葉片式導風屏障擋風性能優化研究

呂 娜 劉 偉 謝海清 徐錫江 王超凡

(1.成都亞佳工程新技術開發有限公司， 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；3.四川鐵拓科技有限公司, 成都 610031)

1 風屏障研究應用現狀

隨著列車運營速度的不斷提高，強風區高速列車運行的安全性問題日益突出。已有研究表明[1-3]，風屏障是解決高速列車橋梁風環境下行車安全問題的一種有效途徑，沿線路一側或兩側設置風屏障，為高速列車創造一個相對低風速的局部運行環境，可顯著提高高速列車的臨界車速。目前，國內外研發應用較多的鐵路橋梁風屏障產品主要有以下幾種[4]。

(1)并置式風屏障

風屏障與橋梁并行設置，由鋼桁式承重梁和帶孔擋風板組成，側面以防風纜索錨固于地面。該風屏障結構在蘭新高速鐵路“百里風區”有應用。

(2)與梁體連接的格柵式風屏障

風屏障由豎向立柱加不同開孔率、不同高度的擋風板組成，以達到保障行車安全和減小橋梁受力的目的。

(3)梁體風屏障

將梁體與防風結構做成整體。該結構防風效果顯著，景觀效果好。在西班牙馬德里-薩拉格薩-法國邊境高速鐵路線上的Ebro橋有應用。

梁體風屏障的擋風效果最佳，且后期養護維修少，景觀效果好，但造價高、工藝復雜。并置式風屏障的最大優點是橋梁和風屏障分別設計、施工，各自受力明確，缺點是投資高、橋墩阻水面積大，且不適用于新建高橋。格柵式風屏障是目前研究應用較多的結構形式，可通過結構的擋風作用滿足安全行車，但作用在風屏障上的風荷載全部傳遞到橋梁結構，使得橋梁承受的風荷載較大，給橋梁設計和運營帶來較大問題，且結構笨重、安裝繁瑣。

隨著橋梁跨度的增加及斜拉、雙層等橋型結構的應用，橋梁對風荷載愈加敏感，因此必須綜合考慮風屏障對列車及橋梁氣動特性的影響[5-7]。本文從擋風和改變橫風的角度出發，研發了一種葉片式導風屏障，并以某雙層鋼桁梁斜拉橋為例，分析其對橫風環境下列車、橋梁氣動性能的影響。

2 葉片式導風屏障結構特點及工作原理

本文研究的葉片式導風屏障由導風葉片、縱向連桿和預埋件組成，導風葉片等間距安裝于橋面外側，如圖1所示。單根導風葉片擋風面為扇形，設置有導風角、通風孔等，如圖2所示。擋風面和導風角均與橋梁縱向成一定角度安裝，橫橋向可外傾。

該結構可大幅降低橋面橫向風速，并適當改變橫風風向，大幅削弱橋面風場，保障列車運行的安全性和平穩性；同時導風葉片下部尺寸小，可減小受力面積，改變風荷載方向，從而減小導風葉片自身及主梁受力。

3 葉片式導風屏障的設計參數

根據國內外路鐵路橋梁風屏障擋風機理、結構參數、風洞試驗、抗風分析等的相關研究成果和應用現狀，總結出影響風屏障防風效果的主要因素，分別為有風屏障結構形式、橋梁結構、風速、風偏角、列車運行速度等。對于格柵式風屏障結構，研究者們給出的風屏障最佳高度為2.5～5 m[8-9]，透風率最佳范圍為10%～30%[10]。

結合葉片式導風屏障的結構特點和擋風、導風原理，參照已有研究成果[11]，本文通過數值模擬的方法分析葉片式導風屏障高度(2.5～3 m)、透風率(葉片自身透風率為8%～10%，安裝后整體透風率為20%～40%)和導風角(0°～30°)對列車周圍流場、列車與橋梁氣動性能及風速折減率的影響。

4 計算模型

4.1 模型及簡化

某雙層鋼桁梁斜拉橋主跨跨度425 m，葉片式導風屏障設置于上層橋面兩側。橋梁三維模型僅考慮了鋼桁梁外形輪廓和橋面鋪裝層，對其他橋面附屬結構簡化處理，車型采用CRH380A型高速列車。

葉片式導風屏障僅考慮有效擋風面、導風角、高度等重要結構參數，簡化處理加強肋、折彎倒角、安裝孔等參數，簡化后結構如圖3所示。

圖3 導風葉片簡化示意圖

4.2 控制方程、計算區域及邊界條件

本次研究中，列車設計速度為350 km/h。列車高速運行時，周圍流場處于紊流狀態，故選取k-ε兩方程紊流模型。當列車以350 km/h穩態運行時，對應的馬赫數小于0.3，流動按不可壓縮流體流動計算。

列車運行中周圍流場區域會產生響應變化，但距列車足夠距離后，流場逐漸趨于穩定。故計算區域為82 m×160 m×60 m，如圖4所示。

圖4 流場區域示意圖(m)

橫風作用下，高速列車的流場計算涉及的邊界條件為：在入口截面處，橫風方向與橋梁橫截面呈90°，風速為30 m/s。

5 計算結果及分析

5.1 高度對流場、氣動力系數、風速折減率的影響

5.1.1 高度對風速流場的影響

選取高度為3 m和2.5 m的葉片式導風屏障進行分析，兩種聲屏障高度下，列車周邊風速流場如圖5所示。

圖5 高度對列車周邊風速流場的影響圖

從圖5可以看出，由于葉片式導風屏障的遮蔽效應，列車和橋梁周圍的風速顯著降低。兩種高度下，列車和橋梁周圍的風速流場類似，在葉片式導風屏障與列車之間均形成明顯的漩渦。3 m高導風屏障列車頂部的低速風區遠小于2.5 m高導風屏障。

5.1.2 高度對氣動力系數的影響

高度對列車橋梁全動力系數的影響如圖6所示。

圖6 高度對列車氣動力系數、橋梁氣動力系數的影響圖

從圖6可以看出，安裝葉片式導風屏障后，列車的側力系數顯著降低，升力系數和傾覆力矩系數基本不受影響，3 m高葉片式導風屏障的升力系數明顯小于2.5 m高葉片式導風屏障，該結果與風速流場對列車頂部的影響完全呼應。

安裝葉片式導風屏障后，橋梁的側力系數、升力系數稍有增加，但傾覆力矩系數降低。

5.1.3 高度對風速折減率的影響

風速折減率R反應了葉片式導風屏障對橋梁內部風速衰減的情況，具體指葉片式導風屏障對近側軌道中心線處(如圖7所示)，從軌底到列車高度范圍內風速減小的百分比。

圖7 風速提取示意圖

式中：V0——來風風速；

Vt——近側軌道中心線處，從軌底到列車高度范圍(透風率對風速折減率影響圖中橫軸用Y表示)內風速的最小值。

高度對風速折減率的影響如圖8所示。從圖8可以看出，在0～4 m內，有導風屏障的風速折減率顯著大于無導風屏障的風速折減率，風速折減率最少減小20%，且導風屏障越高，靠近列車頂部的風速折減率減小越小。

圖8 高度對風速折減率的影響圖

由此可見，葉片式導風屏障對橋梁內部的風場影響顯著，對列車周圍風速有明顯的抑制作用，減小了列車周圍風速，降低了列車三分力系數，從而使列車受風的影響更小，行車更安全，同時對橋梁氣動力影響不大。

與2.5 m高導風屏障相比，3 m高葉片式導風屏障對列車周圍風速的降低效果更顯著，且不增大橋梁的氣動力系數。因此，從列車擋風性能和橋梁安全的角度考慮，葉片式導風屏障的高度宜取3 m。

5.2 透風率對流場、氣動力系數、風速折減率的影響

5.2.1 透風率對流場的影響

透風率對列車周邊風速流場的影響如圖9所示。

圖9 透風率對列車周邊風速流場的影響圖

從圖9可以看出：透風率為15%時，葉片式導風屏障與列車之間有明顯的漩渦(漩渦中心處速度應接近于0)；透風率為20%和25%時，未形成明顯旋渦；透風率增加到30%時，漩渦重新形成。

結合葉片式導風屏障的結構特點，分析產生上述結果的原為：當透風率過小時，下部透過的橫風未被上方橫風抵消，對上方的回流影響較大，故形成漩渦；隨著透風率的增大，上下橫風趨于平衡，回流影響減小，漩渦被打亂；當透風率繼續增大，超過該平衡時，又出現形成漩渦的趨勢。

5.2.2 透風率對氣動力系數的影響

葉片式導風屏障透風率按5%的幅值變化，變化范圍為15%～30%時列車、橋梁的氣動力系數計算結果如圖10所示。

圖10 透風率對列車氣動力系數、橋梁氣動力系數的影響圖

從圖10可以看出：(1)隨透風率的增加，列車升力系數明顯增加，傾覆力矩系數基本無變化；側力系數在透風率小于25%時基本無變化，大于25%時突增：(2)橋梁三分力系數基本一致，不隨透風率的變化而變化。

透風率過高，列車三分力系數增加明顯，不利于安全行車；透風率過低，葉片式導風屏障自身承受的風荷載較大，制造成本會顯著增加。綜合考慮安全行車和制造成本，透風率宜取20%～25%。

5.2.3 透風率對風速折減率的影響

透風率對風速折減率的影響如圖11所示。

圖11 透風率對風速折減率的影響圖

從圖11可以看出：不同透風率下，葉片式導風屏障在列車高度范圍內的風速折減率均達到70%以上；在列車中部以上高度(Y坐標2 m以上)處，透風率為30%的風速折減率偏小。

葉片式導風屏障透風率的改變影響列車周圍流場，對安全行車影響較大；但對橋梁受力和風速折減率影響較小。綜合考慮安全行車和建造成本，透風率宜取20%～25%。

5.3 導風角對流場、氣動力系數、風速折減率的影響

5.3.1 導風角對流場的影響

導風角對列車周邊風速流場的影響如圖12所示，因20°與10°的三分力系數基本一致，故本文僅列出0°和20°的流線圖。

圖12 導風角對列車周邊風速流場的影響圖

從圖12可以看出，導風面角度為0°時，葉片式導風屏障與列車之間有明顯的漩渦(漩渦中心處速度應接近于0)，導風面角度為20°時，未見明顯旋渦。

5.3.2 導風角對氣動力系數的影響

葉片式導風屏障導風葉片安裝后與橋梁橫向形成一個角度，導風角旨在改變強側風方向，減小垂直穿過葉片式導風屏障的風荷載，從而減小橫風對列車氣動性能的影響；同時減小橫風垂直作用下葉片式導風屏障和橋梁的受力。

透風率為25%，葉片式導風屏障導風角分別為0°、10°、20°時，列車、橋梁的氣動力系數計算結果如圖13所示。

圖13 導風角對列車、橋梁氣動力系數的影響圖

從圖13可以看出，列車的側力系數、升力系數隨導風角的增加而減小，傾覆力矩系數稍有增大；橋梁的三分力系數基本不隨導風角的變化而變化。

5.3.3 導風角對風速折減率的影響

葉片式導風屏障導風角變化對風速折減率的影響如圖14所示。

圖14 導風角對風速折減率的影響圖

從圖14可以看出，導風角的變化對風速折減率的影響不明顯。

導風角為20°時，列車、橋梁三分力系數最小且葉片式導風屏障承受外荷載最小，對列車安全運行與橋梁受力最有利。

6 結論

本文以某鋼桁梁斜拉橋為原型，采用數值模擬方法研究一種葉片式導風屏障對橫風環境下列車周圍流場、列車及氣動性能橋梁氣動性能的影響，得到以下主要結論：

(1)和不設置風屏障相比，安裝葉片式導風屏障后列車周圍的風速折減率最少減小20%；列車的側力系數降低，升力系數和傾覆力矩系數基本不受影響；橋梁的側力系數、升力系數稍有增加，傾覆力矩系數降低。

(2)與2.5 m高風屏障相比，3 m高葉片式導風屏障對列車周圍的風速降低更顯著，且不增大橋梁的氣動力系數。因此，從列車擋風性能、橋梁安全的角度考慮，葉片式導風屏障的高度宜取3 m。

(3)葉片式導風屏障透風率為20%～25%時，列車周圍風場受回流影響小，列車三分力系數中僅升力系數增大，側力系數和傾覆力矩系數均不變，橋梁三分力系數也未增大；因此，透風率宜取20%～25%。

(4)葉片式導風屏障導風角為20°時，列車、橋梁三分力系數最小，且葉片式導風屏障自身承受風荷載最小，對列車安全運行最有利。

本文葉片式導風屏障對列車三分力系數、橋梁三分力系數的影響是通過數值模擬得出的，其對列車、橋梁安全性能的影響還需進一步通過-車-橋耦合分析及實橋測試進行驗證。