高速鐵路橋梁擋風屏遮蔽效應分析

霍 卿, 許建林, 梅元貴,*

(1. 唐山學院 交通與車輛工程系, 河北 唐山 063000;2. 蘭州交通大學 甘肅省軌道交通力學應用工程實驗室, 甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

百里風區是指蘭新鐵路紅旗坎站至了墩站全長123 km的區間，區間內多含橋梁[1]，該區間全年有320天刮8級以上大風，12級以上的強風經常出現，且盛行風向主要集中在東北東(NNE)至北西北(NNW)，是我國乃至世界上鐵路風災最嚴重的地區之一[2-4]。

在大風作用下,列車空氣動力性能惡化,強風不僅影響列車的橫向穩定性,還會導致列車空氣阻力迅速增加或聚降[5]；大風中運行產生的振動可能導致供電出現異常；氣動噪聲給司乘人員帶來的影響也非常明顯。這些都嚴重影響了行車的安全性和乘坐的舒適性[6-8]。據不完全統計，自1960年至今，新疆鐵路運輸因風沙造成的行車安全事故總計38起。因大風造成的列車停輪次數更是數不勝數，嚴重影響了鐵路運輸的經濟效益[9]。

為減緩風害，提高列車安全運行和旅客的乘車舒適性，在大風區線路建設工程中一般加裝擋風設施。常見的擋風設施主要有不透風的擋風墻和可透風的擋風屏。路塹和路堤上多采用擋風墻， 橋梁上多采用擋風屏，以減小結構風載荷[10]。由于擋風屏的多孔結構，流體通過后與擋風墻結構相比流動變得復雜。因此，正確評價擋風屏的遮蔽效應更為重要，也是保證列車安全運行的重要前提和擋風屏抗風補強設計的重要依據。

目前，國內外針對擋風屏的遮蔽效果開展了較多的研究。國內方面：項超群采用真實模擬列車運動的動網格算法，計算不同擋風屏高度下橋上列車的氣動力系數，研究列車周圍流場靜壓分布和速度分布，并與傳統靜網格計算結果進行對比分析[11]。張田[12]、向活躍[13]、梅群峰[14]等應用數值模擬方法，在模型的特定斷面上取測點，通過對壓力、速度等參數的比較，在橫風條件下對不同類型擋風屏的高度、開孔率、布置形式等參數進行了研究。鄒云鋒、何旭輝基于同步測壓方法，以京滬高速鐵路典型高架橋和CRH2列車為背景，研究了多種擋風屏參數對典型車橋組合狀態下車輛氣動力和風壓分布的影響，分析擋風屏的氣動影響機理[15-16]。何瑋、郭向榮通過風洞試驗得出在橋梁上設置不同透風率擋風屏情況下橋梁和橋上不同位置處列車的三分力系數，并研究擋風屏透風率對側風下大跨度斜拉橋車橋系統耦合振動的影響[17-18]。以上研究主要針對擋風屏前期合理設計形式和主要參數的合理取值。另外，如郭微微[3]和唐煜[19]等通過數值模擬的方法，對橫風條件下考慮車、橋、屏三者耦合系統下的車輛行車安全性進行了評價，但模型中未涉及風向、風速、毗鄰結構等因素的影響。

國外方面： Fujii等[20]、Baker 等[21]闡述了日本和歐洲的擋風屏措施。Shunji Takahashi等[22]在橫風下考慮結構與地形地貌的相互作用，取典型斷面對不同開孔率擋風屏的遮蔽效果進行了數值模擬研究。Crosby等[23]在橫風條件下，考慮擋風屏和房屋的簡單模型的相互作用，對滲透式擋風屏對房屋結構的風場遮蔽效果特性進行了研究，但以上作者在模型中均未考慮橋梁的影響。

文獻[24]表明風對于結構的影響與風向有關。橫風條件下建筑結構風載氣動特性不具有典型性[25]。另外，當建筑群結構相互間距較近時，由于旋渦的相互干擾，建筑結構某些部位的局部風壓會顯著增大[26]?？梢姡攲躏L屏結構進行遮蔽效應評價時，僅考慮橫風工況，而不考慮橋梁以及毗鄰建筑、風速風向、地形地貌等因素影響下的氣動特性是遠遠不夠的，還需要對擋風屏實地的遮蔽效應進行研究。

綜上所述，基于目前國內外學者對于擋風屏的研究主要集中前期結構合理設計、以及在橫風工況下僅以擋風屏本身作為研究對象較少結合實地工況對擋風屏的特性進行研究的條件下，本文通過三維數值模擬方法，以百里風區吾普爾大橋上透風式擋風屏為研究對象，模型盡量還原真實的現場環境，考慮擋風屏本體及周邊地形地貌(坡度約3.1%)及相鄰擋風設施，如：防風明洞、擋風墻、吾普爾大橋等，并結合不同斷面位置、風向角、風速、線路布局等影響因素對擋風屏遮蔽效應進行研究，為擋風屏的抗風補強設計及列車安全運行提供合理的參考依據。

1 擋風屏結構介紹及模型展示

1.1 擋風屏結構介紹

擋風屏位于百里風區的核心地帶的吾普爾大橋上，為雙側設置、與橋梁本體連接的板式擋風屏結構。全長241m，高4m，屏體上部和下部分別由開孔率為10%和20%的長圓形開孔波紋板組成，是一種新的結構，其西側與防風明洞入口相連，東側一端直接與擋風墻相連。圖1和圖2分別給出了擋風屏的結構示意圖和實景圖。

圖1 擋風屏結構Fig.1 Windshield structure

1.2 擋風屏模型展示

本文采用1∶10計算模型，擋風屏全長24.1 m，高0.4 m(以擋風屏高度為特征尺度H)，整個計算域為290H(長)×100H(寬)×100H(高)。靜態網格繞流計算模型如圖3所示，并盡可能保持擋風屏毗鄰結構如：防風明洞、擋風墻、橋梁(吾普爾大橋)、路基、涵洞、地形地貌(其中擋風屏防風明洞端地貌形成了明顯的路塹結構)等環境特征，幾何結構真實、復雜，如圖4、圖5所示。

(a) 擋風屏防風明洞端(西側)

(b) 擋風屏擋風墻端(東側)

圖3 模型計算域及邊界條件Fig.3 Model computation domainand boundary condition

圖4 模型端口細節Fig.4 Model port detail

(a) 橋梁及擋風屏細節

(b) 路基及擋風墻細節

(c) 明洞端口及通風孔細節

2 數值計算方法及定解條件

2.1 數學模型及控制方程

本文采用STAR-CCM+ 11.02進行空氣動力學分析，防風明洞外部的空氣按有黏性體處理，采用SSTk-ω高雷諾數湍流模型數值求解防風明洞外部的三維定常不可壓縮湍流流動，即求解連續性方程、動量方程和SSTk-ω湍流模型方程。

連續性方程

(1)

動量方程

(2)

式中：上標“—、～”分別表示物理量的時均、質量加權平均和脈動量，ρ、p、Ui分別為空氣的密度、壓力(表壓)、速度，τij為平均運動的應力張量。

湍流的模擬采用SSTk-ω模型，其控制方程為：

(3)

(4)

2.2 邊界條件

向活躍[13]采用風洞模型試驗和數值模擬方法，評估了不同開孔率的圓形孔擋風屏防風效果，并指出數值研究中采用擋風屏的多孔介質模型對結果影響不大，且能有效減少網格數，降低計算規模。因此本文模擬的各種風向角、風速等大風繞流擋風屏的工況，擋風屏按照多孔介質處理，防風明洞、擋風墻、橋梁、路基和地面等為無滑移靜止壁面。洞外開闊空間在橫風條件下設置滑移靜置壁面、速度入口和壓力出口，其余風向角工況為速度入口和壓力出口，如圖3所示。圖6表示了風速、風向與橋梁擋風屏關系的俯視圖，其中β為風向角，Uw為風速。

圖6 風向角示意圖Fig.6 Schematic diagram of wind direction angle

本文縮比模型的計算網格采用非結構混合網格，其中外流場主要采用六面體核心網格(Trim 網格)，在橋梁、擋風屏、防風明洞、擋風墻等部件均采用棱柱網格 (Prism 網格)，這樣可以更好地模擬粘性占主導區域的流動[27]。為了保證棱柱網格和六面體核心網格間的良好過渡，在明洞模型表面的棱柱網格設置為6層，網格增長比為1.2，圖7表示了橋梁、擋風屏計算網格分布情況。在縮比模型周圍，尤其是縮比模型尾流區域設置了網格加密區，總體計算網格量達到5200萬左右。

本文采用多孔介質方法對擋風屏進行處理，計算過程中認為防風屏為無厚度含開孔的擋板結構，圖5(a)。遵從達西準則，流體的流速與流體的壓力降建立控制方程：

圖7 梁擋風屏局部網格展示Fig.7 Local mesh display

Δp=-ρ(α|vn|+β)vn

(5)

(6)

式中：Δp為流體流經多孔介質的壓力降；ρ為流體密度；vn為入流多孔介質的表面流速；α、β為與開孔率相關的系數；kp為滲透率；v為流體流經多孔介質后的流速。

本文中α、β的取值按文獻[3]對蘭新線擋風屏進行數值模擬的結論并進行了算法有效性驗證。

3 擋風屏遮蔽效應分析

3.1 評價準則與測點布置

速度是擋風屏防風效果重要的評價準則之一。由于擋風屏對來流的影響，側向風在流經橋面時會形成分布不均勻的渦旋結構，導致同一位置距離橋面不同高度處的風速是不同的。為了衡量擋風屏的防風效果，可以根據一定高度內側向氣動力等效的原則來定義橋面等效風速，即[28]：

(7)

式中zr為等效高度范圍，本文取值為路基板面到擋風屏頂部高度0.45 m。

擋風屏的防風效果可以用橋面等效風速與來流風速的比值，即局部風速折減系數λ表示：

λ=Veq/V

(8)

式中V為橋面高度來流風速。

公式(8)是對結構整體的防風效果的評價，若僅對距離橋面某一高度處特征點的防護效果進行評價，可以用局部防護系數I來表示某特征點處的防護效果，定義為：

I=1-|u(x,z)|2/V2

(9)

式中u(x,z)為特征點處的局部風速。

計算出整個防護區域內所有特征點的局部防護系數，然后取平均值，用于評價整個區域的防風效果。

考慮到毗鄰防風明洞和擋風墻對擋風屏流場的影響，本文在距離擋風屏西側接近防風明洞1H的位置、東側接近擋風墻1H的位置、屏體中段位置各取斷面作為分析對象，同時在各斷面上行線(接近擋風墻一側)和下行線兩條線路中線布置測點，如圖8所示。圖中第一個點位置約為0.0625H，即軌面距離路基的距離，各測點間距0.125H，最高測點與擋風屏頂端平齊。

3.2 典型斷面遮蔽效果分析

圖9給出橫風條件下，風速40 m/s時，擋風屏防風明洞端、橋梁中段和擋風墻端三個斷面上行線軌道中心線風速隨擋風屏高度變化的曲線圖和各斷面的速度折減系數。由圖9可以發現，擋風屏東西兩端及其中段的遮蔽效應不同。從速度分布情況看，屏體中段風速集中在0～4 m，風速折減系數為0.08，遮蔽效果最佳。而對于擋風屏的擋風墻一端，風速集中在12～16 m。風速折減系數為0.33，遮蔽效果最差，防風明洞一端次之。

(a) 速度變化曲線 (b) 各斷面速度折減系數

為了更好的展示建筑結構對擋風屏遮蔽效果的影響。分別在接近防風明洞、擋風墻與擋風屏銜接位置并靠近防風明洞和擋風墻一側取斷面。如圖10表示了擋風屏西側，防風明洞端口距離擋風屏0.1H位置斷面和擋風屏東側擋風墻距離擋風屏0.1H位置斷面的速度矢量分布圖。從圖中可以看到，明洞端口和擋風墻一端的流體均是向擋風屏內流動，流進兩個擋風屏之間的通道，增大了擋風屏西側流體的能量，進而減弱了擋風屏東西兩端的遮蔽效果。從速度幅值分布看，擋風墻一端的流體流動速度幅值相對較大，遮蔽效果較明洞側要差。

(a) 明洞斷面

(b) 擋風墻斷面

從圖11三個斷面的渦旋結構分布圖可以看到，擋風屏防風明洞端由于兩側“路塹”式地貌結構，使得擋風屏兩側及流動通道內渦旋結構劇烈、明顯，而橋梁中段和擋風墻端斷面則無明顯的渦旋結構。

通過上述分析可知，擋風墻及明洞端流體向擋風屏通道內流動是造成擋風屏兩端和中段的遮蔽效果不同的主要原因。毗鄰建筑結構會使擋風屏的遮蔽效果減弱。另外，地形、地貌使得擋風屏附近流場的渦旋結構增強。

3.3 不同線路遮蔽效果分析

線路不同，行駛列車受到的氣動作用不同，鑒于蘭新二線的雙線路特點，本節討論擋風屏對于不同線路的遮蔽效果分析。

圖12表示了不同斷面上行線和下行線速度曲線和速度折減系數柱狀圖。對于速度的比較，下行線速度均比上行線速度小，但防風明洞端擋風屏開孔率20%的部分呈相反特性。有速度折減系數比較可知，在防風明洞端和橋梁中段位置上行線與下行線的遮蔽效果相差不大，速度折減系數相差僅為0.01～0.02，但在擋風墻端擋風屏，下行線遮蔽效果明顯優于上行線，速度折減系數相差為0.11，差值百分約27%。

(a) 擋風屏防風明洞端斷面

(b) 擋風屏橋梁中段斷面

(c) 擋風屏擋風墻端斷面

圖11 各斷面渦旋結構分布
Fig.11 Distribution of vortex structure of each section

(a) 防風明洞端

(b) 橋梁中段

(c) 擋風墻端

圖13表示了擋風屏東側毗鄰擋風墻距離擋風屏0.1H斷面的渦旋結構分布。從圖中可以看到，在擋風墻的背風側產生了一個巨大的渦旋結構。結合圖10(b)，不難發現渦旋結構的三維流動特性使得流體反流至兩個擋風屏中間的通道內，且下行線流速明顯低于上行線流速。使得下行線的遮蔽效果明顯增強。

3.4 不同來流速度遮蔽效果分析

針對蘭新二線風力強勁、多變的特點，本節討論當來流風速變化時，對擋風屏遮蔽效果的影響。

圖14給出了來流速度30 m/s、40 m/s、50 m/s下各斷面上行線速度變化曲線?？梢?，隨著來流速度的增大，各斷面速度增大，且分布趨勢相似。但是從圖15不同來流風速下各斷面各測點局部防護系數的平均值圖可見，隨著來流風速的變化，遮蔽效果變化不大，各斷面平均防護系數幅值變化僅為0.001～0.002。

圖13 東側擋風墻斷面渦旋結構分布Fig.13 Distribution of vortex structure of the east side windshield wall

(a) 防風明洞端 (b) 橋梁中段 (c) 擋風墻端

3.5 不同風向角下遮蔽效果分析

風向是影響結構氣動載荷的主要因素之一。結合蘭新二線多風向的特點，本節將討論風向角對于擋風屏遮蔽效果的影響。

圖16和圖17分別給出了風向角15°～90°，不同斷面上行線的速度曲線和各斷面的平均防護系數。由圖可見，風向角對速度的影響規律性較差。但整體趨勢仍為小風向角時風速大于大風向角的風速。由圖17可知，隨著風向角的增大，各斷面的平均防護系數基本成增大趨勢，防護效果增強。這是由于當風向角增大時，流體垂直流過擋風屏的流體增多，相應的沿著擋風屏之間通道流入的流體減小。進而增大了擋風屏對流體的遮蔽效果。

(a) 防風明洞端 (b) 橋梁中段 (c) 擋風墻端

(a) 防風明洞端 (b) 橋梁中段 (c) 擋風墻端

(a) 防風明洞端 (b) 橋梁中段 (c) 擋風墻端

4 結 論

通過數值模擬方法對蘭新二線吾普爾大橋上擋風屏特性進行研究，模型盡量還原真實的現場環境，考慮了擋風屏本體及周邊地形地貌及相鄰擋風設施，得出：

1) 擋風屏兩端和中段的遮蔽效果是不同的。毗鄰建筑結構會使擋風屏的遮蔽效果減弱，地形、地貌使得擋風屏附近流場的渦旋結構增強。

2) 受到毗鄰擋風墻背風側渦旋結構影響，擋風屏擋風墻端位置下行線的遮蔽效果明顯優于上行線，而橋梁中段和防風明洞端兩線的遮蔽效果相差不大。

3) 來流風速對擋風屏的遮蔽效果影響不大。

4) 風向角增大時，各斷面的平均防護系數增大，遮蔽效果增強。

本文僅在無車條件下，進行了擋風屏遮蔽效果的研究?；诩扔谐晒?，考慮列車通過時列車氣動效應影響下的擋風屏的遮蔽效應，以及列車與擋風屏之間的耦合分析，尚待進一步研究。