風荷載作用下橋上車輛行駛安全研究

謝佳桃， 吳明荃

(廣東省交通規劃設計研究院集團股份有限公司，廣東廣州 510665)

車輛行車安全是大跨度橋梁的關鍵問題，尤其是在風速較高的環境中。一般情況下，流線型箱梁的氣動穩定性較好。但是其對來流的擾動更小，強風徑直穿過橋面，將車輛置于危險的風環境中。一直以來，橋上車輛在橫風作用下的側翻事故屢見不鮮[1]。隨著交通運輸不斷延伸，修建的大跨度橋梁也越來越多。因此，有必要對車輛在橋上行駛過程中的安全性進行研究。韓艷等[2-3]通過CFD數值模擬計算了車輛在不同車道上的氣動特性，研究了車輛間相對位置對擋風效應的影響，并通過速度云圖進行了機理分析。同時提出了一種風-車-橋耦合振動分析方法，并編寫成軟件程序。韓萬水等[4-5]建立了大跨度桁架橋風-車-橋耦合系統，并實現了可視化分析。王少欽等[6]計算了懸索橋在列車及風荷載作用下的振動響應，對車輛的響應極值進行了分析。此外，還有許多學者對橋上車輛行車安全進行了研究[7-8]。本文以風荷載作用下在橋上行駛的大貨車為研究對象，采用CFD數值模擬的方法，研究了各項氣動力系數對行車安全性的影響。

1 工程背景

某橋梁斷面為扁平箱梁形式，如圖1所示，寬度為32.0m，高度為3.0m。一輛大貨車在橋上迎風側車道行駛，車輛高度為3.78m，寬度為2.5m，長度為15.42m。為降低數值模型的建立難度，對大貨車的氣動外形進行了一定程度的簡化，忽略車輛的細部構造，保留車輛的主體外形，簡化后的車輛幾何模型如圖2所示。

圖1 主梁斷面

圖2 車輛幾何模型

2 車輛氣動力系數

在側風作用下，影響車輛行駛安全性的氣動力主要包括側向力FS、升力FL、阻力FD、側翻力矩MR、俯仰力矩MP和橫擺力矩MY，車輛受力示意如圖3所示。

圖3 車輛氣動力系數

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

(1)

建立數值模型，計算區域如圖4所示，尺寸為25B×15B，其中B為加勁梁寬度。主梁和車輛壁面設置多層貼壁層網格，首層網格高度為0.001m，遠離壁面的網格尺寸逐漸增大，網格總數300萬，細部網格如圖5所示。迎風側邊界設為速度入口；背風側邊界設為壓力出口；上下邊界設置為對稱邊界；前后邊界視來流風偏角而定；主梁表面和車輛表面設為壁面。選用SSTk-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。

對車輛行車安全影響最大的氣動力系數是CS、CL、CR，計算得到不同風偏角來流下的車輛氣動力系數如表1所示。

圖4 計算區域網格

圖5 壁面細部網格

表1 車輛氣動力系數

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6所示。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。

圖6 車輛受力示意

風致行車安全事故主要有側翻事故與側滑事故2類。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，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。對背風側車輪與橋面的接觸點取矩，可得到車輛不發生側翻的條件為式(2)。

MR+(FS+max)hvcosφ+(FL+may)·0.5Bcosφ≤

mg·(0.5Bcosφ+hvsinφ)

(2)

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。上式左側為車輛受到的總側翻力矩，從左至右分別為氣動側翻力矩、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。上式右側為車輛重力產生的平衡力矩，稱為抗側翻力矩。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。

車輛不發生側滑的條件為式(3)。

(FS+Fy)cosφ≤US(mg-FL-Fx)+mgsinφ

(3)

式(3)左側代表側滑力，右側代表抗側滑力，當二者相等時，則處在車輛側滑的臨界狀態，此時自然風風速大小則為側滑臨界風速Us。μs為橋面的摩擦系數，在干路面、濕路面、雪路面和冰路面條件下分別取為0.7、0.5、0.15和0.07。

進行大貨車在以設計時速100km/h行駛時車輛行駛臨界風速的計算。圖7給出了車輛所受側翻力矩與抗側翻力矩隨風速的變化曲線，2條曲線的交點的橫坐標即為車輛側翻臨界風速Ur。由圖7可以發現，隨著風速的增大車輛受到的側翻力矩逐漸增大。而車輛的抗側翻力矩由重力提供，是一個定值，不受風速和車速的影響。圖8給出了大貨車在不同路面狀況下所受側滑力與抗側滑力隨風速的變化曲線，2條曲線的交點的橫坐標即為車輛側滑臨界風速Us。由圖8可以發現，隨著風速的增大車輛受到的側滑力逐漸增大。當路面狀況一定時，由于升力的變化相對重力而言很小，抗側滑力隨風速的變化很小。對于不同條件的路面，其橋面摩擦系數μs不同，極大地影響了車輛的抗側滑力，抗側滑力隨摩擦系數的減小而顯著下降。當路面干燥時，大貨車的抗側滑力較高，車輛側滑臨界風速也較高；但是在冰雪路況下，大貨車的抗側滑力極低，在4～5級風作用下便會發生側滑事故。

圖7 側翻安全分析

圖8 側滑安全分析

在不同風攻角下，抗側翻力矩是一個定值，行車臨界風速主要由側翻力矩控制。由式(2)可知，氣動側力、氣動升力與氣動側翻力矩均對側翻力矩有一定影響。圖9給出了0°風攻角下，各項氣動力對車輛側翻力矩的貢獻，發現影響車輛行駛安全的主要是氣動側翻力矩MR與氣動側力FS，而氣動升力FL的影響十分有限。因此，側翻臨界風速差異主要歸結于氣動側翻力矩系數CR的與氣動側力系數CS的差異。

圖9 各項氣動力對側翻力矩的貢獻

圖10 各項氣動力對側滑力的貢獻

同理由式(3)可知，影響車輛側滑臨界風速的有氣動側力和氣動升力兩項，將不等式右側與氣動升力有關項移項至左側，則在濕路面條件下，各項氣動力對車輛側滑力的貢獻如圖10所示，可以發現影響車輛側滑安全的主要是氣動側力系數CS。

4 結論

本文以風荷載作用下在橋上行駛的大貨車為研究對象，研究了各項氣動力系數對行車安全性的影響，得到結論：

當路面干燥時，大貨車的抗側滑力較高，車輛側滑臨界風速也較高；但是在冰雪路況下，大貨車的抗側滑力極低，在4～5級風作用下便會發生側滑事故。

影響車輛側翻安全的主要是氣動側翻力矩MR與氣動側力FS，氣動升力FL的影響十分有限。影響車輛側滑安全的主要是氣動側力FS。因此，行車臨界風速主要歸結于氣動側翻力矩系數CR的與氣動側力系數CS的差異。