風屏障透風率對車-橋系統氣動特性影響的風洞試驗研究

何　瑋, 郭向榮, 鄒云峰, 何旭輝

(1 中南大學 土木工程學院，長沙　410075；2 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，長沙　410075)

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風屏障透風率對車-橋系統氣動特性影響的風洞試驗研究

何瑋1,2, 郭向榮1,2, 鄒云峰1,2, 何旭輝1,2

(1 中南大學 土木工程學院，長沙410075；2 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，長沙410075)

橋面相對于地面高度較大使得橋面處風速較大，且列車與橋梁間氣動干擾往往會增加列車受到的風荷載，進一步增加橋上行車的安全風險。目前提高行車安全的措施主要包括:優化車輛斷面形狀，通過強風監測系統控制列車運行速度以及設置風屏障[1]。其中，優化車輛斷面形狀無法適用于已有車輛，列車的限速或停運則會影響運營效率，而設置風屏障可保證列車的全天候運行，相比前兩種措施更高效可行。因此，研究風屏障的行車防風性能非常必要。

國內外學者經過對風屏障防風性的廣泛研究后證明：風屏障由于能給列車提供一個相對較低風速的風環境，可以有效提高行車安全性[2-5]。葛盛昌等[6]通過現場實測驗證了設置風屏障時列車在11級以上大風條件下的運行安全性；姜翠香等[7]通過數值模擬研究得出風屏障設置位置對車輛氣動性能的影響較大；向活躍等[8-9]通過風洞試驗和數值模擬兩種方法研究得出風屏障高度及透風率對軌道上方的流場分布及車輛風荷載有較大影響；種本勝二等[10-11]研究表明，高度為3 m的風屏障防風效果較好。由于橋梁主梁高度大多在3 m左右，顯然，橋上設置3 m高度的風屏障會大大增加橋梁所受風荷載。以往由于鐵路橋梁跨度不大，且大多是剛度很大的簡支梁橋，對風荷載不敏感，但隨著鐵路橋梁跨度增加，例如滬通大橋、蕪湖長江二橋等最大跨度均已超過500 m，大跨度鐵路橋梁對風荷載愈加敏感，因此必須要綜合考慮風屏障對列車及橋梁氣動特性的影響。本文基于某流線型鋼箱主梁斜拉橋和軌道客運A型車，采用風洞試驗的方法研究了風屏障透風率對車-橋系統氣動特性的影響。

1風洞試驗研究

列車和橋梁的風荷載受車體外形、主梁外形(包括風屏障)及列車行車線位置等諸多因素影響。對于橋梁主梁這種鈍體斷面的繞流，其流線的分離點不隨流速的變化而移動，只要模型雷諾數與原形雷諾數相差在三個數量級之內，認為流場還是相似的，雷諾數效應可以忽略不計[13]。雖然列車斷面周邊圓滑，但在橫風作用下，位于橋上的列車處于風屏障后分離流之中，分離流中的脈動成分會弱化圓滑表面附面層的粘性作用，從而減小雷諾數對列車定常氣動力的影響。此外，列車和橋梁相距較近，且在風屏障的影響下，車體基本位于橋體的繞流之內，因此可將列車和主梁看作一個系統，雷諾數對該系統斷面的整體定常氣動力影響較小，從而可采用類似橋梁節段模型風洞試驗的方法測試車-橋系統的氣動特性。

1.1試驗裝置

節段模型測力試驗在中南大學高速鐵路風洞實驗室的高速試驗段進行，高速試驗段長15.0 m、寬3.0 m、高3.0 m，試驗風速在0~94 m/s范圍內連續可調(本試驗風速為10 m/s)，風場湍流度小于0.3%。

圖1　車-橋系統氣動力測試裝置示意圖 Fig.1 Sketch of aerodynamic force measuring device of train-bridge system

為同步測試不同工況下列車和橋梁各自的氣動力，本試驗開發的測力試驗裝置如圖1和圖2所示，列車和橋梁模型別分固定在可轉動圓盤上以實現氣動力分離；在列車和橋梁模型兩端分別裝有動態測力天平(共安裝4個天平)以采集列車和橋梁的氣動力；通過調整列車在滑桿上的位置以及滑桿在弧形滑槽上的位置，可實現列車與橋梁之間的位置變化；通過轉動圓盤，車-橋系統可繞圓盤中心做同軸轉動，實現風攻角的調節；測力裝置由固定在風洞地板上的豎向支撐系統支撐。使用的動態測力天平為日本NITTA公司生產的IFS型六分量動態天平，測力分辨率為0.02 N。采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針采集尾流處三維風速及靜態壓力數據，采集點位于模型下游1.5 m處，高度與主梁頂面高度一致(距離地面約為1.0 m)。

圖2　車-橋系統氣動力測試裝置照片Fig.2 Photograph of aerodynamic force measuring device of train-bridge system

1.2試驗模型

圖3　試驗模型照片Fig.3 Photograph of test model

試驗模型包括列車模型、橋梁主梁模型及風屏障模型，模型縮尺比為1/40，模型照片見圖3所示。列車與橋梁模型長度均為2 m，為減少端部繞流的影響，在模型兩端加裝端板。列車模型采用軌道客運A型車，列車模型高度為110 mm、寬度為89 mm。列車模型為鋼骨架塑料材質模型。橋梁主梁模型采用流線型鋼箱梁外形，橋面加裝兩條寬度為70 mm、厚度為3 mm軌道板。橋梁模型為鋼骨架木質模型。在車道兩側設置10%、20%、30%、40%透風率的風屏障，風屏障距主梁斷面中心處距離為184 mm。根據以往研究成果可知，風屏障的高度、孔洞尺寸、開孔方式等都會影響風屏障的防風效果。因此，為保證試驗的相似性、排除其他因素對試驗結果的影響，4種不同透風率風屏障模型的高度統一為75 mm、開孔方式統一采用8×8 mm矩形孔洞且孔洞在風屏障上均勻分布，風屏障模型為5 mm厚塑料材質模型，不易變形。

1.3試驗分組及數據處理

試驗共分為8組，每組在0°、±3°風攻角下進行吹風測試，其中1~4組為迎風工況、5~8組為背風工況，試驗流場為均勻流場，考慮U∞=10、15 m/s兩種不同試驗風速進行相互校核，試驗組介紹見表1。由于采樣點風速和靜壓隨時間的分布具有隨機性，在流動持續一段時間后，認為隨機過程的隨機特征不隨時間變化，即過程是穩定的[14]。因此，各組試驗均在風速達到穩定值并穩定5秒后開始采樣，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時間20 s。

表1　試驗分組

動態測力天平采集的數據經過處理得到列車和橋梁的氣動三分力系數。風軸坐標系下的阻力系數、升力系數和扭矩系數計算公式[14]分別為：

風軸：

(1)

(2)

(3)

式中：U∞為試驗參考風速；空氣密度ρ=1.225 kg/m3；L為測力節段模型長度；阻力系數以模型高度H為參考長度；升力系數、繞形心的扭矩系數均以模型全寬B為參考長度。

通過三維風速測量儀采集的三維風速以及靜態壓力數據是按時域分布的，為在頻域中對合成振動的簡諧振動特征進行辨析，有必要進行相關的時頻轉換。本文采用功率譜密度的統計方法，對采樣數據進行分析，得出車-橋系統尾跡區渦脫頻率并進一步計算出斯特羅哈數。柱體旋渦的脫落與物面形狀及流體粘性有關，在描述旋渦脫落時通常采用無量綱斯特羅哈數描述[15]：

(4)

式中：fv為旋渦脫落頻率；D為結構橫風向特征尺寸；U為來流風速。

2試驗結果分析

2.1氣動力系數

通過4個動態測力天平采集的數據經過整理得出側風下列車及橋梁所受氣動荷載，由于體軸與風軸坐標系下的氣動力系數可以相互換算，因此本文僅給出風軸坐標系下各組試驗的氣動力系數。

圖4　迎風工況氣動力系數(0°風攻角)Fig.4 Aerodynamic force coefficients with windward condition (wind attack angle: 0°)

風攻角為0°情況下風屏障透風率由10%增大至40%，橋梁與列車氣動力系數的變化趨勢見圖4、5所示。從阻力系數上看，隨風屏障透風率增大，列車阻力系數增大而橋梁阻力系數減小，原因在于小透風率風屏障承受了較多側向風荷載。從升力系數上看，隨風屏障透風率增大，橋梁和列車升力系數的絕對值均增大，原因在于透風率越大，行車線上方區域負壓的絕對值越小。從圖4(a)和圖5(a)可以看出，列車與橋梁阻力系數變化趨勢相反，這表明小透風率風屏障雖然可以保證側風下的行車安全，但給橋梁帶來了較大的側向力，因此圖中給出了列車與橋梁作為一個整體系統時的氣動力系數。由圖4、5所示，當風屏障透風率為10%時，車-橋系統的阻力系數和升力系數均較小，這表明風屏障透風率越小，車-橋系統在側風下受到的氣動力越小。

圖5　背風工況氣動力系數(0°風攻角)Fig.5 Aerodynamic force coefficients with leeward condition (wind attack angle: 0°)

列車位置風攻角/(°)10%透風率20%透風率30%透風率40%透風率-30.5290.5720.6180.671迎風側00.5940.6570.7060.772+30.6550.6930.7700.823-30.4970.5270.5570.589背風側00.5500.5770.6010.661+30.5820.6260.6350.691

表3　車-橋系統升力系數

為進一步研究列車位置和風攻角的變化對試驗結果的影響，表2、3分別給出了迎風與背風工況下風攻角為-3°、0°、+3°時車-橋系統的阻力和升力系數。當風屏障透風率由10%增大至40%時，迎風與背風工況下車-橋系統各風攻角氣動力系數的絕對值均呈現增大趨勢。綜合考慮列車位置和風攻角等影響因素，風屏障透風率為10%時，列車及車-橋系統在側風下受到的氣動力均較小，有利于行車安全。

2.2渦脫頻率和斯特羅哈數

本文采用功率譜密度的統計方法，得出迎風和背風工況下，風攻角分別為-3°、0°、+3°時，車-橋系統尾流區渦運動頻率標準化功率譜。由圖5所示，標準化功率譜中的峰值處對應的頻率即為渦脫頻率，迎風工況下各組數據峰值分布較為分散，而背風工況下的峰值分布較為集中，各組峰值對應的頻率基本在12 Hz左右。

圖6　車-橋系統尾流區渦運動頻率標準化功率譜(0°風攻角)Fig.6 Normalized PSD of vortex flow frequency of wake region (wind attack angle: 0°)

列車位置風攻角/(°)10%透風率20%透風率30%透風率40%透風率-3°0.2490.2370.2090.195迎風側0°0.2580.2440.2310.220+3°0.2500.2340.2230.210-3°0.2490.2430.2470.236背風側0°0.2640.2640.2620.249+3°0.2690.2760.2720.252

由圖6所示的渦脫頻率和對應的來流風速均值，根據式(4)計算出各試驗組的斯特羅哈數見表4。從表4可以看出，風屏障的透風率和列車的位置都會影響車-橋系統的斯特羅哈數，原因在于斯特羅哈數決定于物體幾何形狀和雷諾數，而風屏障透風率的變化和列車位置的改變都會對車-橋系統的幾何外形產生影響。從計算結果上看，車-橋系統的斯特羅哈數隨風屏障透風率增大而減小；當列車處于迎風位置時，風屏障的透風率對車-橋系統斯特羅哈數的影響較為明顯。

3結論

本文以某流線型鋼箱主梁斜拉橋和軌道客運A型車為背景，通過風洞試驗研究了風屏障透風率對車-橋系統在不同風攻角的側風環境中氣動性能的影響，得出如下結論：

(1) 橋梁阻力系數隨風屏障透風率的增大而減小，而列車阻力系數隨風屏障透風率的增大而增大；隨風屏障透風率增大，橋梁和列車升力系數的絕對值均增大。

(2) 與迎風工況比較，背風工況下橋梁承受了更多的側風荷載。從氣動力系數隨風屏障透風率的變化趨勢上看，背風工況與迎風工況基本保持一致。綜合考慮列車位置和風攻角等影響因素，風屏障透風率為10%時，列車及車-橋系統在側風下受到的氣動力均較小，有利于行車安全。

(3) 當雷諾數相同時，風屏障的透風率和列車的位置都會影響車-橋系統的斯特羅哈數。車-橋系統的斯特羅哈數隨風屏障透風率增大而減小；當列車處于迎風位置時，風屏障的透風率對車-橋系統斯特羅哈數的影響較為明顯。

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第一作者 何瑋 男，博士生，1987年9月生

摘要：以某流線型鋼箱主梁斜拉橋和軌道客運A型車為背景，通過風洞試驗研究了風屏障透風率對車-橋系統氣動性能的影響。分析試驗數據得知：車-橋系統的斯特羅哈數隨風屏障透風率增大而減小；當列車處于迎風位置時，風屏障的透風率對車-橋系統斯特羅哈數的影響較為明顯；橋梁阻力系數隨風屏障透風率的增大而減小，而列車阻力系數隨風屏障透風率的增大而增大；隨風屏障透風率增大，橋梁和列車升力系數的絕對值均增大；綜合考慮列車位置和風攻角等影響因素，風屏障透風率為10%時，列車及車-橋系統在側風下受到的氣動力均較小，有利于行車安全。

關鍵詞：風洞試驗；車-橋系統；風屏障；氣動特性

Wind tunnel test on the effect of wind barrier porosity on train-bridge system

HEWei1,2,GUOXiang-rong1,2,ZOUYun-feng1,2,HEXu-hui1,2(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:With the background of a streamlined steel box girder cable-stayed bridge and a type of passenger trains, the effect of wind barrier porosity on the aerodynamic characteristics of train-bridge system was analysed by wind tunnel test. According to the theoretical and experimental analysis data, the Strouhal number of the train-bridge system deceases with the increase of wind barrier porosity. With the train located windward, the porosity of wind barrier affects the Strouhal number of train-bridge system obviously. With increasing porosity of wind barrier, the drag coefficient of bridge deceases, while the drag coefficient of train increases. The absolute values of lift coefficients of bridge and train both increase with increasing porosity of wind barrier. Taking into consideration the wind attack angle and the position of train, when the porosity of wind barrier is 10%, the aerodynamic forces on the train and the train-bridge system are both small, which is suitable for the operational safety of train and wind resistance of bridge structures.

Key words:wind tunnel test; train-bridge system; wind barrier; aerodynamic characteristic

中圖分類號:V211.74

文獻標志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.016

通信作者鄒云峰 男，博士，講師，1984年10月生

收稿日期：2014-11-19修改稿收到日期：2015-05-20

基金項目：國家自然科學基金面上資助項目(51178471)；國家優秀青年科學基金資助項目(51322808)； 教育部新世紀優秀人才支持計劃(NCET-12-0550)；中國博士后科學基金資助項目(2014M562133)；長江學者和創新團隊發展計劃資助項目(IRT1296)