大風區橋梁擋風屏抗風性能研究

權曉亮

（四川都汶公路有限責任公司，成都　610041）

大風區橋梁擋風屏抗風性能研究

權曉亮

（四川都汶公路有限責任公司，成都610041）

【摘要】我國大風區分布廣泛，自然條件惡劣，列車脫軌、傾覆事故頻發。本文采用CFD數值計算的方法，計算結果與風洞模型試驗結果進行對比，從而對橋梁擋風屏的氣動參數進行分析研究。

【關鍵詞】CFD數值計算；風洞模型試驗；擋風屏；氣動力參數

0　前言

我國的大風多發區主要有三個：青藏高原的大部分地區、新疆西北部以及內蒙古中北部地區、東南沿海地區及其附近的島嶼，此區域的特點為自然條件惡劣、大風持續時間長、人煙稀少，鐵路風災嚴重。根據既有新疆鐵路資料，自開通運營以來，鐵路運輸因風災造成事故頻發，發生了至少32起列車脫軌、傾覆事故，造成了貨車約100節，客場10節［12］損毀；而造成的列車停運次數更是無法統計，已經嚴重影響了鐵路運營安全與正常運營［3］，也造成了不良的社會影響。

根據日本新干線的建設經驗［4］，在橋梁或者路基上設置合適的擋風屏，在同樣風速下運行，列車運行速度得到提高，并且停運次數得到明顯改善，風對列車的不利影響也能顯著降低。本文通過建立數值模型，選擇合理的擋風屏結構型式，模擬列車在擋風屏作用下，列車氣動參數的變化。

1　擋風屏的形式與研究方法

通過綜合分析已有鐵路防風結構的優缺點，滿足擋風效果明顯、結構合理、堅固耐久、美觀協調條件，提出與梁體連接的板式橋梁擋風結構方案。

目前，橋梁擋風結構研究方法有［5］：風洞模型試驗和數值模擬。

風洞試驗能夠準確控制試驗條件、受外界氣候條件和時間的影響較小、風洞模型試驗比較安全可靠，而且試驗效率高且成本低等優點。其自身的不足主要有邊界效應或者邊界干擾、支架干擾、相似準則不滿足等。

CFD數值模擬可以重復計算，具有成本低、周期短、精度相對高等特點，計算參數可以采用試算法估計，逐漸提高精度，減少了模型試驗的盲目性，反過來可以輔助指導試驗。

2　列車氣動力的二維CFD計算

計算采用了兩種類型的擋風結構：半封閉和全封閉模型，半封閉擋風屏高度為4米，兩個模型透風率均取20%，在箱型橋梁下，計算列車的氣動力。

在劃分單元網格時，接近車橋的網格為非結構化網格，其他區域結構化網格，網格總數約為30萬。流體進口設置為速度邊界條件；流體出口設置為壓力邊界條件；上下設滑移壁面條件。湍流強度取0.5%［6］。

計算結果表明：對于半封閉結構，在無擋風屏時，上側車的側力系數為0.94，升力系數為0.66，力矩系數為0.31；有擋風屏上側車時，車的側力系數為0.25，升力系數為0.04，力矩系數為0.20；有擋風屏下側車時，車的側力系數為0.08，升力系數為-0.01，力矩系數為0.06；

對于全封閉結構，在無擋風屏時，上側車的側力系數為0.98，升力系數為0.64，力矩系數為0.30；有擋風屏上側車時，車的側力系數為0.21，升力系數為0.02，力矩系數為0.08；有擋風屏下側車時，車的側力系數為0.04，升力系數為0.01，力矩系數為0.02；

由此可得：

1）設置了半封閉和全封閉擋風屏后，列車的三分力系數均大幅降低，擋風屏的效果比較好。

2）半封閉擋風屏相對于無擋風屏，上側列車的側力系數從0.94降低到0.25，降低了三倍，側翻力矩系數從0.31降低到0.2，也相應的降低了50%；全封閉擋風屏相對于無擋風屏，下側列車側力系數從0.98降低到0.21，降低了了4倍，側翻力矩系數從0.30降低到0.08，降低了3倍之多，封閉擋風屏在強風條件下，作用顯著。

3）由于大風區風向的不固定性，雙側封閉擋風屏更為有利，全封閉擋風屏擋風效果好于半封閉擋風屏，但其工程造價要高些。

3　列車三分力系數數值計算與風洞試驗的對比

半封閉擋風屏，擋風屏高4米，透風率為20%，內側有車情況下，數值計算側力系數為0.253，升力系數為0.036，側翻力矩系數為0.201；節段模型試驗側力系數為0.226，升力系數為0.050，側翻力矩系數為0.228；由此可得，二維數值模擬與1：30縮尺比例的模型試驗結果相差不大，側力系數誤差為4%，側翻力矩系數誤差為3%，數值計算結果可信。

4　結論

1）采用典型截面進行二維簡化數值模擬，有效的節約了計算成本。

2）設置與梁體連接的板式擋風結構，結構合理，計算出的列車三分力系數得到明顯降低，擋風效果顯著。

3）通過數值模擬表面，橋梁上設置透風率20%的封閉擋風屏結構，列車運行時的側力和側翻力矩都降低到最優。從而能夠減少列車側翻、停運等事故，確保風區列車行車安全。

4）列車的氣動性能深入研究還需結合實車試驗以及風-車-橋耦合振動加以綜合分析研究。

【參考文獻】

［1］李永樂.蘭新鐵路第二雙線風災統計與分析［J］.西南交通大學橋梁工程系，2010.

［2］鄭繼平.南疆線橋梁擋風墻結構性能研究［D］.西南交通大學碩士學位論文.2008.

［3］黃泰鑫.沿海鐵路橋梁擋風墻抗風作用研究［D］.中南大學碩士學位論文.2010.

［4］日比野有.風對車輛安全性的影響（譯）［J］.鐵道總研報告.2008.

［5］陳政清.橋梁風工程［M］.人民交通出版社.2005.

［6］唐煜.橋梁擋風屏對強側風條件下列車運營安全性的影響［D］.西南交通大學碩士學位論文.2010.

［7］江帆，黃鵬.FLUENT高級應用與實例分析［M］.清華大學出版社.2008.

［8］韓占忠，王敬等.FLUENT流體工程仿真計算實例與分析［M］.北京理工大學出版社.2009.

【作者簡介】

權曉亮（1986-），男，陜西扶風人，助理工程師，碩士研究生。專業：橋梁與隧道工程。研究方向：橋梁抗風。