风荷载作用下桥上车辆行驶安全研究

谢佳桃， 吴明荃

(广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广东广州 510665)

车辆行车安全是大跨度桥梁的关键问题，尤其是在风速较高的环境中。一般情况下，流线型箱梁的气动稳定性较好。但是其对来流的扰动更小，强风径直穿过桥面，将车辆置于危险的风环境中。一直以来，桥上车辆在横风作用下的侧翻事故屡见不鲜[1]。随着交通运输不断延伸，修建的大跨度桥梁也越来越多。因此，有必要对车辆在桥上行驶过程中的安全性进行研究。韩艳等[2-3]通过CFD数值模拟计算了车辆在不同车道上的气动特性，研究了车辆间相对位置对挡风效应的影响，并通过速度云图进行了机理分析。同时提出了一种风-车-桥耦合振动分析方法，并编写成软件程序。韩万水等[4-5]建立了大跨度桁架桥风-车-桥耦合系统，并实现了可视化分析。王少钦等[6]计算了悬索桥在列车及风荷载作用下的振动响应，对车辆的响应极值进行了分析。此外，还有许多学者对桥上车辆行车安全进行了研究[7-8]。本文以风荷载作用下在桥上行驶的大货车为研究对象，采用CFD数值模拟的方法，研究了各项气动力系数对行车安全性的影响。

1 工程背景

某桥梁断面为扁平箱梁形式，如图1所示，宽度为32.0m，高度为3.0m。一辆大货车在桥上迎风侧车道行驶，车辆高度为3.78m，宽度为2.5m，长度为15.42m。为降低数值模型的建立难度，对大货车的气动外形进行了一定程度的简化，忽略车辆的细部构造，保留车辆的主体外形，简化后的车辆几何模型如图2所示。

图1 主梁断面

图2 车辆几何模型

2 车辆气动力系数

在侧风作用下，影响车辆行驶安全性的气动力主要包括侧向力FS、升力FL、阻力FD、侧翻力矩MR、俯仰力矩MP和横摆力矩MY，车辆受力示意如图3所示。

图3 车辆气动力系数

车辆的气动力系数可定义为下式，其中CS、CL、CR、CP和CY分别代表车辆的侧力系数、升力系数、侧翻力矩系数、俯仰力矩系数和横摆力矩系数，U0为来流风速，Af代表车辆正投影面积，L为车辆的长度，ρ为空气密度，本文中取1.225kg/m3。

(1)

建立数值模型，计算区域如图4所示，尺寸为25B×15B，其中B为加劲梁宽度。主梁和车辆壁面设置多层贴壁层网格，首层网格高度为0.001m，远离壁面的网格尺寸逐渐增大，网格总数300万，细部网格如图5所示。迎风侧边界设为速度入口；背风侧边界设为压力出口；上下边界设置为对称边界；前后边界视来流风偏角而定；主梁表面和车辆表面设为壁面。选用SSTk-ω湍流模型；用SIMPLEC算法解决动量方程中速度分量和压力的耦合问题；动量方程、湍动能方程及湍流耗散率方程均采用二阶离散格式。

对车辆行车安全影响最大的气动力系数是CS、CL、CR，计算得到不同风偏角来流下的车辆气动力系数如表1所示。

图4 计算区域网格

图5 壁面细部网格

表1 车辆气动力系数

3 行车临界风速

桥上车辆运动过程中同时受到风荷载、重力和摩擦力的共同作用，车辆的受力示意如图6所示。汽车在桥上行驶过程中，不仅受到自然风引起的风荷载，还有车辆运动引起的纵向风荷载，二者的叠加才为车辆受到的实际风荷载。

图6 车辆受力示意

风致行车安全事故主要有侧翻事故与侧滑事故2类。车辆受到的风荷载的作用点与桥面有一定的距离，使得车辆顶部由迎风侧向背风侧倾斜，而重力则产生一定的力矩与之平衡，使车辆保持安全行驶状态。对背风侧车轮与桥面的接触点取矩，可得到车辆不发生侧翻的条件为式(2)。

MR+(FS+max)hvcosφ+(FL+may)·0.5Bcosφ≤

mg·(0.5Bcosφ+hvsinφ)

(2)

式中：m代表车辆质量，ax和ay分别代表车辆的横向加速度和竖向加速度。上式左侧为车辆受到的总侧翻力矩，从左至右分别为气动侧翻力矩、气动侧向力和车辆横向惯性力引起的力矩、气动升力与车辆竖向惯性力产生的力矩。上式右侧为车辆重力产生的平衡力矩，称为抗侧翻力矩。当二者相等时，则处在车辆侧翻的临界状态，此时自然风风速大小则为侧翻临界风速Ur。

车辆不发生侧滑的条件为式(3)。

(FS+Fy)cosφ≤US(mg-FL-Fx)+mgsinφ

(3)

式(3)左侧代表侧滑力，右侧代表抗侧滑力，当二者相等时，则处在车辆侧滑的临界状态，此时自然风风速大小则为侧滑临界风速Us。μs为桥面的摩擦系数，在干路面、湿路面、雪路面和冰路面条件下分别取为0.7、0.5、0.15和0.07。

进行大货车在以设计时速100km/h行驶时车辆行驶临界风速的计算。图7给出了车辆所受侧翻力矩与抗侧翻力矩随风速的变化曲线，2条曲线的交点的横坐标即为车辆侧翻临界风速Ur。由图7可以发现，随着风速的增大车辆受到的侧翻力矩逐渐增大。而车辆的抗侧翻力矩由重力提供，是一个定值，不受风速和车速的影响。图8给出了大货车在不同路面状况下所受侧滑力与抗侧滑力随风速的变化曲线，2条曲线的交点的横坐标即为车辆侧滑临界风速Us。由图8可以发现，随着风速的增大车辆受到的侧滑力逐渐增大。当路面状况一定时，由于升力的变化相对重力而言很小，抗侧滑力随风速的变化很小。对于不同条件的路面，其桥面摩擦系数μs不同，极大地影响了车辆的抗侧滑力，抗侧滑力随摩擦系数的减小而显著下降。当路面干燥时，大货车的抗侧滑力较高，车辆侧滑临界风速也较高；但是在冰雪路况下，大货车的抗侧滑力极低，在4～5级风作用下便会发生侧滑事故。

图7 侧翻安全分析

图8 侧滑安全分析

在不同风攻角下，抗侧翻力矩是一个定值，行车临界风速主要由侧翻力矩控制。由式(2)可知，气动侧力、气动升力与气动侧翻力矩均对侧翻力矩有一定影响。图9给出了0°风攻角下，各项气动力对车辆侧翻力矩的贡献，发现影响车辆行驶安全的主要是气动侧翻力矩MR与气动侧力FS，而气动升力FL的影响十分有限。因此，侧翻临界风速差异主要归结于气动侧翻力矩系数CR的与气动侧力系数CS的差异。

图9 各项气动力对侧翻力矩的贡献

图10 各项气动力对侧滑力的贡献

同理由式(3)可知，影响车辆侧滑临界风速的有气动侧力和气动升力两项，将不等式右侧与气动升力有关项移项至左侧，则在湿路面条件下，各项气动力对车辆侧滑力的贡献如图10所示，可以发现影响车辆侧滑安全的主要是气动侧力系数CS。

4 结论

本文以风荷载作用下在桥上行驶的大货车为研究对象，研究了各项气动力系数对行车安全性的影响，得到结论：

当路面干燥时，大货车的抗侧滑力较高，车辆侧滑临界风速也较高；但是在冰雪路况下，大货车的抗侧滑力极低，在4～5级风作用下便会发生侧滑事故。

影响车辆侧翻安全的主要是气动侧翻力矩MR与气动侧力FS，气动升力FL的影响十分有限。影响车辆侧滑安全的主要是气动侧力FS。因此，行车临界风速主要归结于气动侧翻力矩系数CR的与气动侧力系数CS的差异。