公路橋梁聲屏障脈動風壓的分析與研究①

劉海濤， 康 焯

(天津市市政工程設計研究院，天津 300051)

在橋梁附屬設施的設計中，行駛的汽車對橋面附屬的脈動風壓作用是不可忽視的.然而公路橋梁規(guī)范中沒有相關脈動風壓荷載的規(guī)定，國內(nèi)外的相關研究大都集中在對汽車車身壓力的分析[1～3]，對橋面附屬設施承受的脈動風壓分布和數(shù)值的關注較少，因此在對公路橋梁橋面附屬設施設計中脈動風壓荷載的取值缺少相應的參考.

本文采用計算流體力學方法，借助動網(wǎng)格分析技術模擬了大型客車在聲屏障區(qū)段內(nèi)行駛的三維不可壓縮湍流模型，分析了大客車在運行中對流場的擾動所引起的聲屏障表面脈動風壓分布情況和脈動風壓數(shù)值，得到了脈動風壓的公式，可供橋梁附屬設施設計中參考.

1 CFD數(shù)值分析模型

1.1 大客車幾何模型

由于汽車的車身外形尺寸越大，運行中對空氣的擠壓越嚴重，相應的脈動風壓也越大，因此本次分析中汽車模型選用外形尺寸較大的大型客車，客車車身長度為12m，寬度為2.5m，高度為3.5m，為了控制網(wǎng)格數(shù)量，節(jié)約計算時間，將大客車車身進行平滑處理，模型中不考慮客車后視鏡等掛件和車輪突出車底部分[4]，平滑處理后的大客車車身幾何模型如圖2所示.

圖1 駛過列車對建筑物和構件的氣動力

圖2 大客車幾何模型

1.2 橋面布置及計算域選取

模型中取橋面凈寬為8m，客車側面距離防撞護欄內(nèi)邊緣最小距離為0.5m，客車車底距離橋梁頂面距離為0.4m，聲屏障厚度為0.2m，高度為3m，客車車長中點位于坐標Z=0處，聲屏障區(qū)域縱向坐標范圍為Z=－15m～25m，客車沿Z軸正向行駛.模型的尺寸及位置關系見圖3～圖4所示.

為了滿足計算精度要求，計算域長度邊界距離車頭取5.4倍車高度，距車尾取2.6倍車高度，寬度為3.5倍車寬，高度為2.6倍車高，計算域尺寸取為:長40m×寬8.8m×高9m.車身網(wǎng)格尺寸為0.2m，采用四面體非結構化網(wǎng)格進行計算域離散［5］，計算域離散網(wǎng)格數(shù)量共622637個.

圖3 橋面斷面布置圖(單位:m)

圖4 橋面平面布置圖(單位:m)

2 脈動風壓的分布

2.1 脈動風壓分布云圖

采用動網(wǎng)格技術模擬大客車以160km/h的速度運行時聲屏障表面的脈動風壓分布情況，以聲屏障靠近客車一側表面為內(nèi)表面，橋梁外側表面為外表面，內(nèi)外表面的脈動風壓分布如圖5～圖6所示.

圖5 聲屏障內(nèi)表面脈動風壓云圖

圖6 聲屏障外表面脈動風壓云圖

由云圖可見，客車表面距離防撞護欄0.5m并以160km/h的速度運行時，在聲屏障內(nèi)側產(chǎn)生的最大脈動正風壓為569Pa，最大負風壓為－720Pa;在外側產(chǎn)生的最大脈動正風壓為17.6Pa，最大負風壓為－249Pa.

作用于橋梁聲屏障等附屬設施上的壓力為內(nèi)表面和外表面壓力同時作用的有效風壓效應，有效風壓是聲屏障內(nèi)表面一點的風壓與對應位置外表面風壓的差值，聲屏障有效脈動風壓云圖如圖7所示.

圖7 聲屏障有效風壓云圖

作用于聲屏障上最大有效正風壓為569Pa，最大有效負風壓為－720Pa.車頭和車尾處的有效風壓作用范圍約為10m.上述云圖中，大客車車頭位于Z=6.67m處，車尾位于Z=－5.33m處.

2.2 有效脈動風壓縱向分布

聲屏障表面間隔為0.5m的各高度處有效風壓沿橋縱向的分布曲線如下圖8所示.

圖8 聲屏障有效風壓縱向分布曲線

由圖8可見，沿橋梁縱向有效脈動風壓曲線主要由客車車頭的“頭波”效應和車尾的“尾波”效應兩部分組成，頭波效應和尾波效應的負壓值均大于正壓值，頭波效應風壓峰值大于尾波效應風壓峰值.客車車頭前方5m范圍為頭波的正壓區(qū)，車頭后方5m范圍為頭波的負壓區(qū)，尾波的負壓區(qū)和正壓區(qū)分別出現(xiàn)在車尾的前方5m和后方5m范圍內(nèi).

2.3 有效脈動風壓豎向分布

對應圖8中聲屏障有效風壓峰值各位置處的有效脈動風壓沿高度方向的分布曲線如圖9所示.

由圖9可見，頭波有效正壓、有效負壓值在沿聲屏障高度方向先增大后減小，在聲屏障底部達到最大，而尾波有效風壓在高度為2.8m處有突變，聲屏障上的最大有效風壓峰值為頭波的負風壓，最大風壓位于聲屏障的底部.

圖9 聲屏障有效風壓豎向分布曲線

3 不同車速的脈動風壓對比

客車以不同速度行駛時聲屏障表面的最大有效風壓數(shù)值如表1所示.

表1 不同速度下最大有效風壓

由表1可見，隨著客車運行速度的增加，聲屏障有效風壓數(shù)值成非線性增大.兩者間的關系曲線見圖10.

圖10 客車不同速度行駛時聲屏障最大有效風壓曲線

4 不同距離的脈動風壓對比

客車距離防撞護欄內(nèi)邊緣不同距離運行時，聲屏障表面的脈動風壓值如下表2所示，客車的行駛速度為100km/h.

表2 客車距防撞護欄不同距離時最大有效脈動風壓數(shù)值

148－175 1.5 107－125 2 82－95 1 2.5 64－75

由表2可見，隨著客車與聲屏障間距離的增大，作用于聲屏障的有效正壓和有效負壓均逐漸降低，兩者間的關系曲線見圖11.當客車與聲屏障凈距為橋梁規(guī)范規(guī)定的最小距離0.5m時，有效脈動風壓的數(shù)值最大.

圖11 客車與聲屏障不同凈距時最大有效風壓曲線

5 大客車有效脈動風壓的公式

對分析得到的聲屏障表面有效脈動風壓數(shù)值與客車行駛速度、客車距防撞護欄邊線的距離間的關系進行曲線擬合，擬合曲線如圖12和圖13所示.

圖12 有效風壓與速度的關系擬合

圖13 有效風壓與距離的關系擬合

由圖12和圖13可以得到大客車有效脈動風壓的近似公式形式如下:

將表1和表2中數(shù)據(jù)帶入上式(1)(2)并檢驗可以得到:k1=0.0132;k2=0.0174

上式中:P為有效風壓值(Pa);v為客車的行駛速度(km/h);d為客車與防撞護欄內(nèi)邊線的距離(m).

6 結語

采用動網(wǎng)格技術對客車－聲屏障流場進行CFD數(shù)值仿真分析，得到以下結論:

1)客車的脈動風壓由頭波風壓和尾波風壓組成，頭波正壓大于負壓，尾波負壓大于正壓，尾波的最大負壓大于頭波的最大正壓值.

2)脈動風壓的影響范圍為車頭和車尾前、后各5m長度范圍內(nèi)，正負壓交替位置出現(xiàn)在車頭和車尾處.

3)客車作用于聲屏障的有效風壓隨著客車行駛速度的增加而增大，其數(shù)值近似與速度的平方成正比.

4)客車作用于聲屏障的有效風壓隨著客車與聲屏障間凈距的增大而減小.

5)采用曲線擬合得到了大客車作用于聲屏障表面的有效風壓公式，可供橋面附屬設施設計荷載的取值采用.

[1]上海道路聲屏障結構技術研究小組.上海市道路聲屏障結構調(diào)研報告[R].2010.

[2]道第三勘察設計院集團有限公司.高速鐵路設計規(guī)范(TB10621－2009).2009.

[3]王樹孝，張東，馬金勝.LCK6122大客車空氣動力性仿真分析[J].客車技術與研究，2007，(2):14－19.

[4]陳景秋，樊雪峰，胡韓飛.小轎車繞流流場的三維數(shù)值模擬[J].重慶大學學報，2004，27(10):134－137.

[5]高利，陳斌.國產(chǎn)客車車身周圍流場數(shù)值模擬的空間離散[J].中國公路學報，2001，14(1):119－122.