鐵路風屏障對軌道上方風壓分布影響的風洞試驗研究

向活躍，李永樂，胡 喆，廖海黎

（1.西南交通大學 橋梁工程系，成都 610031；2.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

0 引 言

近年來，鐵路車輛因強風作用而傾覆的事故在世界范圍內時有發生，嚴重危害交通和人員的安全。日本自有鐵路運輸以來（統計至2006年），共發生了30多起由風引起的列車事故［1-2］。2005年，日本新干線列車“稻穗14號”以100km／h速度行駛過程中遭遇遠低于警戒風速的橫風作用而脫軌翻車［3］。在我國蘭新鐵路所謂的“百里風區”，最高風速可達64m／s［4］，每年8級以上的大風超過100天。自通車以來［5］（統計至2002年），蘭新鐵路因大風引起的列車脫軌、傾覆事故30起，吹翻貨車110輛。2007年，由烏魯木齊開往阿克蘇的5807 次列車發生了傾覆事故，經調查［6］，列車傾覆于無擋風墻地段，現場的最大風速比車站的風速大2～3級，瞬時大風是引起列車傾覆的主要原因。2008年開始運營的京津城際高速鐵路沿線，每當強冷空氣侵襲時出現的大風，以及夏季的短時雷雨大風對其破壞力很強，增加了站停列車溜逸的危險［7］。已建成的京滬高速鐵路沿線每年最高風速大于20m／s的次數約為19.2次［8］，對列車的安全性影響較大。由此可見，在大風區鐵路設置風屏障等行車防風措施非常必要［9］。沿線路一側或兩側設置風屏障為列車創造一個相對低風速的局部運行環境，以提高列車的行車防風能力，保障鐵路列車（特別是高速列車）全天候運營的安全性。

目前風屏障的研究方法主要有：現場實測、風洞試驗、數值模擬。葛盛昌［10］等通過現場實測的方法，研究了蘭新線平地路基設置單側風屏障后不同高度情況下的風速折減率；王厚雄等［4］針對高路堤上單線鐵路，利用風洞試驗研究了單側擋風墻及高路堤對大風特性和車輛橫風氣動特性的影響；劉賢萬等［11］針對高路堤上的單側擋風墻，通過風洞試驗研究其流場分布；英國的Papesch［12］通過風洞試驗，以傾覆力矩為評價指標研究了不同防風結構的防風效果。日本對風屏障、車輛、線路等組合進行一系列風洞模型試驗，認為風屏障的防風性能依賴風屏障的高度和透風率、車輛 及 線 路 構 造 形 式［2，13］。梁 習 鋒 等［14］采 用 數值模擬方法研究了路堤上擋風墻的合理高度。黃林［15］針對混凝土簡支箱梁上風屏障（實體，0.0%透風率），采用動模型分析了列車在自然風與列車風共同作用下的三維繞流特性。

綜上所述，國內相關研究主要集中在重型擋風墻方面，而對輕型風屏障的研究較少。線路構造形式差異對風屏障的防風效果影響較大，國外針對鐵路風屏障的研究較少。京滬高速鐵路是我國建設里程最長、投資最大、標準最高的高速鐵路，整條線路位于東部沿海，易受臺風和強季風侵襲，有必要在大風區段設置風屏障。本文從整條京滬高速鐵路中選擇最具代表性的3種線路形式：平地路基、高路堤、32m 跨度橋梁，分別制作了風洞試驗模型，采用風壓排管測試了不同風屏障情況下軌道中心的風壓分布，對比了風屏障設置方式、風屏障高度、線路類型等對軌道上方風壓分布的影響，分析了風屏障的氣動作用機理，為后續風屏障設計及車輛氣動力的確定提供依據。

1 風壓分布風洞試驗及測試方法

線路周圍設置風屏障后會顯著改變軌道上方的繞流形態，軌道上方局部風場特性直接決定了車輛所受風荷載的大小，明確軌道上方風壓分布特性是進行車輛側向氣動荷載優化的前提。

風壓分布測試的風洞試驗在西南交通大學的XNJD-3風洞進行，風洞寬×高×長為22.5m×4.5m×36mm，模型縮尺比為1／15，模型長度為3.0m，為減少端部繞流的影響，在模型兩側設置了端板。將風壓排管安裝于一根豎直的立柱上，排管正對來流，并垂直向外伸長0.05m，以減小立柱對風壓排管處風壓的影響。在軌道中心0.25m 高度以下測點間距為0.03m，其余測點的間距為0.04m，共計16 個測點（測點布置詳見圖1）。采用同步采集系統，可一次得到軌道中心的風壓系數剖面。

在前方未受擾動的來流處安裝一皮托管（如圖1所示），用于測試來流靜壓與風速，以來流靜壓作為參考點，可得到風壓系數［16］：

式中，pi為第i個風壓排管測試的壓力（總壓），p∞為來流參考點處靜壓，V∞為來流風速，ρ為空氣密度，取ρ=1.225kg／m3。需要說明的是：壁面風壓系數與結構的形狀有關，反映結構表面的風荷載分布；（1）式為相對壓力系數，反映流場分布與總能量的變化關系。

圖1 橋上風壓剖面測試示意圖（單位：m）Fig.1 Schematic diagram of wind pressure profile test on bridges（unit：m）

針對京滬高速鐵路3種典型線路構造形式：32m跨度橋梁（見圖1）、6.0m 高路堤（見圖2）、平地路基（見圖3），分別進行了不同風屏障高度、不同風屏障設置形式的風洞試驗，測試了迎風側和背風側軌道中心的風壓系數剖面，具體工況詳見表1。

圖2 高路堤的風洞試驗模型（單位：m）Fig.2 Wind tunnel test model of high embankment（unit：m）

圖3 平地路基的風洞試驗模型（單位：m）Fig.3 Wind tunnel test model of ground roadbed（unit：m）

表1 風洞試驗工況Table 1 Wind tunnel test cases

2 風洞試驗結果分析

首先針對典型風洞試驗工況，同步進行了CFD仿真模擬，將風洞試驗與CFD 模擬結果進行了對比，在此基礎上，討論了風屏障布置形式、風屏障高度、線路構造形式對軌道上方風壓分布的影響，并分析了風屏障的氣動機理。

2.1 風洞試驗與CFD 模擬的對比

為了驗證測試方法，利用CFD 模擬了橋上設置兩側2.05m 高風屏障時的二維風壓分布。采用SSTk-ω兩方程湍流模型進行了模擬，模型縮尺比為1／15，邊界層厚度按文獻［15］取值，網格數量為7.6萬，按定常計算得到CFD 結果與風洞試驗結果的對比，如圖4所示。圖中斜率較小的區域為繞流引起的剪切層，剪切層以下的高度是風屏障對軌道上方風壓分布的影響范圍，這部分區域為風屏障的防風區域，剪切層上方的區域為外部流場。圖中表明，迎風側軌道中心的CFD 模擬結果與風洞試驗符合較好，雖然背風側軌道中心的風洞試驗與CFD 模擬結果有一定差異，但規律相似；另外，根據理想流體的伯努利方程，防風區域的風壓系數相比外部流場中的風壓系數要小，相差部分為湍流引起的能量耗散。由此可見，采用風壓排管測試軌道上方的風壓分布是可行的。

圖4 風洞試驗與數值模擬對比Fig.4 Comparison of wind tunnel test with CFD

2.2 風屏障布置形式的影響

為了考查風屏障布置形式的影響，測試了無風屏障、單側風屏障、雙側風屏障時軌道上方的風壓系數剖面。圖5給出了在橋上設置2.05m 高度的單側風屏障和雙側風屏障，以及無風屏障時風壓系數剖面的對比圖。從圖中可以看出，設置單側、雙側風屏障后均有效地減小了軌道上方的負壓值，其中設置雙側風屏障時，由于背風側風屏障處于防風區域內，其阻擋作用進一步增加了軌道上方的回流，增加了防風區域的風壓系數，減少了防風區域的能量耗散，但對外部流場基本沒有影響。由此可見，迎風側風屏障是軌道上方產生能量耗散的主要原因。

圖5 風屏障的影響Fig.5 Effects of wind screen

2.3 風屏障高度的影響

為了考查風屏障高度的影響，測試了兩種高度風屏障對軌道上方風壓分布的影響。圖6給出了兩種高度的單側風屏障下軌道中心的風壓系數剖面（h=1.72m 和h=2.05m），圖中表明，剪切層的高度隨著風屏障高度的增加而增加，風壓系數剖面的變化規律相似。在實際中，車輛高度一般在3.5～4.0m 之間，以CRH2為例，其軌道平面以上高度為3.7m，縮尺后為0.247m。風屏障高度為2.05m 時，在車頂高度范圍內，迎風側軌道中心完全受到負壓的作用，即受到迎風向的力；當風屏障高度為1.72m 時，車頂部分受到正壓，且風壓系數比風屏障高度為2.05m時小。在背風側軌道中心的車頂高度以下則完全處于防風區域內，且風壓系數剖面的變化規律差異較小。所以，若以風壓系數作為評價指標時，1.72m 風屏障的防風效果比2.05m 高度風屏障好。

圖6 風屏障高度的影響Fig.6 Effects of height of wind screens

2.4 線路構造形式的影響

為了考查線路構造形式對軌道上方風壓分布的影響，測試了32m 跨度橋梁（見圖1）、高路堤（見圖2）、平地路基（見圖3）3種典型線路構造形式軌道上方的風壓分布。圖7給出了3種線路類型上設置兩側2.05m 高的風屏障時，軌道中心的風壓系數剖面的對比圖。圖中表明，橋梁軌道上方的風壓分布與平地路基基本相似，但平地路基軌道上方的風壓系數比橋梁小，高路堤上的風壓系數剖面的變化規律與其它兩種類型線路構造形式差異較大，由于氣流經過高路堤時，氣流的“爬坡效應”相當于改變來流的風迎角，使得高路堤的剪切層梯度小于平地路基和橋梁。高路堤上風屏障的防風區域高度比其它兩種線路構造形式高，減小了接觸網位置的風壓系數，并對接觸網有一定的防風作用。

圖7 有風屏障時線路構造形式的影響Fig.7 Effects of line structure with wind screens

圖8 無風屏障時線路構造形式的影響Fig.8 Effects of line structure without wind screens

從能量的角度對比無風屏障時3種線路構造形式軌道中心的風壓系數剖面（見圖8）可以看出，不同線路構造形式上的防風效果差異較大，無風屏障時，線路構造形式對于軌道上方風壓分布的影響也非常顯著。設置相同高度的風屏障后，高路堤上能量耗散最多（風壓系數最小），橋上能量耗散最少。所以，線路構造形式對軌道上方的湍流影響很大，對能量耗散的影響也大。另外，列車經過路橋過渡段時的風載突變效應對列車的安全性非常不利，應引起重視。

為考查線路構造形式對不同軌道位置風壓分布的影響，對比圖5～8中迎風側與背風側軌道中心的風壓分布可以看出，3種線路構造情況下，迎風側軌道中心剪切層的高度和梯度均小于背風側，這是由于氣流繞流后，在軌道上方形成的剪切層的運動軌跡為一拋物線狀，而軌道上方正好處于剪切層的上升階段。

3 結 論

針對3種典型線路形式，通過風洞試驗研究了風屏障對軌道上方風壓分布的影響，得出如下結論：

（1）CFD 結果和風洞試驗結果吻合較好，這表明測試方法是可行的；

（2）迎風側風屏障的存在減少了風壓值，增加軌道上方的能量耗散，背風側風屏障增加了防風區域的負壓，減少了防風區域的能量耗散；

（3）剪切層高度隨著風屏障高度的增加而增加，對比車頂高度以下的風壓系數剖面，橋上1.72m 高度風屏障比2.05m 高度風屏障的防風效果好；

（4）風屏障高度相同時，不同線路構造形式上的能量耗散差異較大，其中高路堤上的能量耗散最大，橋上的能量耗散最小；氣流經過高路堤時的“爬坡效應”顯著，且剪切層的高度較其它兩種線路構造大，梯度比其它兩種線路構造形式小，高路堤上的風屏障對接觸網也有一定的防風作用。

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