风屏障布局对公铁同层桁架桥-列车系统气动特性的影响

刘路路，邹云峰,2，何旭辉,2，汪震

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙，410075；2.轨道交通工程结构防灾减灾湖南省重点实验室，湖南长沙，410075)

随着高速铁路桥梁的快速发展，许多质量小、大跨桥梁随之出现，侧风下桥上列车安全性问题愈加突出[1-3]。风屏障作为一种简单、高效的抗风措施，可以有效减小列车位置横向风速，从而减小侧风对列车的影响，提高列车桥上行车的安全性[4-6]。国内外学者采用数值模拟和风洞试验等方法研究了高度、位置和透风率等不同风屏障参数对不同桥型桥上列车的防风效果[7-9]。GU等[10]研究了不同弯折角的波纹型风障背风面流场结构的变化规律及其对铁路桥梁上列车的遮蔽性能；何玮等[11]采用风洞试验和数值模拟相结合的方法，研究了在桥梁列车线双侧设置不同高度风屏障情况下，列车与桥梁的气动力系数以及车桥系统周围的流场分布情况；周蕾等[12]利用数值模拟方法在列车线两侧设置风屏障，分析了风屏障透风率对不同桥型气动特性的影响并进行了横向对比，揭示了风屏障对车桥系统气动特性的影响机理，探究了风屏障参数对流线型桥梁气动特性的影响；REN 等[13]通过风洞试验研究了不同高度、不同孔隙率对兰新(兰州—乌鲁木齐)高速铁路的防风效果。上述研究的桥面较窄，风屏障均布置在列车线两侧。对于桥址处主风向始终不变的高铁桥梁，风屏障可以仅设置在桥面迎风侧[14]，一些学者对风屏障的布置形式(单、双侧)进行了研究。REN等[13]通过风洞试验研究了单、双侧风屏障对兰新高速铁路的防风效果，发现双侧风障防护效果略优于仅布置迎风侧风障的防护效果，但考虑到对箱梁的负面影响，箱梁双侧风屏障对箱梁的防护效果并没有明显优势；王玉晶等[15]综合分析了设置单、双侧风屏障后车辆和桥梁的气动特性，发现安装单侧风屏障和双侧风屏障时车辆和桥梁的气动力系数都很接近，背风侧风屏障并不能有效提高车辆的气动性能；BULJAC等[16]通过风洞试验重点介绍了风屏障布置方式(包括布置在迎风桥面边缘、布置在背风桥面边缘和布置双侧风屏障)对桥面周围气流流动及桥梁的动力稳定性的影响；GUO 等[17]发现单侧风屏障能够有效减小车辆的侧力与横摇力矩系数，且风屏障与列车的距离对列车气动特性也有较大影响。已有研究成果均针对桥面较窄或铁路线桥梁，风屏障布置方式变化较少，而公铁同层桥梁桥面较宽，风屏障布置位置除了布置在列车两侧外，也可选择布置在公路线两侧，风屏障布置形式也是更加复杂。公铁同层铁路桥梁能够同时实现线路相接和桥位的合理布置，是桥梁建设的新趋势[18]，其桥面与列车间的气动干扰和风屏障的布置较以往桥梁有显著不同。已有风屏障对车桥系统气动特性的影响研究并不完全适用于公铁同层桁架桥，且有关风屏障布置方式和位置对公铁同层桁架桥-列车气动特性的研究报道较少。为此，本文对某大跨度公铁同层钢桁架悬索桥进行节段模型风洞试验，以高为2.50 m、透风率为30%的风屏障为例，研究不同风屏障布置形式(单、双侧)和布置位置(内、外侧)对车桥系统气动特性的影响，以便为同类型高速铁路桥梁的车桥系统气动特性研究和风屏障的设置提供参考依据。

1 试验

1.1 试验模型与设备

某大跨公铁同层悬索桥主梁采用2片主桁结构形式，主桁高为12.00 m，宽为38.00 m，上层桥面为六线高速公路，下层为四线普通公路和两线列车客运专线。列车高为3.50 m，宽为3.38 m，主梁断面见图1。试验在中南大学风洞实验室的高速试验段进行，该试验段长×宽×高为15.00 m×3.00 m×3.00 m，试验采用风速为20 m/s的均匀流场。列车长度通常较大，可近似认为列车与桥梁均符合片条假定，根据阻塞率要求确定模型缩尺比为1:50，主梁和列车缩尺模型长均为1.92 m，该试验模型在风洞试验段的最大阻塞率为3.8%，试验段缩尺模型如图2所示。

图1 主梁断面图Fig.1 Cross-section of girder

图2 风洞试验节段模型Fig.2 Scale model of wind tunnel test

为了测量桁架桥-列车系统气动特性，在主梁模型两端设置2个动态测力天平，采用测力方法测量车桥系统气动力。列车表面截面布有3个测压截面(含30 个测压孔)，采用美国PSI 公司的DTC net电子式压力扫描阀系统测量列车表面风压系数，并通过积分获得列车气动力，采样频率为330 Hz，采样时长为30 s。参考静压采用皮托管测量，参考风速采用澳大利亚TFI公司的眼镜蛇探针测量。

1.2 试验工况

研究表明，风屏障高度、透风率和开孔形式等参数都会影响风屏障防风效果[9-11]。为排除其他因素的影响，风屏障统一选取高为2.50 m、透风率为30%的直立式格栅型风屏障，风屏障模型为5.00 mm厚塑料材质模型，不易变形，具体参数如表1 所示。本研究将位置1 和位置4 风屏障定义为外侧风屏障，位置2和位置3风屏障定义为内侧风屏障，风屏障位置如图3 所示。试验共分为8 组，各组均在风攻角为0°时进行试验，试验来流风向角为90°，风速为20 m/s，其中，第1～4组为迎风线列车工况，第5～8 组为背风线列车工况，风屏障布置形式为单、双侧，布置位置为内、外侧，试验工况如表2所示。

表2 试验工况Table 2 Test conditions

图3 风屏障位置编号Fig.3 Number of wind barrier position

表1 风屏障几何参数Table 1 Parameters of scaled wind barrier

1.3 数据处理

作用在车桥系统上的静风荷载可按体轴坐标系定义，主梁气动力系数Cl表达式为：

式中：h为主梁模型高度；b为主梁模型宽度；l为主梁模型长度；Cl和Cd分别为单位长度主梁升力系数与阻力系数；Fl和Fd分别为主梁升力与阻力；ρ为空气密度，取ρ=1.225 kg/m3；U为平均风速。

列车在风场中受到的压力作用，常用量纲一风压系数表征[22]：

式中：CPi(t)为列车表面第i个测压点的风压系数；Pi(t)为列车表面第i个测压孔测得的压力；P0为风洞内静压，该静压是通过皮托管侧孔测量，皮托管用于监测迎面而来的自由流；空气密度ρ=1.225 kg/m3。

压力系数反映的是结构某一点的受力情况，可将压力系数对面积积分得到列车截面气动力，作用在列车上的静风荷载采用升阻力和扭转力矩描述，气动力系数定义如下[15]：

式中：H为列车模型高度；B为列车模型宽度；L为列车模型长度；CL，CD和CM分别为单位长度列车升力系数、阻力系数和扭转力矩系数；FL和FD分别为列车升力与阻力；θi为测压孔在列车截面的外法线向量角；n为测压孔总数。列车测压孔布置、升阻力系数方向规定如图4所示。

图4 列车截面测压孔及气动力系数方向规定Fig.4 Pressure measuring holes and direction of aerodynamic coefficient

2 结果与讨论

2.1 主梁气动力系数

图5所示为不同风屏障布置形式条件下0°风攻角主梁的平均气动力系数。从图5可见：主梁升力系数较小，风屏障对升力系数的影响并不明显；风屏障主要增大主梁的阻力系数，且不同布置形式风屏障对主梁影响不同。由图5(a)可知：对比4种工况，当风屏障位于内侧时，风屏障对主梁阻力系数影响最小，阻力系数增大约3%，对比Case 2和Case 4这2个工况，阻力系数相差1%，即下游内侧风屏障对主梁的影响几乎可忽略。而当风屏障位于外侧时，风屏障对主梁影响较大，对比Case 1和Case 3这2个工况，在主梁上游外侧布置单侧风屏障，阻力系数增大7%，在主梁外侧布置双侧风屏障，主梁阻力系数增大最多，约为10%，即下游外侧风屏障也会增大主梁阻力系数，不应忽略。由图5(b)可知：当列车位于背风侧线路时，风屏障对主梁阻力系数的影响规律与风屏障位于内侧时的影响规律相同，列车位置对上述规律无影响。

图5 风屏障布局对平均主梁气动力系数的影响Fig.5 Influence of layout of wind barrier on mean aerodynamic coefficient of bridge

因此，当风屏障布置在外侧时，风屏障对主梁阻力系数的影响大于布置在内侧时的影响；下游内侧风屏障对主梁几乎无影响，但下游外侧风屏障会增大主梁阻力系数。

2.2 列车气动力系数

列车的平均气动力系数如图6所示。由图6可知：不同布局的风屏障均会降低迎风线列车的升阻力系数，但影响程度有所不同。由图6(a)可知：对比4种工况，当风屏障位于内侧时，迎风线列车阻力系数减小约43%，升力系数减小约47%，对列车升阻力系数的影响相比布置在外侧时的小。对比Case 2和Case 4这2个工况可知，列车升阻力系数均相差1%，即下游内侧风屏障对列车升阻力系数几乎无影响，这与王玉晶等[15]的研究结果一致。来流在经过风屏障和列车作用后，位置3的下游内侧风屏障区域风场较弱，有、无下游内侧风屏障对列车升阻力系数影响也较小；当风屏障位于外侧时，对迎风线列车升阻力系数影响较大，对比Case 1和Case 3这2种工况，若在主梁上游外侧布置单侧风屏障，则迎风线列车阻力系数减小44%，升力系数减小57%，若在主梁外侧布置双侧风屏障，则迎风线列车阻力系数减小55%，升力系数减小70%，影响最大，即下游外侧风屏障对列车升阻力系数有较大影响，不可忽略。从图6(b)可见：当风屏障位于内侧时，列车阻力系数减小约15%，升力系数减小38%；对比Case 6和Case 8这2 种工况可知，背风线列车升阻力系数均相差约2%，下游内侧风屏障对背风线列车升阻力系数也几乎无影响；当风屏障位于外侧时，对列车升阻力系数影响较大。对比Case 5和Case 7这2种工况可知，若在主梁上游外侧布置单侧风屏障，则背风线列车阻力系数减小17%，升力系数减小40%；若在主梁外侧布置双侧风屏障，则背风线列车阻力系数减小35%，升力系数减小35%，防风效果比风屏障位于内侧时的防风效果好，且下游外侧风屏障对背风线列车有影响。

由图6可知：不同布局的风屏障均会降低列车的扭转力矩系数CM，无风屏障时，迎风线列车扭转力矩系数为0.21，背风线列车扭转力矩系数为0.15；安装风屏障后，迎风线列车扭转力矩系数降低约70%，背风线列车扭转力矩系数降低约60%，风屏障对列车扭转力矩系数影响较明显，但安装风屏障后，列车扭转力矩系数均相对较小，约为0.05，不同位置的风屏障对背风线列车扭转力矩系数影响规律并不明显。

图6 风屏障布局对列车平均气动力系数的影响(风屏障高为2.50 m)Fig.6 Influence of layout of wind barrier on mean aerodynamic coefficient of train(wind barrier height is 2.50 m)

综上可知，无论列车位于迎风侧线路还是背风侧线路，风屏障位于外侧时对列车的遮蔽效果要优于其位于内侧时的遮蔽效果，下游内侧风屏障并不起作用，但下游外侧风屏障仍能减小列车升阻力系数，故在桁架桥外侧布置双侧风屏障对列车的遮挡效果较好，且对迎风线列车的影响更大。

2.3 列车平均风压系数

列车表面风压系数可反映风屏障对列车各面的影响，为了了解不同风屏障布局下气流在列车表面分离与再附情况，选取3个截面风压系数均值进行分析，结果如图7所示。从图7可见：风屏障使列车表面迎风面正压绝对值减小，顶面、背风面和底面的负压绝对值减小，但4种不同布置形式和位置的风屏障具有不同的防风效果，平均风压系数测点曲线表现出不同的形式。

图7 风屏障布局对列车表面平均风压系数的影响(风屏障高为2.50 m)Fig.7 Influence of layout of wind barrier on mean wind pressure coefficient(wind barrier height is 2.50 m)

风屏障设置形式(单、双侧)对列车表面风压系数的影响见图4(a)。由图4(a)可知：对比Case 2 和Case 4这2个工况，列车表面风压系数曲线几乎完全重合，即位置3的下游内侧风屏障完全处于列车下游弱风区，几乎可忽略；而对比Case 1和Case 3这2 个工况，列车表面风压系数完全不同，位置4的下游外侧风屏障不仅影响列车下游风场，引起列车背风面负压绝对值增大，而且风的再循环也影响位置1处风屏障与列车之间的风场，迎风面正压也发生变化，不可忽略，可见，下游风屏障不应忽略。

双侧风屏障设置位置(内、外侧)对列车表面平均风压系数的影响见图7(b)。从图7(b)可见：在设置双侧风屏障条件下，对比Case 3和Case 4这2个工况，当风屏障设置在外侧(位置1 和4)时，列车顶面处流动分离明显减弱，拐点处风压极系数极值更小，即外侧风屏障(位置1 和4)对列车的防风效果均优于内侧风屏障(位置2 和3)的防风效果。背风线列车所表现规律基本与之相同(见图7(b))。

2.4 列车脉动风压系数

为了了解不同风屏障布局下列车表面脉动风压系数变化，选取3个截面脉动风压系数均值进行分析。同样以高为2.50 m、透风率为30%的风屏障为例，分析风屏障布置形式和位置的影响，结果如图8所示。从图8可见：不同位置对列车表面脉动风压系数的影响不大，脉动风压系数基本一致，脉动风压系数极值点的位置也相同。但对比迎风线列车和背风线列车脉动风压系数可知，迎风线列车表面脉动风压系数极值点出现在9号测点(见图8(a))即列车迎风面顶部；而背风线列车表面脉动风压系数极值点在3 号测点即列车迎风面底部。

图8 风屏障布局对列车脉动风压系数的影响(风屏障高为2.50 m)Fig.8 Influence of layout of wind barrier on fluctuating wind pressure coefficient(wind barrier height is 2.50 m)

3 结论

1)风屏障布置在外侧时对主梁阻力系数的影响大于风屏障布置在内侧的影响，下游内侧风屏障对主梁阻力系数几乎无影响，但下游外侧风屏障会对主梁阻力系数有影响。

2)无论列车位于迎风线还是背风线，风屏障位于外侧时对列车的遮蔽效果要比位于其内侧时的好，下游内侧风屏障并不起到防风作用，但下游外侧风屏障仍能减小列车升阻力系数，故在桁架桥外侧布置双侧风屏障对列车的遮挡效果较好，且对迎风线列车气动力系数的影响更大。

3)对比单、双侧风屏障的结果可知，下游内侧风屏障(位置3)对列车各面平均风压系数几乎无影响，但下游外侧风屏障(位置4)引起气流回流，对列车背风面负压区甚至其余各面平均风压系数有较大影响；列车脉动风压系数受风屏障布置方式影响不大，但在不同列车位置，脉动风压系数极值点的位置不相同。

4)在风屏障高为2.50 m、透风率为30%时，在同层桁架桥外侧布置双侧风屏障，主梁阻力系数仅增大10%，而列车阻力系数减小55%，风屏障效果较好。