏障后，桥面横桥向风速显著降低，且迎风侧降低程度比背风侧大，列车所受风荷载减小，导致三分力系数减小，说明风屏障起到了较好的防护效果，能提高列车行车安全性能。

3 结论

以某公铁两用钢桁架海峡大桥为背景，通过风洞试验，研究了风屏障对公路桥面不同车道、不同类型车辆及铁路桥面列车气动力和局部风场的影响。主要结论如下：

1)风屏障有效降低了公路和铁路桥面以上局部区域风速，且对迎风侧车道以上区域的降低作用大于背风侧车道的。

2)对于公路桥面，设置风屏障后车辆侧向力系数、侧翻力矩系数显著降低，横摆力矩系数、升力系数和俯仰力矩系数一定程度上降低。风屏障对大货车气动特性的降低程度相对于小货车和客车较显著，迎风侧车道的降低程度相对于背风侧较显著。

3)对于铁路桥面，风屏障对迎风侧和背风侧车辆阻力系数的折减率较为接近，但风屏障对升力系数的折减率差异较大，对背风侧升力系数降低程度更大。

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