高鐵外流場對站臺建筑物的影響

吳 中，陶 帥

（河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京210098）

伴隨著列車運行速度的大幅度提高，列車的空氣動力問題逐漸浮出水面［1］。高速列車在行駛時，具有粘性的空氣被列車表面帶動，被迫與列車一起運動，并同時向列車周圍擴散，因此會在列車周圍很大一塊區(qū)域形成所謂的“列車風”。列車風對車站內(nèi)候車人員以及站臺建筑物都會產(chǎn)生不同程度的影響，尤其是高速列車引起的空氣運動，其影響不容忽視。列車站臺上的雨棚結(jié)構(gòu)因靠近鐵道，且本身結(jié)構(gòu)較為單薄，故較容易受到列車高速行駛產(chǎn)生空氣擾動的影響［2］。而關(guān)于風荷載對站臺建筑物所產(chǎn)生的影響，國內(nèi)外從事建筑或風工程的學(xué)者們主要關(guān)注的是自然風對建筑物的影響，以及列車振動所引起的建筑物響應(yīng)。而關(guān)于列車行駛產(chǎn)生的列車風直接對站臺建筑物的影響問題，其研究成果及相關(guān)文獻還較為少見。

因此，研究列車風對高速列車車站空間大跨度雨棚結(jié)構(gòu)的影響問題迫在眉睫，具有理論與現(xiàn)實意義。本文利用通用結(jié)構(gòu)分析非線性有限元軟件LS-DYNA［3-4］，分別對兩列車在速度300 km·h-1下，同時進站，兩列車不同方向進站，單獨一輛車進站4種不同情況進行數(shù)值模擬，給出雨棚在四種情況下的受力云圖，得出其最大值以及最危險區(qū)域。

1 計算模型的建立

1.1 列車模型

本文主要參考CRH380A型列車進行列車模型的建立，并對真實列車模型作一些簡化。列車選定為三車編組（頭車+中間車+尾車）模型。尺寸為65 m×3 m×3.6 m。當前國內(nèi)外處理長細比較大的問題［5］，大多采用縮短研究對象長度這一簡化方法［6］。由于真實列車表面并非光滑，有小至螺釘、車燈、門把手，大至受電弓、轉(zhuǎn)向架等凸出物，對于縮短的列車模型，不可能精確模擬出其邊界層的真實情況［7］，所以本文忽略車頂電機及受電弓等凹凸結(jié)構(gòu)，將列車表面視為光滑曲面。所建模型列車見圖1。

圖1 列車模型圖Fig.1 The diagram of train model

1.2 站臺-空氣模型

本文主要參照某高鐵站臺建立其簡化模型，站臺雨棚長100 m，雨棚柱每8.5～9 m一根。對于空氣流場，理論上是無限大的，且計算結(jié)果的真實性正比于計算區(qū)域的范圍，但實際計算空間不可能為無限大區(qū)域，模擬區(qū)域增大的后果會導(dǎo)致網(wǎng)格總數(shù)的增多。相應(yīng)的，對計算硬件的要求也會提高，同時，模擬時間將增大。如此，也就無法體現(xiàn)數(shù)值模擬計算的優(yōu)越性。當計算區(qū)域的規(guī)模大至一定程度后，增大計算區(qū)域，對計算結(jié)果的準確性影響甚微，所以，應(yīng)選取大小合適的流體區(qū)域，使之既符合計算硬件的要求，又同時滿足計算結(jié)果的精度要求，本文所建立的空氣域模型尺寸為180 m×50 m×20 m。其整體站臺-空氣-列車模型圖見圖2。

圖2 站臺-空氣-列車模型圖Fig.2 The diagram of platform-air-train model

1.3 模型的設(shè)置

1.3.1 列車的設(shè)置

由于本文討論的側(cè)重點在于列車運行造成的空氣擾動對雨棚的受力情況，故車體采用MAT_RIGID材料［8］，可以加快計算速度，也便于后期在LS-PrePost 中對雨棚受力結(jié)果云圖的提取。模型設(shè)置的列車單元的屬性為SECTION_SHELL。在約束方面，僅對車體表面所有節(jié)點在列車前進方向上釋放其移動自由度，限制其他兩個方向上的移動自由度和所有3個方向上的轉(zhuǎn)動自由度。對于列車的速度的設(shè)置，因為列車速度越大，對空氣的擾動越大，雨棚受力越大，我國的高鐵運行速度最大一般在300 km·h-1左右，所以本次主要模擬列車在最大運行速度300 km·h-1下對雨棚的受力影響。因為列車頭部線性較為復(fù)雜，所以本次模擬中對其采用四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格混合的方式劃分。兩列車共34 256個節(jié)點，34 500個單元。

1.3.2 雨棚的設(shè)置

本次模擬中雨棚采用MAT_ELASTIC 材料，其單元屬性為SECTION_SHELL．限制雨棚底端邊界上所有節(jié)點在3個方向上的移動自由度和轉(zhuǎn)動自由度。由于四邊形網(wǎng)格單元的應(yīng)變?yōu)橐淮魏瘮?shù)關(guān)系，其計算精度高，故雨棚所用網(wǎng)格均采用規(guī)則的四邊形網(wǎng)格。本文重點分析雨棚的受力情況，故本次模擬中雨棚網(wǎng)格劃分得較為細密，共89 309個節(jié)點，89 758個單元。

1.3.3 空氣域的設(shè)置

本次模擬空氣采用MAT _ NULL 材料，單元屬性為SECTION_SOLID_ALE，狀態(tài)方程采用關(guān)鍵字EOS_LINEAR_POLYNOMIAL_WITH_ENERGY_LEAK。為了進一步減小空氣域邊界對雨棚的受力的干擾，防止其對模擬結(jié)果的準確性產(chǎn)生影響，故設(shè)定空氣域的6 個面均為無反射邊界條件，采用關(guān)鍵字BOUNDARY_NON_REFLECTING?？諝庥蚺c雨棚及列車的接觸均設(shè)置為CONSTRAINED _ LAGR ANGE_IN_SOLID。由于空氣域形狀較為規(guī)則，為了使計算結(jié)果更容易收斂，盡量減小計算時間和網(wǎng)格離散誤差，其網(wǎng)格均采用正六面體網(wǎng)格，共136 836個節(jié)點，125 460個單元。

1.3.4 計算時間的設(shè)置

由于本次所建立的空氣域模型尺寸為180 m×50 m×20 m，所以時間的設(shè)置要保證兩輛列車從車頭進入空氣域到車尾離開空氣域，這樣才能更加與實際列車進站的情況貼切，所以本次模擬中所設(shè)置的計算時間為5 s。

2 計算結(jié)果及分析

2.1 4種情況受力分析

雨棚在列車進站時所受應(yīng)力是由于列車在明線上高速行駛時，會帶動列車附近區(qū)域內(nèi)的空氣隨之一起運動，形成了“列車風”這種特殊的非定常流。隨著列車速度的加快，列車風會逐漸加強，周圍空氣的擾動就隨之加大。由于列車風的存在，必然會對列車周圍的空氣流動產(chǎn)生影響，從而改變了周圍建筑物及列車自身所受的風荷載。下面重點分析雨棚在t=0.5和t=1.06 s時，左邊列車進站，右邊列車?？吭谡九_內(nèi)（以下簡稱A種情況），右邊列車進站，左邊列車?？吭谡九_內(nèi)（以下簡稱B種情況），兩列車同向進站時（以下簡稱C種情況），兩列車逆向行駛過站臺（以下簡稱D種情況）的受力情況。

在t=0.5 s時，如圖3，列車頭才駛?cè)胝九_，由于列車頭部擠壓空氣，造成流場內(nèi)空氣擾動，對雨棚表面產(chǎn)生受力。A種情況下，如圖3（a），靠近列車頭的雨棚單元受力比較明顯，且左邊雨棚受力區(qū)域明顯比右邊雨棚受力區(qū)域大。B 種情況下，如圖3（b），右邊雨棚受力比左邊大，且受力區(qū)域在右邊雨棚上呈條狀分布。C種情況下，如圖3（c）兩列車的車頭同時擠壓空氣，造成空氣的擾動更加明顯，左右兩邊的雨棚的受力明顯增大。D種情況下，如圖3（d），兩邊的空氣都被車頭擠壓，可以明顯的看出雨棚的受力區(qū)域增大，整個雨棚都處在受力狀態(tài)下。

圖3 t=0.5s時雨棚等效應(yīng)力圖Fig.3 The diagram of canopy’s Von Mises stress when the time is 0.5 seconds

在t=1.06 s時，如圖4，此時列車頭基本駛?cè)胝九_內(nèi)，a種情況下，如圖4（a），右邊雨棚受力區(qū)域沒有左邊大，這是因為右邊有列車?？?，對右邊雨棚起到一定的保護作用，同理在b種情況下，如圖4（b）左邊雨棚因受到左邊?？康牧熊嚨谋Ｗo作用，受力也比右邊小，c種情況下，如圖4（c），此時兩列車頭附近的雨棚受力較其它地方雨棚更大，且呈塊狀分布，d種情況下，如圖4（d）左右兩邊雨棚受力情況比較復(fù)雜，塊狀分布明顯。由于兩車即將會車，造成空氣擾動更加劇烈。

通過對4種情況的數(shù)值模擬，如下表5給出雨棚在不同情況下的受力最大值，及最大值所在的單元以及出現(xiàn)的時間。

圖4 t=1.06 s時雨棚等效應(yīng)力圖Fig.4 The diagram of canopy’s Von Mises stress when the time is 1.06 seconds

表5 雨棚在不同情況下的最大應(yīng)力值Tab.5 The maximum stress of canopy in different situations

3 結(jié)論

本文就列車行駛過站臺對雨棚受力這一問題上，通過對4種情況的數(shù)值模擬，可以知道當兩列車同時駛?cè)胝九_后，雨棚的受力較其它3種情況都大。且通過后期的數(shù)據(jù)提取我們也知道了其最大應(yīng)力值，以及其所在的單元。通過對列車駛過站臺雨棚受力的模擬可以為以后高速列車車站新型雨棚的設(shè)計提供參考依據(jù)，還能成為雨棚改造的理論基礎(chǔ)，從而保證大跨度空間建筑結(jié)構(gòu)的安全性。由于本模擬內(nèi)容量較大，沒有進行實測校驗和風洞實驗。因此，本模擬僅具有定性意義，期待實際工程的修正與檢驗。

[1]前田達夫,江慧.高速鐵路的空氣動力學(xué)現(xiàn)象與環(huán)境問題[J].變流技術(shù)與電力牽引,2000,15(2):35-37.

[2]張江,尹越,羅躍名.某火車站站臺雨棚結(jié)構(gòu)風振系數(shù)計算[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報,2011,30(4):91-94.

[3]Livermore Software Technology Coporation.LS-DYNA Theoretical Manual[M].2876 Waverley Way Livermore, California, 2007:18-28.

[4]Livermore Software Technology Coporation.LS-DLYNA Keyword user manual version[M].2876 Waverley Way Livermore,California,2007:32-40.

[5]GERD MATSCHKE.Computational simulation of aerodynamic forces and side wind behavior of railway vehicles[C]//European Congress on Computational Methodsin Applied Sciences and Engineering,Barcelona:2000:11-14.

[6]崔濤,張衛(wèi)華,張曙光,等.列車高速通過站臺時的流固耦合振動研究[J].中國鐵道科學(xué),2010,31(2):50-55.

[7]宋洋,任尊松.強側(cè)向風作用下的高速列車動力學(xué)性能研究[J].鐵道車輛,2006,44(10):4-8.

[8]吳中,蘇治北.室內(nèi)停車場防撞帶設(shè)計的碰撞仿真分析[J].華東交通大學(xué)學(xué)報,2014,31(4):21-25.