大風(fēng)區(qū)橋梁擋風(fēng)屏抗風(fēng)性能研究

權(quán)曉亮

（四川都汶公路有限責(zé)任公司，成都　610041）

大風(fēng)區(qū)橋梁擋風(fēng)屏抗風(fēng)性能研究

權(quán)曉亮

（四川都汶公路有限責(zé)任公司，成都610041）

【摘要】我國(guó)大風(fēng)區(qū)分布廣泛，自然條件惡劣，列車脫軌、傾覆事故頻發(fā)。本文采用CFD數(shù)值計(jì)算的方法，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而對(duì)橋梁擋風(fēng)屏的氣動(dòng)參數(shù)進(jìn)行分析研究。

【關(guān)鍵詞】CFD數(shù)值計(jì)算；風(fēng)洞模型試驗(yàn)；擋風(fēng)屏；氣動(dòng)力參數(shù)

0　前言

我國(guó)的大風(fēng)多發(fā)區(qū)主要有三個(gè)：青藏高原的大部分地區(qū)、新疆西北部以及內(nèi)蒙古中北部地區(qū)、東南沿海地區(qū)及其附近的島嶼，此區(qū)域的特點(diǎn)為自然條件惡劣、大風(fēng)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、人煙稀少，鐵路風(fēng)災(zāi)嚴(yán)重。根據(jù)既有新疆鐵路資料，自開(kāi)通運(yùn)營(yíng)以來(lái)，鐵路運(yùn)輸因風(fēng)災(zāi)造成事故頻發(fā)，發(fā)生了至少32起列車脫軌、傾覆事故，造成了貨車約100節(jié)，客場(chǎng)10節(jié)［12］損毀；而造成的列車停運(yùn)次數(shù)更是無(wú)法統(tǒng)計(jì)，已經(jīng)嚴(yán)重影響了鐵路運(yùn)營(yíng)安全與正常運(yùn)營(yíng)［3］，也造成了不良的社會(huì)影響。

根據(jù)日本新干線的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)［4］，在橋梁或者路基上設(shè)置合適的擋風(fēng)屏，在同樣風(fēng)速下運(yùn)行，列車運(yùn)行速度得到提高，并且停運(yùn)次數(shù)得到明顯改善，風(fēng)對(duì)列車的不利影響也能顯著降低。本文通過(guò)建立數(shù)值模型，選擇合理的擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)型式，模擬列車在擋風(fēng)屏作用下，列車氣動(dòng)參數(shù)的變化。

1　擋風(fēng)屏的形式與研究方法

通過(guò)綜合分析已有鐵路防風(fēng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，滿足擋風(fēng)效果明顯、結(jié)構(gòu)合理、堅(jiān)固耐久、美觀協(xié)調(diào)條件，提出與梁體連接的板式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)方案。

目前，橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)研究方法有［5］：風(fēng)洞模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。

風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確控制試驗(yàn)條件、受外界氣候條件和時(shí)間的影響較小、風(fēng)洞模型試驗(yàn)比較安全可靠，而且試驗(yàn)效率高且成本低等優(yōu)點(diǎn)。其自身的不足主要有邊界效應(yīng)或者邊界干擾、支架干擾、相似準(zhǔn)則不滿足等。

CFD數(shù)值模擬可以重復(fù)計(jì)算，具有成本低、周期短、精度相對(duì)高等特點(diǎn)，計(jì)算參數(shù)可以采用試算法估計(jì)，逐漸提高精度，減少了模型試驗(yàn)的盲目性，反過(guò)來(lái)可以輔助指導(dǎo)試驗(yàn)。

2　列車氣動(dòng)力的二維CFD計(jì)算

計(jì)算采用了兩種類型的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)：半封閉和全封閉模型，半封閉擋風(fēng)屏高度為4米，兩個(gè)模型透風(fēng)率均取20%，在箱型橋梁下，計(jì)算列車的氣動(dòng)力。

在劃分單元網(wǎng)格時(shí)，接近車橋的網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其他區(qū)域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)約為30萬(wàn)。流體進(jìn)口設(shè)置為速度邊界條件；流體出口設(shè)置為壓力邊界條件；上下設(shè)滑移壁面條件。湍流強(qiáng)度取0.5%［6］。

計(jì)算結(jié)果表明：對(duì)于半封閉結(jié)構(gòu)，在無(wú)擋風(fēng)屏?xí)r，上側(cè)車的側(cè)力系數(shù)為0.94，升力系數(shù)為0.66，力矩系數(shù)為0.31；有擋風(fēng)屏上側(cè)車時(shí)，車的側(cè)力系數(shù)為0.25，升力系數(shù)為0.04，力矩系數(shù)為0.20；有擋風(fēng)屏下側(cè)車時(shí)，車的側(cè)力系數(shù)為0.08，升力系數(shù)為-0.01，力矩系數(shù)為0.06；

對(duì)于全封閉結(jié)構(gòu)，在無(wú)擋風(fēng)屏?xí)r，上側(cè)車的側(cè)力系數(shù)為0.98，升力系數(shù)為0.64，力矩系數(shù)為0.30；有擋風(fēng)屏上側(cè)車時(shí)，車的側(cè)力系數(shù)為0.21，升力系數(shù)為0.02，力矩系數(shù)為0.08；有擋風(fēng)屏下側(cè)車時(shí)，車的側(cè)力系數(shù)為0.04，升力系數(shù)為0.01，力矩系數(shù)為0.02；

由此可得：

1）設(shè)置了半封閉和全封閉擋風(fēng)屏后，列車的三分力系數(shù)均大幅降低，擋風(fēng)屏的效果比較好。

2）半封閉擋風(fēng)屏相對(duì)于無(wú)擋風(fēng)屏，上側(cè)列車的側(cè)力系數(shù)從0.94降低到0.25，降低了三倍，側(cè)翻力矩系數(shù)從0.31降低到0.2，也相應(yīng)的降低了50%；全封閉擋風(fēng)屏相對(duì)于無(wú)擋風(fēng)屏，下側(cè)列車側(cè)力系數(shù)從0.98降低到0.21，降低了了4倍，側(cè)翻力矩系數(shù)從0.30降低到0.08，降低了3倍之多，封閉擋風(fēng)屏在強(qiáng)風(fēng)條件下，作用顯著。

3）由于大風(fēng)區(qū)風(fēng)向的不固定性，雙側(cè)封閉擋風(fēng)屏更為有利，全封閉擋風(fēng)屏擋風(fēng)效果好于半封閉擋風(fēng)屏，但其工程造價(jià)要高些。

3　列車三分力系數(shù)數(shù)值計(jì)算與風(fēng)洞試驗(yàn)的對(duì)比

半封閉擋風(fēng)屏，擋風(fēng)屏高4米，透風(fēng)率為20%，內(nèi)側(cè)有車情況下，數(shù)值計(jì)算側(cè)力系數(shù)為0.253，升力系數(shù)為0.036，側(cè)翻力矩系數(shù)為0.201；節(jié)段模型試驗(yàn)側(cè)力系數(shù)為0.226，升力系數(shù)為0.050，側(cè)翻力矩系數(shù)為0.228；由此可得，二維數(shù)值模擬與1：30縮尺比例的模型試驗(yàn)結(jié)果相差不大，側(cè)力系數(shù)誤差為4%，側(cè)翻力矩系數(shù)誤差為3%，數(shù)值計(jì)算結(jié)果可信。

4　結(jié)論

1）采用典型截面進(jìn)行二維簡(jiǎn)化數(shù)值模擬，有效的節(jié)約了計(jì)算成本。

2）設(shè)置與梁體連接的板式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)合理，計(jì)算出的列車三分力系數(shù)得到明顯降低，擋風(fēng)效果顯著。

3）通過(guò)數(shù)值模擬表面，橋梁上設(shè)置透風(fēng)率20%的封閉擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)，列車運(yùn)行時(shí)的側(cè)力和側(cè)翻力矩都降低到最優(yōu)。從而能夠減少列車側(cè)翻、停運(yùn)等事故，確保風(fēng)區(qū)列車行車安全。

4）列車的氣動(dòng)性能深入研究還需結(jié)合實(shí)車試驗(yàn)以及風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)加以綜合分析研究。

【參考文獻(xiàn)】

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［2］鄭繼平.南疆線橋梁擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)性能研究［D］.西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008.

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［7］江帆，黃鵬.FLUENT高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析［M］.清華大學(xué)出版社.2008.

［8］韓占忠，王敬等.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與分析［M］.北京理工大學(xué)出版社.2009.

【作者簡(jiǎn)介】

權(quán)曉亮（1986-），男，陜西扶風(fēng)人，助理工程師，碩士研究生。專業(yè)：橋梁與隧道工程。研究方向：橋梁抗風(fēng)。