車橋組合狀態(tài)下CRH2客車橫風氣動特性研究

李永樂，向活躍，侯光陽，陳克堅

（1.西南交通大學 橋梁工程系，四川 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限公司，四川 成都 610031）

0 引 言

隨著我國第六次鐵路大提速和高速鐵路的大規(guī)模建設，我國自主研制的CRH系列列車廣泛投入使用。CRH2采用了大型中空鋁合金型材料或不銹鋼薄筒型輕量化結構，使得動車組車體重量比傳統(tǒng)機車車輛減輕了50%［1］；為了提高列車安全性和改善列車的空氣動力學性能，在車下設置了設備倉，設備倉外側設有裙板［2］，這加大了側向迎風面積，加之運行速度高，強橫風對行車安全危害很大。

列車通過大跨度橋梁時，其繞流流場改變更為突出，氣動力顯著變化，導致列車脫軌、翻車的可能性大大增加［3］。在風－車－橋系統(tǒng)中，車橋耦合振動分析時通常將車輛和橋梁作為兩個動力子系統(tǒng)進行求解［4－5］，橋道和車輛的風荷載受車輛外形、橋道外形及車輛與橋道相對位置等多種因素的相互影響，為正確反映兩子系統(tǒng)各自的振動特性，在考慮橫向風作用時，需得到車輛和橋梁各自的三分力系數，并考慮車橋間的相互氣動作用。CRH2采用圓順型斷面，增加了底部裙板，截面形式新穎，其橫向風作用下的氣動特性缺乏研究，車橋組合狀態(tài)下CRH2客車的橫風氣動參數未見報道。

對于線狀的橋道，可忽略風沿結構展向的流動，采用節(jié)段模型來確定單位長度橋道所受風荷載。一列火車通常由多節(jié)車廂組成，亦可近似看作線狀結構，故也可以通過車－橋組合節(jié)段模型風洞試驗的方法測試車輛的風荷載［6］，利用列車氣動力系數余弦規(guī)則［6－7］，近似考慮車輛運動速度的影響。

以典型的大跨度橋梁主梁斷面和中小跨度橋梁主梁斷面為例，通過車輛與橋梁組合節(jié)段模型風洞試驗，測試了單車行駛以及雙車交會時背風側車、迎風側車和橋梁等各自的氣動力系數。分析了單獨車輛情況下的CRH2的氣動三分力系數，討論了雷諾數、車橋組合狀態(tài)、橋梁類型對車輛氣動力系數的影響。

1 模型試驗

中小跨度橋梁選取跨度為32m的T型標準梁，梁高為3.38m，寬度為11.19m，其主梁截面如圖1所示；大跨度鐵路橋梁（特別是斜拉橋）通常采用板桁結構，有代表性地選取大跨度橋梁主梁斷面如圖2所示，板桁主梁高14.0m，寬18.0m，軌道中心距為4.4m。CRH2列車橫斷面如圖1和圖2所示，迎風面高3.5m，寬3.38m，與一般列車相比，在列車下部增加了裙板，增大了橫向風作用下的迎風面積。

圖1 中小跨度主梁斷面（單位：mm）Fig.1 Cross section of small and medium span bridge

圖2 大跨度橋梁主梁斷面（單位：mm）Fig.2 Girder cross section of large span bridge

車－橋系統(tǒng)的節(jié)段風洞試驗模型采用1／45.77的縮尺比，中小跨度橋梁節(jié)段模型長為2.1m，寬0.2466m，高0.0837m；大跨度橋梁主梁節(jié)段模型長2.1m，寬0.4151m，高0.336m；列車采用CRH2斷面，列車節(jié)段模型長2.1m，寬0.0738m，高0.0765m。模型中除模擬了主梁的主要構件之外，對節(jié)點板、鋼軌、欄桿等細節(jié)也做了模擬。試驗在西南交通大學單回流串聯雙試驗段工業(yè)風洞（XNJD－1）第二試驗段中進行。

交叉滑槽系統(tǒng)（如圖3所示）能方便地改變車輛和橋道沿橫橋向的相對位置，能適應多線鐵路中車輛位于不同軌道情況的測試。當需要改變車輛和橋道沿橫橋向的相對位置時，將固定桿與端板的連接鎖定，以保證車輛和橋道豎向相對位置不變，將固定桿與條形板的連接放松，即可實現車輛或橋道的橫橋移動，移動完成后再將固定桿與條形板的連接鎖定［8］。在試驗中采用交叉滑槽系統(tǒng)測試測試了車輛分別位于大跨度橋梁和中小跨度橋梁兩種情況下背風側車和迎風側車的三分力系數，試驗工況如表1所示。

圖3 交叉滑槽示意圖Fig.3 Layout of cross slot system

表1 試驗工況Table 1 Test cases

2 數據處理

體軸坐標系下靜力三分力系數定義如下［9］：

其中：α為來流風攻角；1／2ρU2為動壓；H、B、L分別為節(jié)段模型的高度、寬度和長度；FH（α）、FV（α）、M（α）為風攻角為α時的阻力、升力和扭矩；CH、CV、CM分別為阻力系數、升力系數、扭矩系數。為保證車橋系統(tǒng)整體合力不變，將車橋整體三分力系數與相應工況下橋梁三分力系數相減后，再換算至車輛截面形心，得到考慮橋梁影響的車輛三分力系數。

3 試驗結果及分析

3.1 單獨車輛情況下CRH2的三分力系數

圖4為給出了不考慮橋梁影響時車輛的三分力系數，從圖中可以看出，阻力系數受攻角的影響較小，升力系數負斜率，且升力系數和扭矩系數相對較小，車輛所受氣動力主要是通過氣動阻力反映。不考慮橋梁影響時，與常規(guī)鐵路車輛［7］相比CRH2客車的氣動阻力系數較大。

圖4 不考慮橋道影響的車輛三分力系數Fig.4 Three－component coefficients of vehicle without bridge deck

3.2 雷諾數的影響

為了考查雷諾數效應的影響，表2給出了在三種級差風速下，車輛位于大跨度橋梁迎風側時的阻力系數。由表2可見，在測試雷諾數范圍內，阻力系數總體上存在隨著風速的增大（雷諾數增大）而減小的趨勢，這表明雷諾數對系統(tǒng)的氣動性能有一定影響。盡管車輛截面較為圓順，但車橋組合斷面較為鈍化，橋道較為紊亂的繞流可減弱了車輛的雷諾數效應［6］，另外，取低雷諾數時的阻力系數進行風車橋耦合振動分析時是偏于安全的，因此，可不計雷諾數的影響。考慮到低風速時模型上的風荷載相對較小、測試誤差略大，而高風速時節(jié)段模型存在一定程度的抖動，故取中間風速（18m／s）下測試得到的三分力系數作為相應工況的實測值。

表2 大跨度橋單車行駛時迎風側車輛阻力系數Table 2 Drag coefficient of vehicle along windward rail on large span bridge

3.3 車－橋間的相互氣動影響

為了考查車－橋間的相互影響，表3給出了車輛位于大跨度橋梁時的三分力系數。從表3可見，風攻角對迎風側車輛的氣動阻力影響較小，但背風側車輛氣動阻力隨著攻角的增大而減小。單車行駛時大跨度橋梁對車輛的阻力有較大影響，迎風側和背風側車輛所受的阻力均較單獨車輛小，背風側相比迎風側車的變化更為顯著。這是由于車輛處于橋道的繞流之中，一方面是橋梁的繞流改善了車輛的雷諾數效應；另一方面是軌道距大跨度橋梁的前緣較遠，車輛處于前緣繞流形成的低速區(qū)，桁梁的腹桿也有一定的擋風作用。雙車交會時，迎風側車輛相對于單車沿迎風側軌道行駛時氣動力有略有變化，表明雙車交會時，背風側列車對迎風側列車有一定的影響，但影響有限。雙車交會時，背風側列車相對于單車行駛時的氣動力發(fā)生了突變，這主要由迎風側列車的遮風效應引起。列車的存在改變了橋梁的氣動繞流，但列車對橋梁氣動力的影響有限。

表3 車輛位于大跨度橋梁時的阻力系數Table 3 Drag coefficient of vehicle on large span bridge

3.4 不同類型橋梁的影響

為了考查橋梁類型對車輛的影響，表4給出了迎風側列車位于不同類型橋梁時的阻力系數，由于在背風側列車在不同橋梁類型上所受的氣動力變化較小，未在表中列出。從表中可以看出，列車位于不同橋梁類型時，風攻角對迎風側列車的氣動阻力影響較小；迎風側列車在不同橋梁類型上行駛時的氣動阻力會發(fā)生顯著的變化，這是主要原因是列車進入了不同的繞流形式以及軌道距主梁迎風側邊緣的距離發(fā)生了變化。

若一座大橋由大跨度橋梁（主橋）和中小跨度橋梁（引橋）組成，強橫向風作用下，列車從主橋進入引橋或者從引橋進入主橋時，列車所受的氣動力會發(fā)生了顯著變化，這對列車的舒適性和安全性非常不利。

表4 迎風側車輛阻力系數Table 4 Drag coefficient of vehicle in windward side

4 結 論

采用交叉滑槽系統(tǒng)，測試了CRH2車輛分別位于典型大跨度橋梁和中小跨度橋梁兩種情況下車輛和橋梁各自的氣動力系數。通過對比分析大量測試結果，可得出以下結論：

（1）不考慮橋梁影響時，列車的氣動阻力偏大，風攻角對其影響較小；升力系數出現負斜率，CRH2客車的阻力系數較常規(guī)車輛的要大。

（2）橫向風作用下，雷諾數效應對車－橋組合狀態(tài)中CRH2客車的氣動特性有一定的影響，偏安全的考慮時可不計其作用。

（3）在車－橋組合狀態(tài)下，風攻角對迎風側車輛阻力的影響較小，背風側列車阻力隨著風攻角的增大而減小；單車行駛時，車輛位于背風側時所受的氣動力較位于迎風側時的要小；雙車交會時，背風側列車的氣動阻力顯著變小，背風側車輛氣動力突變效應對行車安全性的影響值得進一步研究；列車對橋梁的氣動力影響相對有限。

（4）橫向風作用下，CRH2列車位于不同橋梁類型時，其阻力系數差異較大。橋梁類型對迎風側車輛氣動力的影響較背風側時的要大。橫向風作用下，列車從大跨度主橋進入中小跨度引橋或者從引橋進入主橋時，列車所受的氣動力會發(fā)生顯著變化，這對行車安全性是不利的。

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