公鐵雙層橋梁風屏障的氣動效應分析與結構選型

蘇 洋，陳 寧，李 松

(1.中交第二公路工程局有限公司技術中心，陜西西安 710065；2.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；3.中交公路長大橋建設國家工程研究中心有限公司，北京 100032；4.湖南科技大學土木工程學院，湖南湘潭 411201)

為了增強汽車和列車在側風作用下的行車安全性，在某些強風場地區的橋梁上設置風屏障，抑制和降低橋面的等效風速，從側向風產生的源頭入手解決車輛側向風安全問題，這是目前防風措施中最有效的方法之一[1]。影響風屏障防風性能的主要因素有透風率、高度、開孔形式等，透風率較小時，其擋風效率較高，但是增加了橋梁結構的氣動阻力，甚至降低了橋梁的氣動穩定性。因此，在選擇橋梁適用的風屏障時，一定要結合不同型式橋梁的具體特點，選擇適宜的風屏障參數，以獲得良好的減風效果，同時保證橋梁氣動力的增幅和氣動穩定性的下降在可接受范圍內。

根據已有研究可將風屏障防風效果評價指標分為2類:風荷載指標(車輛的傾覆力矩、軌道上方或橋面的風速折減率等)和車輛響應指標(傾覆系數、脫軌系數、輪重減載率、加速度響應以及按靜態解析法得到的臨界風速等)[2]。

根據風屏障評價指標又可將風屏障防風效果的評價，大體分為以下3種方法:①基于風速評價[3-5]；②基于車輛氣動力評價[2，6-7]；③基于強風作用下車輛動力學仿真分析(風-車-橋耦合振動分析)進行評價[8-9]。

目前，針對公鐵雙層橋梁風屏障的優化研究相對較少，西南交通大學鄭史雄教授針對公鐵兩用桁架橋做了一系列風洞試驗[10-11]，但是并未涉及到風屏障方面的內容。分別從3個方面進行風屏障防風效果評價，進而討論3種方法間的一致性與互補性的研究更為少見。本文以某公鐵兩用雙層橋梁為背景，通過大比例尺風洞試驗，從橋面局部風場、車輛氣動力以及車輛動力響應3個角度分析并比選了公路及鐵路風屏障的最優方案，可為該類橋梁風屏障的優化設計提供一定的參考。

1 工程背景

1.1 橋梁概況

某公鐵兩用跨海大橋全長1 092 m，跨徑為(84+196+532+196+84)m，上層為6車道公路，寬36.8 m；下層為雙線鐵路，寬16.3 m。主梁采用鋼桁梁，主桁高15 m。橋梁總體布置見圖1。

1.2 節段模型設計

放置在風洞中的公鐵雙層橋梁模型見圖2，模型縮尺比例為1/20。列車采用CRH2模型，汽車采用大貨車模型，安裝在風洞中的車輛模型見圖3。2種開孔形式的風屏障模型根據透風率等效的原則進行設計，見圖4。公路及鐵路橋面風屏障設計參數詳見表1。

1.3 試驗測試方法

為確定車輛氣動力，采用5 kg的小型動態天平[2]進行測試。研究重點考查車輛位于不同車道情況下，車輛氣動力的變化規律，明確設置不同風屏障對車輛氣動力的影響情況。

關于橋面局部風場的測試，采用眼鏡蛇脈動風速測試儀進行測試。研究中，通過調節眼鏡蛇探頭的水平以及豎向位置測試節段模型中公路橋面和鐵路橋面不同位置上方的風速分布，得到橋面局部風場結構。公路橋面上方及鐵路軌道上方的測點布置見圖5。

圖1 某跨海大橋總體布置(單位:cm)

圖2 公鐵雙層橋梁模型

圖3 列車和大貨車縮尺模型

圖4 圓孔形及縱條形風屏障模型

表1 風屏障設計參數

圖5 測點布置

2 鐵路橋面風屏障優化選型

2.1 基于橋面局部風場

橋面設置風屏障后，其后方流場流態的變化較為明顯，明確軌道上方風壓分布特性是進行車輛氣動荷載分析的前提[5]。

在無風屏障(T0)和設置不同風屏障(T1，T22種方案)時，系統測試了鐵路橋面不同水平位置(軌道迎風側、背風側)以及不同豎向位置(豎向測點見圖5(a))的風場特性。所有工況均在均勻流中進行，來流風速為10 m/s。

2.1.1 軌道上方風速剖面

不同風屏障情況下橋面迎風側、背風側的橫橋向平均風速剖面見圖6(y為測點高度，HP為風屏障總高)。可知，設置風屏障后，在風屏障有效防風范圍內，軌道上方的風速明顯降低，超過該范圍后，隨著高度的增加，風速逐漸增加，并最終趨于穩定值。無論迎風側還是背風側，不同風屏障情況下，軌道上方風速剖面相差不大。

圖6 不同風屏障橫橋向的平均風速

2.1.2 橋面傾覆力矩等效風速

側向風在流經橋面時形成一定厚度的附面層，即距離橋面一定高度范圍內，不同高度的風速是不同的[12]。因此，可以根據一定高度的傾覆力矩等效原則，橋面傾覆力矩等效風速為

式中:VeqR為橋面傾覆力矩等效風速；U(z)為高度z處的風速值；Zr為等效高度，即橋面上行駛車輛的側風高度范圍。通常情況下CRH2列車車輛高度在4.0 m范圍內，因此等效高度可取Zr＝4.0 m。

2.1.3 風屏障減阻系數

風屏障對橋面風環境的影響可用橋面等效風速與來流風速的比值來表示，即

式中:λs為傾覆力矩影響系數；U∞為來流風速(10 m/s)。

為研究安裝風屏障前后不同類型風屏障對橋面風速的改善效果，定義減阻系數為

式中:β為減阻系數；λs0為無風屏障時的影響系數；λs1為設置風屏障時的影響系數。

基于2.1.1節風速剖面結果，運用式(1)—式(3)得到橋面傾覆力矩等效風速、傾覆力矩影響系數以及不同風屏障的減阻系數，見表2。由表2可知，設置風屏障后，橋面傾覆力矩等效風速降低明顯，這說明風屏障起到了較好地減風效果。風屏障T1和風屏障T2的減阻系數基本相同，可認為風屏障T1和風屏障T2的防風效果相當。

表2 鐵路風屏障減阻系數

2.2 基于列車氣動力

通過對比不同風屏障情況下列車氣動力的變化情況，可間接反應風屏障的防風效果，氣動力示意見圖7。

圖7 列車氣動力示意

列車氣動力系數為[13]

式中:α為來流攻角；ρU2/2為氣流動壓；H，B，L分別為列車節段模型的高度、寬度、長度；FH(α)，FV(α)，FM(α)分別為不同攻角α情況下采用體軸坐標系時的側向阻力、升力、側向傾覆力矩。

將車輛所受到的阻力、升力及力矩轉化到車輪輪緣處(圖7中的A點)的合力矩，并定義為車輛側傾穩定性力矩，經過換算得到車輛側傾穩定性力矩系數，以此系數評價車輛的行駛安全性[14]。

由力的平衡可知

式中:FSM(α)，CSM(α)分別為不同攻角α情況下車輛側傾穩定性力矩、力矩系數；h為車輪輪緣點A距車輛底面的距離；l為車輪輪緣點A距車輛底部中心點O1的距離。

不同風屏障情況下，CRH2列車氣動力系數見表3。由表3可知，車輛位于橋梁迎風側，設置風屏障T1時，車輛側傾穩定性力矩系數降低了29.9%；設置風屏障 T2時，車輛側傾穩定性力矩系數降低了70.2%。車輛位于橋梁背風側，設置風屏障T1時，車輛側傾穩定性力矩系數降低了51.4%；設置風屏障T2時，車輛側傾穩定性力矩系數降低了56.7%。無論車輛位于橋梁迎風側還是背風側，設置風屏障T2時，車輛側傾穩定性力矩系數均小于設置風屏障T1。相對而言，風屏障T2的防風性能要優于風屏障T1。

表3 列車氣動力系數

2.3 基于車輛動力響應

采用西南交通大學自主研發的風-車-橋耦合振動分析軟件BANSYS(Bridge Analysis System)計算列車的動力響應[15]。計算時風速取25，30，35 m/s 3種工況，車輛采用CRH2模型，車速取為200 km/h。

設置不同風屏障時，不同風速情況下，迎風側車輛的輪重減載率、豎向加速度av及橫向加速度ah的變化關系見圖8?？芍?，相同風屏障情況下，車輛響應隨著風速的增加而增加。設置風屏障T2時，車輛響應值總體上小于設置風屏障T1的情況，因此從該角度評價風屏障的防風性能，風屏障T2要優于風屏障T1。

圖8 CRH2列車動力響應

3 公路橋面風屏障優化選型

3.1 基于橋面局部風場

系統地測試了無風屏障(簡稱G0)及設置不同風屏障情況下(風屏障G1，G22個方案)，不同水平位置(不同車道)、不同豎向位置(橋面以上 18個點，見圖5(b))的風速剖面。

無風屏障和設置不同風屏障時，不同車道處的橫橋向平均風速見圖9?？芍?，設置風屏障在一定程度上降低了橋面橫橋向的風速，設置不同風屏障情況下，迎風側1車道及2車道處橋面橫橋向風速的差別較大，迎風側3車道及背風側4～6車道處橋面橫橋向風速差別較小，說明風屏障的防風效果與橋面位置距風屏障的距離有關。

圖9 不同車道處橫橋向的平均風速

基于3.1節風速計算結果，運用式(1)—式(3)得到橋面傾覆力矩等效風速(考慮到大貨車車輛的高度在4.5 m范圍內，公路橋面等效高度可取Zr＝4.5 m)、傾覆力矩影響系數以及不同風屏障的減阻系數，見表4。

表4 公路風屏障減阻系數

由表4可知，無風屏障時，從1車道—6車道，傾覆力矩等效風速由8.09 m/s(1車道位置)逐漸降低到5.99 m/s(6車道位置)，設置風屏障G2時各個車道傾覆力矩等效風速總體上小于設置風屏障G1的情況。風屏障G1的減阻系數小于風屏障G2。從橋面局部風場的角度評價風屏障的防風效果，風屏障G2防風效果優于風屏障G1。

3.2 基于車輛氣動力

大貨車的氣動力示意見圖10。

圖10 大貨車氣動力示意

三分力系數定義為[16]

式中:CL，CS，CMP，CMY，CMR分別為車輛的升力系數、側向力系數、俯仰力矩系數、橫擺力矩系數、側翻力矩系數；FL，FS，MP，MY，MR分別為車輛所受到的的升力、側向力、俯仰力矩、橫擺力矩、側翻力矩；A為車輛沿軸向向車頭方向正投影的面積；L為車輛總長；q＝0.5ρU2，其中，U為平均風速。

大貨車模型設計參數見表5。

表5 大貨車設計參數

無風屏障和設置不同風屏障情況下，大貨車位于不同車道時的氣動力系數見表6。綜合對比可以發現，設置風屏障以后，車輛氣動力系數較無風屏障情況均有較顯著的差異，以最不利的1車道為例，設置風屏障G1時，大貨車的側向力系數降低74.3%，升力系數增加202.4%，側翻力矩系數降低93.5%，橫擺力矩系數降低70.2%，俯仰力矩系數增加64.6%。設置風屏障G2時，大貨車的側向力系數降低79.8%，升力系數增加159.5%，側翻力矩系數降低96.5%，橫擺力矩系數降低82.7%，俯仰力矩系數增加55.2%。

表6 大貨車氣動力系數

綜上所述，從增減率上看，側向力系數、升力系數、側翻力矩系數、橫擺力矩系數、俯仰力矩系數變化均較大，但從數值變化大小上看，側向力系數變化最為明顯，因此，可將車輛側向力系數定為主要的氣動力系數指標。無風屏障時，隨著車道位置的改變，大貨車側向力系數也隨之改變，從1車道—5車道，大貨車側向力系數逐漸降低，在6車道略有增加的趨勢。設置風屏障后，大貨車側向力系數顯著降低，說明設置風屏障很有必要?？傮w上講，設置風屏障G2后，大貨車氣動力減小程度比風屏障G1明顯，因此風屏障G2防風效果優于風屏障G1。

3.3 基于車輛動力響應

采用西南交通大學自主研發的公路風-車-橋系統分析軟件WVBroad(Wind-Vehicle-Bridge System for Roadway)，對該橋進行了多種風屏障情況下的車輛動力響應分析[16]。

側風作用下，橋上行駛的車輛可能發生側偏、側滑和側翻安全事故，其本質是由于車輪與地面直接接觸的橫向力發生了急劇變化，導致橫風作用力超過最大摩阻力，駕駛員對車輛操控失效產生的行車事故。側翻主要由于車輛在側傾自由度上失去平衡，導致一側車輪與橋面的豎向接觸力為0，發生側向傾覆[16]。因此，本研究中車輛的運行安全性指標分為側傾安全性指標(該值越小，車輛越穩定，越不易發生側傾事故)[17]和側滑安全性指標(側滑剩余抗力，該值越大，車輛越不易發生側滑事故)[16]。

不同風屏障情況下，大貨車車速為100 km/h且位于1車道行駛時的車輛動力響應指標見表7。由表7可知，不同風速情況下，風屏障對大貨車的豎向加速度影響較小，但設置風屏障以后車輛的橫向加速度及側傾安全因子明顯降低，車輛的側滑剩余抗力明顯增加?？傮w上講，風屏障G2的防風效果優于風屏障G1。

表7 大貨車車輛動力響應(1車道，車速100 km/h)

4 結論

本文以某公鐵雙層橋梁為例，通過風洞試驗測試了不同風屏障情況下的橋面局部風場及車輛氣動力，借助風-車-橋耦合振動分析方法計算了車輛的動力響應，最后對公路及鐵路橋面風屏障進行了優化選型，可以得出如下結論:

1)公鐵雙層橋梁風屏障能顯著降低橋面局部風速，減小車輛所受氣動風荷載，同時降低了車輛的動力響應，起到了較好的防風效果。

2)從橋面局部風場、車輛氣動力以及車輛動力響應3個角度對鐵路橋面風屏障進行優化選型，3種評價方法所得結果存在一定的一致性，鐵路風屏障T2的防風性能要優于風屏障T1。

3)從橋面局部風場、車輛氣動力以及車輛動力響應3個角度對公路橋面風屏障進行優化選型，3種評價方法所得結果較為一致，公路風屏障G2的防風性能要優于風屏障G1。