基于靜力簡化的斜風作用下橋上車輛行駛安全研究

[摘? 要]：近年來，風致行車事故較多。文章以橋上行駛車輛為研究對象，首先采用CFD數值模擬的方法計算車輛氣動力，然后基于靜力簡化的方法，計算得到車輛的行車臨界風速，可以較快地對車輛的行駛安全進行評價。研究結果表明：隨著風偏角增大，車輛的側力系數、升力系數和側翻力矩系數呈現出先增大后減小的趨勢，側翻力矩系數相對其他兩項數值較小。隨著車速的增大，觀光巴士的側翻臨界風速逐漸減小。

[關鍵詞]：斜風; 行車安全; 數值模擬; 靜力簡化

U461.1A

風致行車安全一直是國內外的研究熱點，近年來，車輛在斜風作用下發生的交通事故頻頻報道[1]。我國高速公路發展迅速，為跨越江河湖海及山區峽谷，修建了一大批大跨度橋梁。而大跨度橋梁的海拔通常較高，易受到大風的侵襲，車輛在橋上行駛過程中容易發生危險。因此，有必要對斜風作用下橋上車輛的行駛安全進行研究，以保證旅客的人身安全。韓萬水等[2-3]建立了大跨度鋼桁梁風-車-橋耦合系統。王少欽等[4]計算了鐵路懸索橋在列車及風荷載作用下的振動響應，并分析了響應極值的產生機理及變化規律。韓艷等[5]提出了一種可以考慮抖振力空間相關性的風-車-橋耦合振動分析方法，并將其制作成軟件程序。此外，還有很多學者都對風-車-橋耦合振動進行了研究，并取得了一些研究成果[6-8]。但是這些研究通常要耗費大量的計算資源，無法對行車臨界風速進行快速評價。本文以某橋上車輛為研究對象，采用CFD數值模擬計算車輛氣動力，并基于靜力簡化的方法，可以較快速地對車輛的行駛安全進行研究。

1 工程背景

某橋梁斷面為流線型箱梁形式，如圖1所示，其寬32.0 m，高3.0 m。一輛觀光巴士在橋上行駛，車輛高度為3.3 m，寬度為2.5 m，長度為10.4 m。為降低數值模型的建立難度，對觀光巴士的外形進行了一定程度的簡化，保留了車輛的主體外形，而忽略一些車輛的細部構造，簡化后的車輛幾何模型如圖2所示。

2 車輛氣動力系數

車輛氣動力系數是計算行車臨界風速的基礎，可以通過CFD數值模擬計算出橋上車輛的氣動力系數。在斜風來流作用下，對車輛行駛安全影響最大的氣動力主要有側向力FS、升力FL和側翻力矩MR，車輛受力示意如圖3所示。

車輛的氣動力系數可定義為下式，其中CS、CL和CR分別代表車輛的側力系數、升力系數和側翻力矩系數，U0為來流風速，Af為車輛正投影面積，L為車輛的長度，ρ為空氣密度，本文中取1.225 kg/m3。

CS=FS0.5ρU20Af

CL=FL0.5ρU20Af

CR=MR0.5ρU20AfL

（1）

采用ICEM軟件進行網格劃分，建立數值模型，整體計算區域如圖4所示，其中計算域尺寸為25B×15B，其中B為主梁寬度。主梁和車輛壁面設置多層貼壁層網格，首層網格高度為0.001 m，并對附近區域網格進行加密。靠近壁面的網格尺寸足夠小，可以保證了計算精度，遠離壁面的網格尺寸逐漸增大，可以保證計算速度，網格總數控制在為280萬左右，細部網格如圖5所示。迎風側邊界設為Velocity-inlet;背風側邊界設為Pressure-outlet;上下邊界設置為Symmetry;前后邊界視來流風偏角而定;主梁表面和車輛表面設為Wall。選用SST k-ω湍流模型;用SIMPLEC算法解決動量方程中速度分量和壓力的耦合問題;動量方程、湍動能方程及湍流耗散率方程均采用二階離散格式。

鐵路與公路王妍： 基于靜力簡化的斜風作用下橋上車輛行駛安全研究

計算得到0～90°風偏角來流下的車輛氣動力系數如圖6所示。由圖6可知，車輛的氣動力系數受風偏角的影響明顯。隨著風偏角增大，車輛的側力系數、升力系數和側翻力矩系數均呈現出先增大后減小的趨勢，側翻力矩系數相對其他兩項，數值較小。其中在0～45°范圍內，側力系數的變化幅度很小。

3 行車臨界風速

橋上車輛運動過程中同時受到風荷載、重力和摩擦力的共同作用，車輛的受力示意如圖7所示。

風致行車安全事故主要為側傾事故，主要與車輛受到的側力、升力、側翻力矩有關。值得注意的是，汽車在橋上行駛過程中，不僅受到自然風引起的風荷載，還有車輛運動引起的縱向風荷載，二者的疊加才為車輛受到的實際風荷載，記為Ure;相對風向角記為θ，表達式如式（2）所示。車輛受到的合成風荷載如式（3）所示。其中，U為自然風的風速，Uv為車輛行駛速度;CS（θ）、CL（θ）和CR（θ）分別為風向角為θ時的車輛側力系數、升力系數和側翻力矩系數，可通過多項式擬合后進行取值。

Ure=U2+U2v

θ=arctan（Uv/U）（2）

FS=12ρU2reAfCSθ

FL=12ρU2reAfCLθ

MR=12ρU2reAfLCRθ

（3）

根據D’Alembert’s原理引入慣性力將車輛運動學問題簡化為靜力學問題處理，則車輛的橫向慣性力Fx與豎向慣性力Fy可表示為

Fx=-maxFy=-may（4）

式中：m代表車輛質量，ax和ay分別代表車輛的橫向加速度和豎向加速度。

車輛受到的風荷載的作用點與橋面有一定的距離，使得車輛頂部由迎風側向背風側傾斜，稱為總側翻力矩，它可分為氣動側翻力矩、氣動側向力和車輛橫向慣性力引起的力矩、氣動升力與車輛豎向慣性力產生的力矩，如式（5）所示。而重力則產生一定的力矩與之平衡，使車輛保持安全行駛狀態，稱為抗側翻力矩，如式（6）所示。當二者相等時，則處在車輛側翻的臨界狀態，此時自然風風速大小則為側翻臨界風速Ur。

MR+（FS+max）hvcosφ+（FL+may）·0.5Bcosφ（5）

mg·（0.5Bcosφ+hvsinφ）

（6）

當風偏角為0°時，車輛向前方行駛，其相對風向角為正值，對圖6中3種氣動力系數進行多項式擬合，不同車速與風速下的氣動力系數根據此公式進行取值。

經過計算，當不同車輛以不同速度行駛時，行車臨界風速如圖8所示。由圖可知，隨著車速的增大，觀光巴士的側翻臨界風速逐漸減小。當車速為100 km/h時，車輛的臨界風速為29.6 m/s。在極端大風天氣下，可能發生危險。

4 結論

本文以斜風來流下，在橋上行駛的觀光巴士為研究對象，研究了其行車安全性，得到結論：

（1）車輛的氣動力系數受風偏角的影響明顯。隨著風偏角增大，車輛的側力系數、升力系數和側翻力矩系數均呈現出先增大后減小的趨勢，側翻力矩系數相對其他兩項，數值較小。

（2）隨著車速的增大，觀光巴士的側翻臨界風速逐漸減小。當車速為100 km/h時，車輛的臨界風速為29.6 m/s。在極端大風天氣下，可能發生危險。

參考文獻

[1] Zhu L D， Li L， Xu Y L， et al. Wind tunnel investigations of aerodynamic coefficients of road vehicles on bridge deck[J]. Journal of Fluids and Structures. 2012， 30： 35-50.

[2] 韓萬水，趙越，劉煥舉，等.風-車-橋耦合振動研究現狀及發展趨勢[J].中國公路學報，2018，31（7）：1-23.

[3] 韓萬水，劉煥舉，包大海，等.大跨鋼桁梁懸索橋風-車-橋分析系統建立與可視化實現[J].土木工程學報，2018，51（3）：99-108.

[4] 王少欽，馬骎，任艷榮，等.主跨1120 m鐵路懸索橋風-車-橋耦合振動響應分析[J].鐵道科學與工程學報，2017，14（6）：1241-1248.

[5] 韓艷，陳浩，劉躍飛，等.橋梁抖振力空間相關性對風-車-橋耦合動力響應的影響[J].湖南大學學報（自然科學版），2015，42（9）：82-88.

[6] 舒鵬.變高度雙層鋼桁結合梁風-車-橋耦合振動性能分析[J].四川建筑，2018，38（4）：134-136.

[7] 黃靜文. 基于風-車-橋耦合振動的大跨度懸索橋車輛行駛安全性和舒適性研究[D].長沙：長沙理工大學，2018.

[8] 蘇波，齊冠，唐詩思，等.基于CFD的風-車-橋系統耦合氣動力模擬研究[J].河南科學，2017，35（5）：778-786.