跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓主要影響參數(shù)研究

楊　娜，鄭修凱,3，張　建，滕東宇,4

(1.北京交通大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，北京　100044;2.北京交通大學(xué) 結(jié)構(gòu)風(fēng)工程與城市風(fēng)環(huán)境北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京　100044；3.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142；4.中國(guó)建筑科學(xué)研究院，北京　100044)

當(dāng)列車(chē)在軌道上高速行駛時(shí)，列車(chē)周?chē)臍怏w因?yàn)榭諝獾酿ば员涣熊?chē)帶動(dòng)并隨之一起運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生列車(chē)風(fēng)致效應(yīng)[1-2]。近年來(lái)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，列車(chē)運(yùn)行速度不斷提高，列車(chē)風(fēng)也隨之增強(qiáng)。高速行駛的列車(chē)產(chǎn)生的列車(chē)風(fēng)會(huì)對(duì)鐵路沿線鄰近建筑物產(chǎn)生顯著影響，鐵路鄰近結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮列車(chē)風(fēng)荷載的影響。跨線天橋是一種典型的鐵路鄰近結(jié)構(gòu)，高速列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)跨線天橋表面會(huì)受到列車(chē)風(fēng)致效應(yīng)的影響。

文獻(xiàn)[3—7]分別采用理論分析、數(shù)值模擬、風(fēng)洞試驗(yàn)等方法對(duì)高速列車(chē)通過(guò)時(shí)跨線結(jié)構(gòu)的風(fēng)壓分布基本特征、結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及控制列車(chē)風(fēng)壓的方法進(jìn)行了研究。其中文獻(xiàn)[3]和文獻(xiàn)[4]基于高速列車(chē)通過(guò)時(shí)跨線天橋表面的實(shí)測(cè)風(fēng)壓數(shù)據(jù)，采用小波變換技術(shù)分析天橋表面實(shí)測(cè)風(fēng)壓的氣動(dòng)特性，識(shí)別了列車(chē)風(fēng)壓在不同頻率區(qū)間的分布情況，采用數(shù)值模擬方法得到了高速列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)跨線天橋迎風(fēng)面、背風(fēng)面、底面風(fēng)壓極值沿不同方向的分布規(guī)律。但上述研究均未涉及跨線結(jié)構(gòu)自身參數(shù)對(duì)列車(chē)風(fēng)壓的影響。

為了確定跨線結(jié)構(gòu)自身參數(shù)對(duì)列車(chē)在其表面形成風(fēng)壓的影響，本文以德州東站為工程背景，確定所分析跨線結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)，利用Fluent軟件求解非定常、可壓縮流動(dòng)的Reynolds Averaged Navier-Stokes(RANS)方程和標(biāo)準(zhǔn)k-ε二方程湍流模型，對(duì)高速列車(chē)通過(guò)跨線天橋時(shí)作用在結(jié)構(gòu)表面上的列車(chē)風(fēng)壓進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)對(duì)比分析不同高度、寬度跨線結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬結(jié)果，研究高度和寬度對(duì)跨線結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的影響；并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范[8]中關(guān)于列車(chē)風(fēng)荷載計(jì)算的不足提出有針對(duì)性的建議和補(bǔ)充。

1　計(jì)算模型

數(shù)值分析模型包括跨線天橋、列車(chē)及其周?chē)鲌?chǎng)域?？缇€天橋足尺分析模型源自德州東站。高速列車(chē)是一個(gè)具有復(fù)雜外形且長(zhǎng)細(xì)比很大的幾何體，因此建模時(shí)對(duì)其進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化。列車(chē)外型參考CRH380型動(dòng)車(chē)組。簡(jiǎn)化后的列車(chē)模型則參考文獻(xiàn)[4]取用?？缇€天橋長(zhǎng)82 m、寬15 m、高8 m。計(jì)算域尺寸為400 m×200 m×30 m，分層次劃分計(jì)算域網(wǎng)格，如圖1所示，列車(chē)表面、跨線天橋網(wǎng)格劃分較細(xì)，使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格；其他區(qū)域網(wǎng)格尺寸較大，網(wǎng)格劃分較粗。采用滑移網(wǎng)格模擬列車(chē)的移動(dòng)，移動(dòng)區(qū)域采用六面體結(jié)構(gòu)化與四面體非結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格總數(shù)量約200萬(wàn)個(gè)。流場(chǎng)入口與出口位置采用壓力遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件，相對(duì)總壓為101.325 kPa(工作環(huán)境壓力為0 Pa)。列車(chē)壁面、地面、跨線天橋表面均采用無(wú)滑移壁面條件。文獻(xiàn)[4]中，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)壓與數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證了上述模型的可靠性。本文在此模型的基礎(chǔ)上，主要變化跨線天橋的結(jié)構(gòu)參數(shù)，進(jìn)行其對(duì)跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓的影響規(guī)律分析。

圖1　計(jì)算模型

2　跨線天橋結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓影響分析

2.1　天橋表面風(fēng)壓的特點(diǎn)

采用數(shù)值模擬方法，對(duì)250，300，350 km·h-1共3種列車(chē)運(yùn)行速度工況下的跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓分布進(jìn)行分析。高速列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)正線上方跨線天橋迎風(fēng)面的典型列車(chē)風(fēng)壓時(shí)程如圖2所示，沿列車(chē)縱向?qū)ΨQ(chēng)剖面的風(fēng)壓場(chǎng)如圖3所示。

圖2　天橋表面典型測(cè)點(diǎn)的列車(chē)風(fēng)壓時(shí)程

圖3　列車(chē)周?chē)L(fēng)壓場(chǎng)

由圖2可以看出：天橋表面的列車(chē)風(fēng)壓與列車(chē)所處的位置有關(guān)，車(chē)頭和車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)風(fēng)壓會(huì)有明顯的波動(dòng)；車(chē)頭經(jīng)過(guò)時(shí)風(fēng)壓會(huì)先達(dá)到正壓極值，隨后迅速達(dá)到負(fù)壓極值，產(chǎn)生先正后負(fù)的“頭波”；車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)風(fēng)壓會(huì)先達(dá)到負(fù)壓極值，隨后迅速達(dá)到正壓極值，產(chǎn)生先負(fù)后正的“尾波”；車(chē)頭、車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)從風(fēng)壓開(kāi)始上升到最后趨于平緩，風(fēng)壓周期約為0.75 s，相鄰正、負(fù)風(fēng)壓極值之間的時(shí)間間隔為0.13 s，風(fēng)壓周期及風(fēng)壓極值之間的時(shí)間間隔均與車(chē)速無(wú)關(guān)。車(chē)頭、車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)，正負(fù)風(fēng)壓極值迅速交替出現(xiàn)，天橋受到瞬時(shí)沖擊荷載。

由圖3可見(jiàn)：在列車(chē)頭部鼻錐點(diǎn)處，列車(chē)對(duì)氣流產(chǎn)生擠壓作用，因此在車(chē)頭鼻錐點(diǎn)處形成氣流強(qiáng)正壓區(qū)；在列車(chē)頭部后方，繞流在此分離形成氣流的強(qiáng)負(fù)壓區(qū)；車(chē)頭經(jīng)過(guò)時(shí)正壓區(qū)在前、負(fù)壓區(qū)在后，跨線天橋表面會(huì)先受到正壓極值作用，隨后受到負(fù)壓極值作用；車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)負(fù)壓區(qū)在前、正壓區(qū)在后，跨線天橋表面會(huì)先受到負(fù)壓極值作用，隨后受到正壓極值作用(列車(chē)表面風(fēng)壓以垂直列車(chē)表面向外為負(fù)壓，反之為正)。

2.2　跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓的影響參數(shù)

跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓主要受到高速列車(chē)和跨線天橋自身參數(shù)的影響。高速列車(chē)的影響主要包括列車(chē)外形及列車(chē)運(yùn)行速度。列車(chē)外形包括車(chē)頭形狀、車(chē)身外形、車(chē)體表面外輪廓、列車(chē)編組方式以及車(chē)體表面情況等。研究表明：流線型的車(chē)頭、車(chē)尾，車(chē)體表面光滑平整沒(méi)有凸出外表面的物件以及鼓形斷面的車(chē)身有利于減小列車(chē)風(fēng)的氣動(dòng)效應(yīng)[5-7]；列車(chē)運(yùn)行速度越高，列車(chē)風(fēng)所產(chǎn)生的氣動(dòng)力越大，列車(chē)風(fēng)壓與列車(chē)運(yùn)行速度的平方成正比[9]?？缇€結(jié)構(gòu)的影響包括高度、寬度、長(zhǎng)度等。本文主要研究跨線天橋高度、寬度對(duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓的影響。為更好地研究跨線天橋自身參數(shù)對(duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓的影響，本文定義用跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)CP,T表征跨線天橋自身參數(shù)對(duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓的影響，則跨線天橋表面列車(chē)風(fēng)壓P可表示為

(1)

式中：ρ為空氣密度，取1.225 kg·m-3；vT為列車(chē)運(yùn)行速度，m·s-1。

2.3　天橋高度對(duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓的影響

高速列車(chē)高度一般在3.5～4 m間，再加上上部受電弓，總高度在5 m左右，又根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究可知，當(dāng)跨線天橋高度超過(guò)10 m時(shí)，列車(chē)風(fēng)的影響比較小，因此本文選取5 m作為天橋高度下限，選取10 m作為天橋高度上限，分別建立天橋底高分別為5，6，7，8，9和10 m，其他尺寸相同的6個(gè)模型(天橋底高為天橋底面至軌道頂面的垂直距離)，進(jìn)行天橋高度對(duì)天橋迎風(fēng)面和底面列車(chē)風(fēng)壓的影響分析。分析中下穿跨線天橋的列車(chē)運(yùn)行速度選取250，300和350 km·h-1共3種。

2.3.1天橋迎風(fēng)面列車(chē)風(fēng)壓

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究可知，正線上方迎風(fēng)面底部為跨線天橋迎風(fēng)面風(fēng)壓極值最大的部位，受列車(chē)風(fēng)的影響最顯著，因此選取該部位分析天橋高度的影響。車(chē)頭、車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)天橋迎風(fēng)面列車(chē)風(fēng)壓會(huì)有明顯波動(dòng)，因此分別對(duì)車(chē)頭、車(chē)尾經(jīng)過(guò)天橋進(jìn)行分析。列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)風(fēng)壓極值隨高度的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出:不同運(yùn)行速度列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)迎風(fēng)面風(fēng)壓極值隨高度的變化規(guī)律基本一致，風(fēng)壓極值隨著天橋高度的升高而降低，但下降速度逐漸變緩，且列車(chē)運(yùn)行速度越高風(fēng)壓極值下降得越快；列車(chē)車(chē)頭經(jīng)過(guò)天橋時(shí)負(fù)壓極值大于正壓極值，6，7，8，9和10 m高天橋的正壓極值分別降為5 m高天橋的63%，45%，35%，27%和22%，負(fù)壓極值分別降為62%，35%，24%，16%和12%，負(fù)壓極值比正壓極值的衰減速度更快；列車(chē)車(chē)尾經(jīng)過(guò)天橋時(shí)負(fù)壓極值也大于正壓極值，6，7，8，9和10 m高天橋的正壓極值分別降為5 m高天橋的65%，45%，32%，24%和20%，負(fù)壓極值分別降為53%，35%，25%，19%和15%，同樣是負(fù)壓極值比正壓極值的衰減速度更快。

利用式(1)將天橋迎風(fēng)面的列車(chē)風(fēng)壓極值轉(zhuǎn)換為列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)繪于圖5。由圖5可以看出，不同列車(chē)運(yùn)行速度下天橋迎風(fēng)面的列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)變化規(guī)律基本一致，即列車(chē)運(yùn)行速度不對(duì)列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)產(chǎn)生影響；而不同天橋高度下天橋迎風(fēng)面的列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)均呈指數(shù)衰減，其擬合公式為

車(chē)頭正壓：CP,T=0.441 1e-3 423h

(2)

車(chē)頭負(fù)壓：CP,T=-1.674e-0.478 9h

(3)

圖4　天橋迎風(fēng)面列車(chē)風(fēng)壓極值隨天橋高度的變化

車(chē)尾正壓：CP,T=0.213 6e-0.375 7h

(4)

車(chē)尾負(fù)壓：CP,T=-1.229e-0.467 3h

(5)

式中：h為跨線天橋底面高度。

2.3.2天橋底面列車(chē)風(fēng)壓

根據(jù)文獻(xiàn)[4]的研究可知，天橋底面正線上方順軌道方向距離入口4 m處的風(fēng)壓極值最大，受到列車(chē)風(fēng)的影響最為顯著，因此選取該部位分析天橋高度的影響。不同列車(chē)運(yùn)行速度下車(chē)頭、車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)天橋底面列車(chē)風(fēng)壓極值隨高度的變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出：不同運(yùn)行速度列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)天橋底面列車(chē)風(fēng)壓極值隨高度的變化規(guī)律基本一致，風(fēng)壓極值隨著天橋高度的升高而降低，但下降速度逐漸變緩，且列車(chē)運(yùn)行速度越高，風(fēng)壓極值下降的速度越快；列車(chē)車(chē)頭經(jīng)過(guò)天橋時(shí)負(fù)壓極值大于正壓極值，6，7，8，9和10 m高天橋的正壓極值分別降為5 m高天橋的77%，58%，41%，30%和23%，負(fù)壓極值分別降為47%，33%，24%，18%和15%，負(fù)壓極值比正壓極值衰減的速度更快；列車(chē)車(chē)尾經(jīng)過(guò)天橋時(shí)負(fù)壓極值也大于正壓極值，6，7，8，9和10 m高天橋的正壓極值分別降為5 m高天橋的80%，67%，55%，44%和35%，負(fù)壓極值分別降為61%，43%，29%，21%和16%，負(fù)壓極值比正壓極值衰減的速度更快。

圖5　天橋迎風(fēng)面列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)隨天橋高度的變化

利用式(1)將天橋底面的列車(chē)風(fēng)壓極值轉(zhuǎn)換為列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)繪于圖7。由圖7可以看出：不同列車(chē)運(yùn)行速度下天橋底面的列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)變化規(guī)律基本一致，即列車(chē)運(yùn)行速度不對(duì)列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)產(chǎn)生影響；不同天橋高度下天橋底面的列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)也均呈指數(shù)衰減，其擬合公式為

圖6　天橋底面列車(chē)風(fēng)壓極值隨天橋高度的變化

車(chē)頭正壓：CP,T=0.696 8e-0.283 9h

(6)

車(chē)頭負(fù)壓：CP,T=-2.611e-0.507 5h

(7)

車(chē)尾正壓：CP,T=0.137 4e-0.211 9h

(8)

車(chē)尾負(fù)壓：CP,T=-1.687e-0.405 6h

(9)

圖7　天橋底面列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)隨天橋高度的變化

2.4　天橋?qū)挾葘?duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓的影響

為了分析天橋?qū)挾葘?duì)其表面列車(chē)風(fēng)壓的影響，建立天橋?qū)挾确謩e為11，13，15，17和19 m其他尺寸相同的5個(gè)模型，研究天橋?qū)挾葘?duì)其迎風(fēng)面、底面列車(chē)風(fēng)壓的影響。高速列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)，不同寬度天橋表面列車(chē)風(fēng)壓時(shí)程如圖8所示。由圖8可以看出，不同寬度天橋迎風(fēng)面、底面列車(chē)風(fēng)壓的時(shí)程基本重合，即天橋?qū)挾葘?duì)天橋表面列車(chē)風(fēng)壓的影響很小。

圖8　不同列車(chē)運(yùn)行速度時(shí)不同寬度天橋表面列車(chē)風(fēng)壓時(shí)程曲線

3　對(duì)現(xiàn)行規(guī)范的修訂建議

目前關(guān)于跨線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中列車(chē)風(fēng)荷載計(jì)算的規(guī)范主要是TB 10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(簡(jiǎn)稱(chēng)高鐵規(guī)范)。但高鐵規(guī)范存在以下2個(gè)不足：

(2)在列車(chē)側(cè)面沿垂直軌道方向每隔1 m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，數(shù)值模擬得到沿垂直軌道方向風(fēng)壓極值分布規(guī)律與高鐵規(guī)范對(duì)比(圖中實(shí)線為數(shù)值模擬結(jié)果，虛線為規(guī)范規(guī)定)，如圖9所示，圖中橫坐標(biāo)代表到列車(chē)表面的距離。由圖9可見(jiàn)，規(guī)范中規(guī)定的風(fēng)壓值偏小，規(guī)范中的風(fēng)壓值約為數(shù)值模擬風(fēng)壓值的75%。

圖9　規(guī)范與數(shù)值模擬風(fēng)壓對(duì)比圖

第2節(jié)的分析表明，列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)CP,T不僅可以描述跨線結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓極值的變化，同時(shí)在其表達(dá)式中消除了列車(chē)運(yùn)行速度項(xiàng)。因此，針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中存在的不足，參考高鐵規(guī)范，分別給出不同高度跨線結(jié)構(gòu)表面列車(chē)風(fēng)壓隨其到列車(chē)中心線的水平距離變化曲線，并將風(fēng)壓極值轉(zhuǎn)化為列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)CP,T進(jìn)行表述。結(jié)合文獻(xiàn)[4]和本文第2節(jié)的分析，將列車(chē)風(fēng)壓轉(zhuǎn)換為列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)后，可以繪制出不同高度跨線結(jié)構(gòu)表面列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)隨其到列車(chē)中心線水平距離的變化情況，如圖10所示。進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，列車(chē)風(fēng)荷載計(jì)算可以根據(jù)跨線結(jié)構(gòu)高度直接由圖中曲線查得列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)，然后代入列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)公式即可得出結(jié)構(gòu)表面受到的列車(chē)氣動(dòng)力。中間高度可以采用線性插值得到，高于10 m時(shí)可按高10 m取值。

圖10　不同高度跨線結(jié)構(gòu)沿垂直軌道方向列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)分布

4　結(jié)　論

(1)車(chē)頭和車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)天橋表面列車(chē)風(fēng)壓會(huì)有明顯波動(dòng)：車(chē)頭經(jīng)過(guò)時(shí)跨線天橋表面會(huì)先受到正壓極值作用，隨后受到負(fù)壓極值作用；車(chē)尾經(jīng)過(guò)時(shí)跨線天橋表面會(huì)先受到負(fù)壓極值作用，隨后受到正壓極值作用。

(2)天橋?qū)挾葘?duì)天橋表面列車(chē)風(fēng)壓的影響很小。天橋高度對(duì)天橋表面列車(chē)風(fēng)壓產(chǎn)生顯著影響。風(fēng)壓隨著天橋高度的升高呈指數(shù)降低，但下降速度逐漸變緩，且列車(chē)運(yùn)行速度越高風(fēng)壓下降的速度越快。列車(chē)車(chē)頭經(jīng)過(guò)天橋時(shí)負(fù)壓極值大于正壓極值，6，7，8，9和10 m高天橋的迎風(fēng)面正壓極值分別降為5 m高天橋的63%，45%，35%，27%和22%，負(fù)壓極值分別降為62%，35%，24%，16%和12%。列車(chē)車(chē)尾經(jīng)過(guò)天橋時(shí)負(fù)壓極值大于正壓極值，6，7，8，9和10 m高天橋的迎風(fēng)面正壓極值分別降為5 m高天橋的65%，45%，32%，24%和20%，負(fù)壓極值分別降為53%，35%，25%，19%和15%。負(fù)壓極值比正壓極值衰減的速度更快。天橋底面的列車(chē)風(fēng)壓變化規(guī)律與迎風(fēng)面類(lèi)似。

(3)定義了列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)CP,T，并得出CP,T隨天橋高度的變化規(guī)律。

(4)針對(duì)現(xiàn)行規(guī)范中存在的不足，參考高鐵規(guī)范分別給出不同高度跨線結(jié)構(gòu)列車(chē)風(fēng)壓隨其到列車(chē)中心線水平距離的變化曲線，并將列車(chē)壓力極值轉(zhuǎn)化為列車(chē)風(fēng)壓力系數(shù)，為跨線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

[1]賀德馨. 風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006.

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