風(fēng)屏障透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

何　瑋, 郭向榮, 鄒云峰, 何旭輝

(1 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙　410075；2 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，長沙　410075)

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風(fēng)屏障透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

何瑋1,2, 郭向榮1,2, 鄒云峰1,2, 何旭輝1,2

(1 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，長沙410075；2 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，長沙410075)

橋面相對于地面高度較大使得橋面處風(fēng)速較大，且列車與橋梁間氣動(dòng)干擾往往會(huì)增加列車受到的風(fēng)荷載，進(jìn)一步增加橋上行車的安全風(fēng)險(xiǎn)。目前提高行車安全的措施主要包括:優(yōu)化車輛斷面形狀，通過強(qiáng)風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)控制列車運(yùn)行速度以及設(shè)置風(fēng)屏障[1]。其中，優(yōu)化車輛斷面形狀無法適用于已有車輛，列車的限速或停運(yùn)則會(huì)影響運(yùn)營效率，而設(shè)置風(fēng)屏障可保證列車的全天候運(yùn)行，相比前兩種措施更高效可行。因此，研究風(fēng)屏障的行車防風(fēng)性能非常必要。

國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過對風(fēng)屏障防風(fēng)性的廣泛研究后證明：風(fēng)屏障由于能給列車提供一個(gè)相對較低風(fēng)速的風(fēng)環(huán)境，可以有效提高行車安全性[2-5]。葛盛昌等[6]通過現(xiàn)場實(shí)測驗(yàn)證了設(shè)置風(fēng)屏障時(shí)列車在11級以上大風(fēng)條件下的運(yùn)行安全性；姜翠香等[7]通過數(shù)值模擬研究得出風(fēng)屏障設(shè)置位置對車輛氣動(dòng)性能的影響較大；向活躍等[8-9]通過風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬兩種方法研究得出風(fēng)屏障高度及透風(fēng)率對軌道上方的流場分布及車輛風(fēng)荷載有較大影響；種本勝二等[10-11]研究表明，高度為3 m的風(fēng)屏障防風(fēng)效果較好。由于橋梁主梁高度大多在3 m左右，顯然，橋上設(shè)置3 m高度的風(fēng)屏障會(huì)大大增加橋梁所受風(fēng)荷載。以往由于鐵路橋梁跨度不大，且大多是剛度很大的簡支梁橋，對風(fēng)荷載不敏感，但隨著鐵路橋梁跨度增加，例如滬通大橋、蕪湖長江二橋等最大跨度均已超過500 m，大跨度鐵路橋梁對風(fēng)荷載愈加敏感，因此必須要綜合考慮風(fēng)屏障對列車及橋梁氣動(dòng)特性的影響。本文基于某流線型鋼箱主梁斜拉橋和軌道客運(yùn)A型車，采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法研究了風(fēng)屏障透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的影響。

1風(fēng)洞試驗(yàn)研究

列車和橋梁的風(fēng)荷載受車體外形、主梁外形(包括風(fēng)屏障)及列車行車線位置等諸多因素影響。對于橋梁主梁這種鈍體斷面的繞流，其流線的分離點(diǎn)不隨流速的變化而移動(dòng)，只要模型雷諾數(shù)與原形雷諾數(shù)相差在三個(gè)數(shù)量級之內(nèi)，認(rèn)為流場還是相似的，雷諾數(shù)效應(yīng)可以忽略不計(jì)[13]。雖然列車斷面周邊圓滑，但在橫風(fēng)作用下，位于橋上的列車處于風(fēng)屏障后分離流之中，分離流中的脈動(dòng)成分會(huì)弱化圓滑表面附面層的粘性作用，從而減小雷諾數(shù)對列車定常氣動(dòng)力的影響。此外，列車和橋梁相距較近，且在風(fēng)屏障的影響下，車體基本位于橋體的繞流之內(nèi)，因此可將列車和主梁看作一個(gè)系統(tǒng)，雷諾數(shù)對該系統(tǒng)斷面的整體定常氣動(dòng)力影響較小，從而可采用類似橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的方法測試車-橋系統(tǒng)的氣動(dòng)特性。

1.1試驗(yàn)裝置

節(jié)段模型測力試驗(yàn)在中南大學(xué)高速鐵路風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室的高速試驗(yàn)段進(jìn)行，高速試驗(yàn)段長15.0 m、寬3.0 m、高3.0 m，試驗(yàn)風(fēng)速在0~94 m/s范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)(本試驗(yàn)風(fēng)速為10 m/s)，風(fēng)場湍流度小于0.3%。

圖1　車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)力測試裝置示意圖 Fig.1 Sketch of aerodynamic force measuring device of train-bridge system

為同步測試不同工況下列車和橋梁各自的氣動(dòng)力，本試驗(yàn)開發(fā)的測力試驗(yàn)裝置如圖1和圖2所示，列車和橋梁模型別分固定在可轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤上以實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)力分離；在列車和橋梁模型兩端分別裝有動(dòng)態(tài)測力天平(共安裝4個(gè)天平)以采集列車和橋梁的氣動(dòng)力；通過調(diào)整列車在滑桿上的位置以及滑桿在弧形滑槽上的位置，可實(shí)現(xiàn)列車與橋梁之間的位置變化；通過轉(zhuǎn)動(dòng)圓盤，車-橋系統(tǒng)可繞圓盤中心做同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)攻角的調(diào)節(jié)；測力裝置由固定在風(fēng)洞地板上的豎向支撐系統(tǒng)支撐。使用的動(dòng)態(tài)測力天平為日本NITTA公司生產(chǎn)的IFS型六分量動(dòng)態(tài)天平，測力分辨率為0.02 N。采用澳大利亞TFI公司的眼鏡蛇探針采集尾流處三維風(fēng)速及靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)，采集點(diǎn)位于模型下游1.5 m處，高度與主梁頂面高度一致(距離地面約為1.0 m)。

圖2　車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)力測試裝置照片F(xiàn)ig.2 Photograph of aerodynamic force measuring device of train-bridge system

1.2試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖3　試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌現(xiàn)ig.3 Photograph of test model

試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶熊嚹Ｐ?、橋梁主梁模型及風(fēng)屏障模型，模型縮尺比為1/40，模型照片見圖3所示。列車與橋梁模型長度均為2 m，為減少端部繞流的影響，在模型兩端加裝端板。列車模型采用軌道客運(yùn)A型車，列車模型高度為110 mm、寬度為89 mm。列車模型為鋼骨架塑料材質(zhì)模型。橋梁主梁模型采用流線型鋼箱梁外形，橋面加裝兩條寬度為70 mm、厚度為3 mm軌道板。橋梁模型為鋼骨架木質(zhì)模型。在車道兩側(cè)設(shè)置10%、20%、30%、40%透風(fēng)率的風(fēng)屏障，風(fēng)屏障距主梁斷面中心處距離為184 mm。根據(jù)以往研究成果可知，風(fēng)屏障的高度、孔洞尺寸、開孔方式等都會(huì)影響風(fēng)屏障的防風(fēng)效果。因此，為保證試驗(yàn)的相似性、排除其他因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響，4種不同透風(fēng)率風(fēng)屏障模型的高度統(tǒng)一為75 mm、開孔方式統(tǒng)一采用8×8 mm矩形孔洞且孔洞在風(fēng)屏障上均勻分布，風(fēng)屏障模型為5 mm厚塑料材質(zhì)模型，不易變形。

1.3試驗(yàn)分組及數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)共分為8組，每組在0°、±3°風(fēng)攻角下進(jìn)行吹風(fēng)測試，其中1~4組為迎風(fēng)工況、5~8組為背風(fēng)工況，試驗(yàn)流場為均勻流場，考慮U∞=10、15 m/s兩種不同試驗(yàn)風(fēng)速進(jìn)行相互校核，試驗(yàn)組介紹見表1。由于采樣點(diǎn)風(fēng)速和靜壓隨時(shí)間的分布具有隨機(jī)性，在流動(dòng)持續(xù)一段時(shí)間后，認(rèn)為隨機(jī)過程的隨機(jī)特征不隨時(shí)間變化，即過程是穩(wěn)定的[14]。因此，各組試驗(yàn)均在風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定值并穩(wěn)定5秒后開始采樣，采樣頻率為1 250 Hz，采樣時(shí)間20 s。

表1　試驗(yàn)分組

動(dòng)態(tài)測力天平采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理得到列車和橋梁的氣動(dòng)三分力系數(shù)。風(fēng)軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)計(jì)算公式[14]分別為：

風(fēng)軸：

(1)

(2)

(3)

式中：U∞為試驗(yàn)參考風(fēng)速；空氣密度ρ=1.225 kg/m3；L為測力節(jié)段模型長度；阻力系數(shù)以模型高度H為參考長度；升力系數(shù)、繞形心的扭矩系數(shù)均以模型全寬B為參考長度。

通過三維風(fēng)速測量儀采集的三維風(fēng)速以及靜態(tài)壓力數(shù)據(jù)是按時(shí)域分布的，為在頻域中對合成振動(dòng)的簡諧振動(dòng)特征進(jìn)行辨析，有必要進(jìn)行相關(guān)的時(shí)頻轉(zhuǎn)換。本文采用功率譜密度的統(tǒng)計(jì)方法，對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出車-橋系統(tǒng)尾跡區(qū)渦脫頻率并進(jìn)一步計(jì)算出斯特羅哈數(shù)。柱體旋渦的脫落與物面形狀及流體粘性有關(guān)，在描述旋渦脫落時(shí)通常采用無量綱斯特羅哈數(shù)描述[15]：

(4)

式中：fv為旋渦脫落頻率；D為結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向特征尺寸；U為來流風(fēng)速。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1氣動(dòng)力系數(shù)

通過4個(gè)動(dòng)態(tài)測力天平采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過整理得出側(cè)風(fēng)下列車及橋梁所受氣動(dòng)荷載，由于體軸與風(fēng)軸坐標(biāo)系下的氣動(dòng)力系數(shù)可以相互換算，因此本文僅給出風(fēng)軸坐標(biāo)系下各組試驗(yàn)的氣動(dòng)力系數(shù)。

圖4　迎風(fēng)工況氣動(dòng)力系數(shù)(0°風(fēng)攻角)Fig.4 Aerodynamic force coefficients with windward condition (wind attack angle: 0°)

風(fēng)攻角為0°情況下風(fēng)屏障透風(fēng)率由10%增大至40%，橋梁與列車氣動(dòng)力系數(shù)的變化趨勢見圖4、5所示。從阻力系數(shù)上看，隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大，列車阻力系數(shù)增大而橋梁阻力系數(shù)減小，原因在于小透風(fēng)率風(fēng)屏障承受了較多側(cè)向風(fēng)荷載。從升力系數(shù)上看，隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大，橋梁和列車升力系數(shù)的絕對值均增大，原因在于透風(fēng)率越大，行車線上方區(qū)域負(fù)壓的絕對值越小。從圖4(a)和圖5(a)可以看出，列車與橋梁阻力系數(shù)變化趨勢相反，這表明小透風(fēng)率風(fēng)屏障雖然可以保證側(cè)風(fēng)下的行車安全，但給橋梁帶來了較大的側(cè)向力，因此圖中給出了列車與橋梁作為一個(gè)整體系統(tǒng)時(shí)的氣動(dòng)力系數(shù)。由圖4、5所示，當(dāng)風(fēng)屏障透風(fēng)率為10%時(shí)，車-橋系統(tǒng)的阻力系數(shù)和升力系數(shù)均較小，這表明風(fēng)屏障透風(fēng)率越小，車-橋系統(tǒng)在側(cè)風(fēng)下受到的氣動(dòng)力越小。

圖5　背風(fēng)工況氣動(dòng)力系數(shù)(0°風(fēng)攻角)Fig.5 Aerodynamic force coefficients with leeward condition (wind attack angle: 0°)

列車位置風(fēng)攻角/(°)10%透風(fēng)率20%透風(fēng)率30%透風(fēng)率40%透風(fēng)率-30.5290.5720.6180.671迎風(fēng)側(cè)00.5940.6570.7060.772+30.6550.6930.7700.823-30.4970.5270.5570.589背風(fēng)側(cè)00.5500.5770.6010.661+30.5820.6260.6350.691

表3　車-橋系統(tǒng)升力系數(shù)

為進(jìn)一步研究列車位置和風(fēng)攻角的變化對試驗(yàn)結(jié)果的影響，表2、3分別給出了迎風(fēng)與背風(fēng)工況下風(fēng)攻角為-3°、0°、+3°時(shí)車-橋系統(tǒng)的阻力和升力系數(shù)。當(dāng)風(fēng)屏障透風(fēng)率由10%增大至40%時(shí)，迎風(fēng)與背風(fēng)工況下車-橋系統(tǒng)各風(fēng)攻角氣動(dòng)力系數(shù)的絕對值均呈現(xiàn)增大趨勢。綜合考慮列車位置和風(fēng)攻角等影響因素，風(fēng)屏障透風(fēng)率為10%時(shí)，列車及車-橋系統(tǒng)在側(cè)風(fēng)下受到的氣動(dòng)力均較小，有利于行車安全。

2.2渦脫頻率和斯特羅哈數(shù)

本文采用功率譜密度的統(tǒng)計(jì)方法，得出迎風(fēng)和背風(fēng)工況下，風(fēng)攻角分別為-3°、0°、+3°時(shí)，車-橋系統(tǒng)尾流區(qū)渦運(yùn)動(dòng)頻率標(biāo)準(zhǔn)化功率譜。由圖5所示，標(biāo)準(zhǔn)化功率譜中的峰值處對應(yīng)的頻率即為渦脫頻率，迎風(fēng)工況下各組數(shù)據(jù)峰值分布較為分散，而背風(fēng)工況下的峰值分布較為集中，各組峰值對應(yīng)的頻率基本在12 Hz左右。

圖6　車-橋系統(tǒng)尾流區(qū)渦運(yùn)動(dòng)頻率標(biāo)準(zhǔn)化功率譜(0°風(fēng)攻角)Fig.6 Normalized PSD of vortex flow frequency of wake region (wind attack angle: 0°)

列車位置風(fēng)攻角/(°)10%透風(fēng)率20%透風(fēng)率30%透風(fēng)率40%透風(fēng)率-3°0.2490.2370.2090.195迎風(fēng)側(cè)0°0.2580.2440.2310.220+3°0.2500.2340.2230.210-3°0.2490.2430.2470.236背風(fēng)側(cè)0°0.2640.2640.2620.249+3°0.2690.2760.2720.252

由圖6所示的渦脫頻率和對應(yīng)的來流風(fēng)速均值，根據(jù)式(4)計(jì)算出各試驗(yàn)組的斯特羅哈數(shù)見表4。從表4可以看出，風(fēng)屏障的透風(fēng)率和列車的位置都會(huì)影響車-橋系統(tǒng)的斯特羅哈數(shù)，原因在于斯特羅哈數(shù)決定于物體幾何形狀和雷諾數(shù)，而風(fēng)屏障透風(fēng)率的變化和列車位置的改變都會(huì)對車-橋系統(tǒng)的幾何外形產(chǎn)生影響。從計(jì)算結(jié)果上看，車-橋系統(tǒng)的斯特羅哈數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大而減小；當(dāng)列車處于迎風(fēng)位置時(shí)，風(fēng)屏障的透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)斯特羅哈數(shù)的影響較為明顯。

3結(jié)論

本文以某流線型鋼箱主梁斜拉橋和軌道客運(yùn)A型車為背景，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了風(fēng)屏障透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)在不同風(fēng)攻角的側(cè)風(fēng)環(huán)境中氣動(dòng)性能的影響，得出如下結(jié)論：

(1) 橋梁阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大而減小，而列車阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大而增大；隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大，橋梁和列車升力系數(shù)的絕對值均增大。

(2) 與迎風(fēng)工況比較，背風(fēng)工況下橋梁承受了更多的側(cè)風(fēng)荷載。從氣動(dòng)力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的變化趨勢上看，背風(fēng)工況與迎風(fēng)工況基本保持一致。綜合考慮列車位置和風(fēng)攻角等影響因素，風(fēng)屏障透風(fēng)率為10%時(shí)，列車及車-橋系統(tǒng)在側(cè)風(fēng)下受到的氣動(dòng)力均較小，有利于行車安全。

(3) 當(dāng)雷諾數(shù)相同時(shí)，風(fēng)屏障的透風(fēng)率和列車的位置都會(huì)影響車-橋系統(tǒng)的斯特羅哈數(shù)。車-橋系統(tǒng)的斯特羅哈數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大而減小；當(dāng)列車處于迎風(fēng)位置時(shí)，風(fēng)屏障的透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)斯特羅哈數(shù)的影響較為明顯。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Matschke G,Schulte-Werning B. Measures and strategies to minimize the effect of strong cross winds on high speed trains[C]// Proceedings of the WCRR World Congress of Railway Research, Florence, Italy, 1997.

[2] Raine J K, Stevenson D C. Wind protection by model fences in a simulated atmospheric boundary layer[J].Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1977,2:159-180.

[3] 張健. 鐵路防風(fēng)柵抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗(yàn)研究與分析[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2007, 4(1): 13-17.

ZHANG Jian. Wind-tunnel test investigations and analysis on wind break performances of wind fences on railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(1): 13-17.

[4] 王厚雄, 高注, 王蜀東, 等.擋風(fēng)墻高度的研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 1990, 11(1): 14-22.

WANG Hou-xiong, GAO Zhu, WANG Shu-dong, et al. A study on height of wind break wall[J]. China Railway Science, 1990, 11(1): 14-22.

[5] 張?zhí)? 郭薇薇, 夏禾. 側(cè)向風(fēng)作用下車橋系統(tǒng)氣動(dòng)性能及風(fēng)屏障的影響研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2013,35(7): 101-106.

ZHANG Tian, GUO Wei-wei, XIA He. Aerodynamic characteristics of vehicle-bridge system under crosswinds and effect of wind barriers[J]. Journal of the China Railway Society, 2013, 35(7): 101-106.

[6] 葛盛昌,尹永順.新疆鐵路風(fēng)區(qū)列車安全運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場試驗(yàn)研究[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督, 2006, 34(4): 9-11.

GE Sheng-chang, YIN Yong-shun. Studying the field tests on the safety operation standards for trains running through the windy area in xinjiang[J]. Railway Quality Control, 2006,34 (4): 9-11.

[7] 姜翠香, 梁習(xí)鋒. 擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對車輛氣動(dòng)性能的影響[J].中國鐵道科學(xué), 2006, 27(2): 66-70.

JIANG Cui-xiang, LIANG Xi-feng. Effect of the vehicle aerody-namic performance caused by the height and position of wind-break wall[J]. China Railway Science, 2006, 27(2): 66-70.

[8] 向活躍. 高速鐵路風(fēng)屏障防風(fēng)效果及其自身風(fēng)荷載研究[D]. 成都：西南交通大學(xué), 2013.

[9] 向活躍, 李永樂, 胡喆. 鐵路風(fēng)屏障對軌道上方風(fēng)壓分布影響的風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2012, 26(6): 19-24.

XIANG Huo-yue, LI Yong-le, HU Zhe. Effects of wind screen on wind pressure distribution above railway tracks by wind tunnel test[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2012, 26(6): 19-24.

[10] 種本勝二, 鈴木実, 前田逹夫. 橫風(fēng)に對する車輛の空氣力學(xué)的特性風(fēng)洞試驗(yàn)[R].日本鐡道綜研報(bào)告, 1999, 13(12): 47-52.

[11] 種本勝二, 鈴木実, 斎藤寛之. 強(qiáng)風(fēng)下での車輛に動(dòng)く空氣力と低減對策に關(guān)する風(fēng)洞試驗(yàn)[R]. 日本鐡道綜研報(bào)告, 2004, 18(9): 17-22.

[12] Ostenfeld K H. Bridge engineering and aerodynamics, aerodynamics of large bridge[C]// Proceeding of the First International Symposium on Aerodynamics of Large Bridges, Larsen A, Rotterdam, 1992: 3-22.

[13] 李永樂, 廖海黎, 強(qiáng)士中. 車橋系統(tǒng)氣動(dòng)特性的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究[J]. 鐵道學(xué)報(bào), 2004, 26(3): 71-74.

LI Yong-le, LIAO Hai-li, QIANG Shi-zhong. Study on aerody-namic characteristics of the vehicle-bridge system by the section model wind tunnel test[J]. Journal of the China Railway Society, 2004, 26(3): 71-74.

[14] 陳政清. 橋梁風(fēng)工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2005.

[15] 金挺, 林志興. 扁平箱形橋梁斷面斯特羅哈數(shù)的雷諾數(shù)效應(yīng)研究[J]. 工程力學(xué), 2006, 23(10): 174-179.

JIN Ting, LIN Zhi-xing. Reynolds number effects on strouhal number of flat-box girder bridge decks[J]. Engineering Mechanics, 2006, 23(10): 174-179.

[16] Simiu E, Scanlan R H. Wind effects on structures[M]. New York; John Wiley&Sons, Inc, 1996.

[17] 劉慶寬,杜彥良,喬富貴.日本列車橫風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)對策研究[J].鐵道學(xué)報(bào), 2008,30(1): 82-88.

LIU Qing-kuan, DU Yan-liang, QIAO Fu-gui. Train-crosswind and strong wind countermeasure research in Japan[J]. Journal ofthe China Railway Society, 2008, 30(1): 82-88.

[18] 何旭輝,鄒云峰,杜風(fēng)宇.風(fēng)屏障對高架橋上列車氣動(dòng)特性影響機(jī)理分析[J].振動(dòng)與沖擊,2015,34(3):66-71.

HE Xu-hui, ZOU Yun-feng, DU Feng-yu. Mechanism analysis of wind barrier’s effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct[J].Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(3): 66-71.

[19] He X H, Zou Y F, Wang H F, et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014,135:22-33.

第一作者 何瑋 男，博士生，1987年9月生

摘要：以某流線型鋼箱主梁斜拉橋和軌道客運(yùn)A型車為背景，通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究了風(fēng)屏障透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)氣動(dòng)性能的影響。分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知：車-橋系統(tǒng)的斯特羅哈數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大而減??；當(dāng)列車處于迎風(fēng)位置時(shí)，風(fēng)屏障的透風(fēng)率對車-橋系統(tǒng)斯特羅哈數(shù)的影響較為明顯；橋梁阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大而減小，而列車阻力系數(shù)隨風(fēng)屏障透風(fēng)率的增大而增大；隨風(fēng)屏障透風(fēng)率增大，橋梁和列車升力系數(shù)的絕對值均增大；綜合考慮列車位置和風(fēng)攻角等影響因素，風(fēng)屏障透風(fēng)率為10%時(shí)，列車及車-橋系統(tǒng)在側(cè)風(fēng)下受到的氣動(dòng)力均較小，有利于行車安全。

關(guān)鍵詞：風(fēng)洞試驗(yàn)；車-橋系統(tǒng)；風(fēng)屏障；氣動(dòng)特性

Wind tunnel test on the effect of wind barrier porosity on train-bridge system

HEWei1,2,GUOXiang-rong1,2,ZOUYun-feng1,2,HEXu-hui1,2(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

Abstract:With the background of a streamlined steel box girder cable-stayed bridge and a type of passenger trains, the effect of wind barrier porosity on the aerodynamic characteristics of train-bridge system was analysed by wind tunnel test. According to the theoretical and experimental analysis data, the Strouhal number of the train-bridge system deceases with the increase of wind barrier porosity. With the train located windward, the porosity of wind barrier affects the Strouhal number of train-bridge system obviously. With increasing porosity of wind barrier, the drag coefficient of bridge deceases, while the drag coefficient of train increases. The absolute values of lift coefficients of bridge and train both increase with increasing porosity of wind barrier. Taking into consideration the wind attack angle and the position of train, when the porosity of wind barrier is 10%, the aerodynamic forces on the train and the train-bridge system are both small, which is suitable for the operational safety of train and wind resistance of bridge structures.

Key words:wind tunnel test; train-bridge system; wind barrier; aerodynamic characteristic

中圖分類號:V211.74

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2015.24.016

通信作者鄒云峰 男，博士，講師，1984年10月生

收稿日期：2014-11-19修改稿收到日期：2015-05-20

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金面上資助項(xiàng)目(51178471)；國家優(yōu)秀青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51322808)； 教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃(NCET-12-0550)；中國博士后科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014M562133)；長江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(IRT1296)