高速列車運(yùn)行對鐵路簡支箱梁空氣動力特性的影響

肖 軍，李小珍，劉德軍

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

高速列車運(yùn)行對鐵路簡支箱梁空氣動力特性的影響

肖 軍，李小珍，劉德軍

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

列車—橋梁系統(tǒng)的空氣動力特性不僅受組合斷面上的氣動繞流影響，而且在順橋向列車對橋梁的影響還呈現(xiàn)出非均勻性及動態(tài)變化。以高速列車通過鐵路雙線32 m簡支梁橋為例，分析頭車前35 m至尾車后35 m范圍內(nèi)的橋梁三分力系數(shù)變化規(guī)律，得到了高速列車運(yùn)行對該型橋梁不同位置斷面空氣動力特性的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，在任意時刻列車對鐵路橋梁的空氣動力特性影響都可劃分為覆蓋區(qū)、過渡區(qū)和無影響區(qū)3個區(qū)段，且隨著列車在橋上的運(yùn)行，列車對橋梁的影響區(qū)域在動態(tài)變化。提出了一種移動窗口模型方法來動態(tài)更新橋梁不同部位的氣動力系數(shù)。該方法真正實現(xiàn)了列車—橋梁系統(tǒng)的動態(tài)氣動耦合，能夠更為精確地模擬風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合分析中的動態(tài)風(fēng)荷載。

高速列車 簡支箱梁橋 氣動特性 動態(tài)風(fēng)荷載

風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合分析中，風(fēng)荷載的準(zhǔn)確模擬對車橋耦合振動有很大影響。車橋系統(tǒng)所受的風(fēng)荷載包括列車所受的時變風(fēng)荷載和橋梁所受的時變風(fēng)荷載。對于等截面橋梁，列車在與橋梁相對運(yùn)動的過程中，橋梁對列車的空氣動力特性的影響規(guī)律保持一致，但是當(dāng)列車運(yùn)行到橋梁的不同部位，同一橋梁斷面將受到不同的列車?yán)@流的影響。研究列車對橋梁的空氣動力特性的影響規(guī)律對于準(zhǔn)確模擬橋梁所受的氣動荷載有實際意義。

在建立風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合分析模型時，通常在車橋耦合系統(tǒng)基礎(chǔ)上將風(fēng)作為一種外部激勵加以考慮［1-4］。針對車橋系統(tǒng)風(fēng)荷載的模擬，通常依據(jù)風(fēng)洞試驗或者 CFD(Computational Fluid Dynamics)數(shù)值風(fēng)洞模擬得到在車、橋相互影響情況下的氣動力系數(shù)［5-7］，然后根據(jù)橋址區(qū)風(fēng)特性并考慮其空間相關(guān)性，數(shù)值模擬出沿橋塔及主梁分布的隨機(jī)風(fēng)速場［8］，進(jìn)而分別求解列車和橋梁在任意位置所受到的氣動力。但是，已有研究大多僅考慮了橋上有車與無車時的氣動力差異，并未考慮列車從頭車入橋到尾車出橋全過程中列車對橋梁的動態(tài)氣動影響范圍及規(guī)律。對于小跨度橋梁，由于橋梁剛度較大，且從頭車入橋到尾車出橋的總時間較短，此種簡化分析不會對風(fēng)—車—橋系統(tǒng)響應(yīng)帶來過大的影響。文獻(xiàn)［2］認(rèn)為橋梁斷面的氣動特性隨列車的到達(dá)和離去而改變，整個主梁所受風(fēng)荷載隨列車的運(yùn)行而動態(tài)變化，但在考慮列車對橋梁的氣動影響范圍方面，僅僅是以車頭和車尾為界簡單劃分為列車覆蓋區(qū)和未覆蓋區(qū)，并分別采用有車和無車情況下的氣動系數(shù)加以考慮。該方法考慮了列車從頭車入橋到出橋的全過程中列車對橋梁的動態(tài)氣動影響過程，但是未考慮列車對橋梁氣動特性的影響范圍。冉瑞飛［9］采用 CFD軟件分析了 CRH2型列車位于簡支梁和連續(xù)梁上時，橋梁不同斷面位置的氣動力系數(shù)，給出了氣動力變化曲線，但是未對車橋相互影響規(guī)律進(jìn)行深入分析，也未將其應(yīng)用于風(fēng)—車—橋耦合分析。顯然，列車對橋梁氣動特性的影響應(yīng)是限定在從頭車以前至尾車以后的特定區(qū)域，已有的關(guān)于風(fēng)—車—橋耦合分析的文獻(xiàn)均未對此加以考慮。

本文以CRH3型高速列車及鐵路雙線32 m簡支箱梁為例，分析了橋上有車時，從頭車以前35 m至尾車以后35 m范圍內(nèi)的橋梁三分力系數(shù)變化規(guī)律，得到了CRH3型列車對該型橋梁斷面的氣動影響范圍及其規(guī)律。提出了一種移動窗口模型方法用于更為精確地模擬風(fēng)—車—橋耦合系統(tǒng)中的動態(tài)風(fēng)荷載。該方法對于風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合分析尤其是大跨度柔性橋梁如大跨度懸索橋、大跨度斜拉橋等的風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合分析具有重要的意義［10-11］。

1 列車過橋?qū)蛄旱臍鈩佑绊戇^程

1.1 列車—橋梁系統(tǒng)氣動特性

在車橋系統(tǒng)耦合分析中，通常將橋梁和列車作為兩個獨立的子系統(tǒng)分離迭代求解，因此需要分別獲取列車和橋梁的氣動力。橋梁上的列車處于橋梁的氣動繞流之中，其所受氣動力受橋梁幾何輪廓的影響。同理，橋梁也會受其上列車?yán)@流的影響。采用一種三分力測試裝置——交叉滑槽系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于測量車橋系統(tǒng)中列車和橋梁各自的氣動力，針對京滬高鐵南京長江大橋的氣動特性進(jìn)行了節(jié)段模型測試［7］，部分測試結(jié)果見表1。

表1 南京長江大橋節(jié)段模型測試結(jié)果

從表1可見，橋梁所受的氣動力受列車的影響非常明顯。其中側(cè)向力系數(shù)列車位于迎風(fēng)側(cè)較無車時減小了19%，背風(fēng)側(cè)較無車時減小18%;升力系數(shù)列車位于迎風(fēng)側(cè)及背風(fēng)側(cè)分別比無車時增大68%，110%;力矩系數(shù)在迎風(fēng)和背風(fēng)情況下都出現(xiàn)了反向。因此，在考慮橫向風(fēng)作用進(jìn)行車橋耦合分析時，有必要考慮橋梁和列車兩者的相互氣動耦合影響。

1.2 列車過橋的影響

為精確分析列車對橋梁的動態(tài)氣動影響，不僅需要考慮列車—橋梁系統(tǒng)在橫斷面上的相互氣動干擾，還需考慮列車從頭車入橋到尾車出橋的全過程中在橋梁縱向上的影響。如圖1所示，在任意時刻都可將列車對橋梁的氣動影響區(qū)域劃分為覆蓋區(qū)、過渡區(qū)和無影響區(qū)。從列車頭車入橋到尾車出橋全過程中，列車與橋梁的相對位置關(guān)系處于動態(tài)的變化中。入橋過程中，覆蓋區(qū)逐步加大，過渡區(qū)不斷向前移動;如果橋梁足夠長，列車全部進(jìn)入橋上后，覆蓋區(qū)及頭車前和尾車以后的過渡區(qū)均向前移動;列車出橋過程中，覆蓋區(qū)逐漸減小，尾車過渡區(qū)繼續(xù)向前移動，直至整車出橋。

圖1 列車對橋梁的氣動影響過程示意

從圖1可以看出，從入橋到出橋全過程中列車對橋梁的氣動影響是動態(tài)的，任意時刻(位置)列車對橋梁不同部位的氣動影響也是不一樣的。列車—橋梁系統(tǒng)的相互氣動影響不僅體現(xiàn)在橫斷面上的氣動繞流，同時在橋梁縱向上也呈現(xiàn)動態(tài)變化。為更精確地模擬橋梁所受到的動態(tài)風(fēng)荷載，有必要研究任意時刻橋梁上覆蓋區(qū)、過渡區(qū)及無影響區(qū)的分布規(guī)律。

2 列車—橋梁系統(tǒng)CFD仿真分析

為了確定列車對橋梁的氣動影響范圍及影響規(guī)律，以CRH3型列車及鐵路32 m雙線簡支箱梁為例進(jìn)行了CFD仿真分析。為了便于分析，對橋梁斷面上的欄桿等附屬設(shè)施進(jìn)行了適當(dāng)簡化，如圖2所示。

圖2 橋梁斷面簡化

2.1 三維CFD仿真模型

圖3 模型網(wǎng)格劃分

建立了三維CFD仿真分析模型(如圖3)，并分別進(jìn)行了迎風(fēng)側(cè)列車—橋梁系統(tǒng)CFD求解。幾何模型建模及網(wǎng)格劃分采用 ANSYS/ICEM，CFD求解采用ANSYS/FLUENT 14.5。網(wǎng)格數(shù)量為7 868 686，均為四面體網(wǎng)格;FLUENT求解采用 Viscous-Standard k-e，Standard Wall Fn模型，入口采用Velocity inlet，出口采用outflow邊界。為監(jiān)測橋梁斷面不同位置的氣動力，在從頭車前35 m至尾車后35 m范圍內(nèi)每隔0.2 m劃分一個橋梁節(jié)段進(jìn)行監(jiān)測，如圖4所示。

圖4 橋梁監(jiān)測斷面位置分布

2.2. 列車對不同位置橋梁斷面的氣動影響

橋梁斷面三分力的正方向如圖5所示。為分析列車對不同位置橋梁斷面的氣動影響，分別對比了有車和無車情況下從頭車前35 m至尾車后35 m范圍內(nèi)不同橋梁斷面的三分力系數(shù)，如圖6所示?？梢?橋梁斷面所受的側(cè)向力、升力及力矩系數(shù)均在遠(yuǎn)離列車時趨近橋上無車情況下的氣動力系數(shù);在頭車及尾車的端部位置，橋梁氣動特性出現(xiàn)明顯的變化。

圖5 橋梁三分力正方向示意

從圖6可見，列車對橋梁斷面的耦合氣動影響呈現(xiàn)出復(fù)雜的形態(tài)，其原因如下:經(jīng)橋梁及車體的繞流，氣流在橋梁縱向上發(fā)生波動，同時不同的脈動成分必然會引起各監(jiān)測斷面監(jiān)測值的周期性變化。

圖6 橋梁斷面氣動特性參數(shù)沿橋分布

為了研究列車對橋梁各斷面靜力平均氣動力系數(shù)的影響規(guī)律，需要分析出主要的氣動力成分。為此，本文采用基于HHT理論的EMD方法(經(jīng)驗?zāi)B(tài)分析法)對CFD仿真結(jié)果進(jìn)行 EMD分解［12］，提取出主要分量，同時認(rèn)為其他模態(tài)是由于CFD數(shù)值求解的波動帶來的，忽略其影響。

圖7給出了橋上有車(單線迎風(fēng))情況下不同位置橋梁監(jiān)測斷面氣動力系數(shù)分布經(jīng)EMD分解后的結(jié)果。圖中，IMF指的是本征模函數(shù)(Intrinsic Mode Function)。受監(jiān)測斷面數(shù)量的限制，對各監(jiān)測斷面共分解出4階IMF以及一個趨勢項。由圖7可知，橋梁斷面氣動力的前4階IMF均呈現(xiàn)出周期性波動的變化規(guī)律，且其絕對數(shù)值均較小，可認(rèn)為是CFD數(shù)值求解帶來的波動成分，忽略其影響。而EMD分解得到的趨勢項(殘余項)，其絕對數(shù)值均較大，可認(rèn)為是有車情況下的橋梁斷面氣動力系數(shù)的主要成分。

圖7 橋梁斷面氣動特性參數(shù)EMD分解

2.3 影響范圍及規(guī)律分析

從圖7還可看出，橋梁各斷面的氣動力系數(shù)由覆蓋區(qū)有車情況下的氣動力系數(shù)近似線性地變化到無影響區(qū)的無車情況下的氣動力系數(shù)。

圖8反映的是當(dāng)列車行進(jìn)到橋梁的某一個部位時橋梁斷面的氣動特性分布規(guī)律。其中A至F代表氣動特性曲線，AB段及EF段為列車對橋梁氣動特性無影響區(qū)，BC段和DE段為過渡區(qū)，CD段為覆蓋區(qū)。過渡區(qū)約有20～30 m，約為1倍頭車的長度。可見，列車對橋梁氣動特性影響的過渡區(qū)域范圍較大，在風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合分析時不可忽略。為簡化處理可將過渡區(qū)的影響按照等效原則，以過渡區(qū)的1/2(約為頭車長的1/2)延伸覆蓋區(qū)。

圖8 高速列車對橋梁的氣動影響

3 列車—橋梁系統(tǒng)動態(tài)氣動耦合簡化模型

3.1 傳統(tǒng)的車橋系統(tǒng)氣動特性簡化模型

高速列車在橫向風(fēng)作用下運(yùn)行，風(fēng)—車—橋系統(tǒng)的響應(yīng)需要考慮列車—橋梁系統(tǒng)的氣動耦合，這主要體現(xiàn)在:首先，列車—橋梁在斷面上存在著相互氣動繞流影響;其次，列車對橋梁的氣動影響是有一定范圍的，即本文探討的過渡區(qū)的問題;另外，還體現(xiàn)在隨著列車運(yùn)行，列車與橋梁的相對位置是處在動態(tài)變化中的。風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合振動分析中，出于不同的考慮，采用了不同的風(fēng)荷載簡化計算模型，如圖9所示，針對不同的計算分析需要各種簡化模型都能得到較為合理的結(jié)果。例如，簡化模型1考慮了列車—橋梁組合斷面相互氣動繞流影響，但未考慮列車運(yùn)行對橋梁斷面的動態(tài)影響，而是將橋梁的氣動特性視為常數(shù)。該簡化模型用于小跨度橋梁，由于高速列車上橋的時間極短，且橋梁剛度較大，其分析結(jié)果是可以接受的。然而，對于大跨度橋梁，由于列車在橋上的運(yùn)行時間較長且橋梁剛度較小，橋梁氣動特性的差異必然引起車橋耦合響應(yīng)較大的差異，在這種情況，需考慮列車的運(yùn)行對橋梁氣動特性的動態(tài)影響。簡化模型2即是考慮了列車運(yùn)行情況下由于列車到達(dá)和離開而引起橋梁氣動特性動態(tài)變化。更進(jìn)一步，根據(jù)對列車對橋梁氣動影響過渡區(qū)的分析，提出一種考慮過渡區(qū)的簡化模型，即簡化模型3。該簡化模型考慮了列車對橋梁的氣動影響范圍且考慮了列車運(yùn)行的影響。3.2 移動窗口更新模型的實現(xiàn)流程

圖9 車橋系統(tǒng)氣動特性簡化模型

如前所述，自頭車進(jìn)橋開始，列車處于任意位置對橋梁的氣動力影響范圍均是有限的，此范圍以外可按照橋上無車情況考慮?；谇笆鯟FD仿真分析結(jié)果，提出一種考慮列車對橋梁氣動影響范圍的移動窗口模型用于動態(tài)更新橋梁所受的動態(tài)氣動力系數(shù)，其流程如圖10所示。

圖10 考慮列車影響的移動窗口更新模型

從列車上橋開始，在車橋迭代計算的任一時間步(或者根據(jù)列車的行駛速度設(shè)定特定的時間步數(shù)，以行駛距離加以控制)，首先識別橋梁所處的位置;然后，根據(jù)風(fēng)洞試驗及CFD仿真分析的結(jié)果，確定列車與橋梁的氣動影響參數(shù)(包括車橋覆蓋區(qū)、過渡區(qū)及無影響區(qū)的車、橋的氣動力系數(shù))，分別計算橋梁和列車在當(dāng)前時刻所受到的氣動力;最后，進(jìn)行車橋分離迭代求解直至尾車出橋。

4 結(jié)論

對于風(fēng)—車—橋系統(tǒng)耦合振動分析，如果不精確考慮列車對橋梁氣動特性的影響范圍，必然會使得橋梁氣動特性的差異隨列車由入橋到出橋整個過程發(fā)生持續(xù)的動力放大，最終導(dǎo)致車橋系統(tǒng)的動力時程響應(yīng)出現(xiàn)較大的差異。本文基于CRH3型列車通過雙線鐵路32 m簡支梁的CFD計算分析，得到以下結(jié)論:

1)列車從頭車入橋到尾車出橋的全過程，根據(jù)列車對橋梁不同位置斷面的氣動影響范圍，可將橋梁劃分為覆蓋區(qū)、過渡區(qū)及無影響區(qū)。

2)在過渡區(qū)，可近似認(rèn)為橋梁的氣動力系數(shù)由覆蓋區(qū)所對應(yīng)的有車情況下的氣動力系數(shù)線性過渡到無影響區(qū)所對應(yīng)的無車情況下的氣動力系數(shù)，并建議將覆蓋區(qū)延長頭車(或尾車)長度的1/2來近似考慮過渡區(qū)的影響。CRH3型列車和32 m簡支梁的過渡區(qū)長度約為頭車長度的1倍。

3)提出了一種移動窗口模型來考慮列車對橋梁氣動特性的動態(tài)影響。該方法使得風(fēng)—車—橋耦合系統(tǒng)中列車—橋梁的氣動力真正實現(xiàn)了動態(tài)耦合。

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Influence of high speed train running on aerodynamic characteristics of railway simple-supported box-girder

XIAO Jun，LI Xiaozhen，LIU Dejun
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he aerodynamic characteristics of train-bridge system are affected by the aerodynamic flow on a hybrid cross section and the effect of vehicle on bridge presents a non-homogeneous and dynamic variation along the bridge direction.T aking the high speed train passing through railway double line 32 m simple-supported box-girder bridge as an example，the variation law of bridge three-component aerodynamic coefficients from 35 m ahead first vehicle to 35 m behind the last vehicle was analyzed and the influence law of high speed train movement on aerodynamic characteristics of different bridge cross section was obtained.T he results indicated that effect of train on aerodynamic characteristics of railway bridge could be divided into 3 sections including the coverage area，the transition zone and the non-influence area at any time and the influence area changes dynamically with the train passing through the bridge.T his paper presented a moving window model to dynamically update the aerodynamic coefficients of different bridge parts and has realized the dynamic aerodynamic coupling of vehicle-bridge system，which could precisely simulate the dynamic wind load of wind-vehicle-bridge coupling system.

High speed train;Simple-supported box-girder bridge;Aerodynamic characteristics;Dynamic wind load

U448.21+3;U238

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.01

(責(zé)任審編 李付軍)

2015-05-21;

:2015-07-13

國家自然科學(xué)基金高鐵聯(lián)合基金項目(U1434205);國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973)項目(2013CB036301)

肖軍(1987— )，男，博士研究生。

1003-1995(2015)11-0001-05