分離式公鐵雙層橋面相互氣動干擾及對列車走行性的影響

李永樂, 姜孝偉, 蘇　洋, 李龍安, 廖海黎

(1. 西南交通大學 橋梁工程系，成都　610031； 2. 中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢　430056)

分離式公鐵雙層橋面相互氣動干擾及對列車走行性的影響

李永樂1, 姜孝偉1, 蘇洋1, 李龍安2, 廖海黎1

(1. 西南交通大學 橋梁工程系，成都610031； 2. 中鐵大橋勘測設計院有限公司，武漢430056)

摘要：橫向風作用下公鐵兩用雙層橋的上、下橋面間存在相互的氣動干擾，為研究公鐵兩用組合橋間隔高度對列車走行性的影響，針對某分離式公鐵兩用混凝土箱梁橋，采用計算流體動力學(CFD)數(shù)值模擬和風-車-橋耦合振動研究的方法，分析了上、下橋面間隔高度對列車氣動特性和車輛動力響應的影響。分析結果表明，公鐵兩用組合橋間隔高度對列車的氣動特性和動力響應影響顯著，間隔高度減小，列車升力系數(shù)和豎向加速度顯著增大，輪重減載率也隨之增大。公鐵兩用組合橋的設計應考慮間隔高度對列車的影響，以選擇合理的間隔高度。

關鍵詞：公鐵兩用橋；間隔高度；風-車-橋系統(tǒng)；走行性；CFD

列車在運行過程中受到側風作用時，有可能發(fā)生側滑、側傾等安全問題，影響車輛的行駛安全[1]。相比于平地上，橋梁結構柔、離地高度大，車輛和橋梁間的耦合作用使行駛在橋梁上的列車更容易受到側風作用的影響。楊明智[2]等通過風洞試驗證明，在同樣的運行速度和同樣的大風風速下，列車在橋梁上運行比在平地上運行所受到的側向力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)大，因而列車在橋上運行也相對較危險。

近年來，由于橋位資源限制以及經(jīng)濟性考慮，公鐵兩用雙層橋面橋梁越來越受設計者們的青睞。橫風在流經(jīng)該類橋梁時，氣流會在上層橋面和下層橋面處發(fā)生分離，形成上、下橋面各自的繞流。當上、下橋面高度間隔不足夠大時，上、下橋面各自的繞流在上、下橋面之間的區(qū)域會產(chǎn)生相互干擾，并影響下層橋面車輛的氣動特性。對于分離式公鐵兩用混凝土箱梁橋，因公路橋面和鐵路橋面均為混凝土箱梁，梁高相對較大，上、下橋面氣動繞流的相互干擾可能更為顯著。

目前關于上下雙層橋面間隔高度取值的研究較為少見，根據(jù)規(guī)范《標準軌距鐵路建筑限界》的有關規(guī)定，間隔高度不得小于鐵路建筑限界高度6.65 m[3]，這個高度未能充分考慮氣動的影響。徐鶴壽等[4]則建議建筑限界的最大高度為7 m(該值為軌面以上的高度)，彭月燊等[5]建議建筑限界高度從軌面起算，在一般情況下定為7 m，但這個高度并未考慮公鐵雙層橋面間的氣動干擾效應。此外出于經(jīng)濟性的考慮，設計中通常盡量減小公鐵兩用橋上、下橋面之間的高度，因此雙層橋面間的氣動干擾以及對下層橋面車輛的氣動影響難以避免，但目前業(yè)界針對這一問題的研究較為少見。

本文以某分離式公鐵兩用混凝土箱梁橋為背景，采用CFD數(shù)值仿真軟件FLUENT分析研究了上、下橋面間相互的氣動干擾，明確了氣動干擾對車輛風荷載的影響，并采用風-車-橋耦合振動分析的方法研究了氣動干擾對車輛走行性的影響，討論了上、下橋面不同間隔高度的影響，研究結論對實際工程具有指導意義。

1間隔高度對列車風特性的影響

1.1工程概況

某分離式公鐵兩用混凝土箱梁橋全長為1 216 m，每孔跨度32 m，共38孔，結構布置形式如圖1所示，上層公路橋采用分離的獨立主梁，設計為雙線六車道，單幅橋面寬16 m。下層為雙線鐵路，橋面寬12.43 m。公路主梁通過高18m的支墩安置在剛度很大的下部橋墩上。為考察上、下橋面間隔高度的影響，本文共進行了8.3 m、10.7 m、13.1 m、15.5 m共4種高度間隔的對比分析。雙層橋面間隔高度具體指公路主梁底面與鐵路主梁上表面的距離，原設計中雙層橋面間隔高度為10.7 m。因橋址區(qū)風環(huán)境較為惡劣，公路橋面設有1 m高的護欄以及2 m高的風屏障，鐵路橋面設有2 m高的風屏障。

圖1　公鐵兩用組合橋橫斷面(單位：mm)Fig.1 Cross section of highway-railway combined bridge (Unit: mm)

1.2CFD建模

文獻[6-8]針對不同模型提出了較為合理的計算域尺寸，并指出對于橋梁這種長高比很大的結構計算域的寬度約為模型高度的4倍左右，計算域高度約為模型高度的7倍～10倍，模型距出口的距離約為高度的11倍～12倍。經(jīng)多次試算，在考察區(qū)域無關性和網(wǎng)格無關性的基礎上，綜合考慮計算效率和計算精度，計算區(qū)域定為：橫橋向寬440 m，豎向高220 m，模型距速度入口130 m。

數(shù)值分析中，湍流模型采用對復雜邊界層分離流模擬比較有效的(SST)κ-ω湍流模型，該模型在壁面位置采用標準κ-ω模型，而在外層采用由標準κ-ε模型改進得到的κ-ω模型，結合了兩者的優(yōu)勢，很適合于強壓力梯度與分離下的復雜邊界層流動[9]。對計算邊界，迎風面設置為速度入口邊界條件，入口風速取為30 m/s,湍流強度[10-11]取為0.5%，背風面采用壓力出口邊界條件，主梁斷面和風屏障、欄桿均采用壁面邊界條件，計算區(qū)域及邊界條件見圖2。劃分網(wǎng)格時模型中心區(qū)域采用四邊形非結構化網(wǎng)格，外圍采用四邊形結構化網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量約62萬，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖2　計算區(qū)域和邊界條件(單位：m)Fig.2 Calculating region and boundary condition (Unit: m)

圖3　網(wǎng)格劃分Fig.3 Calculating Mesh

不同模型的阻塞率分別為2.1%(單獨公路橋)、3.3%(單獨鐵路橋)、7.0%(公鐵組合橋)，與之相對應的雷諾數(shù)分別為：9.4×106、1.46×107、3.1×107，各模型的Y+值大多集中在300以內，基本滿足相關要求。

1.3數(shù)值模擬結果

1.3.1橋梁及車輛的三分力系數(shù)定義[12]

(1)

式中：α為來流攻角，ρ為空氣密度，H、B、L分別為橋梁或列車的高度、寬度和長度，F(xiàn)H(α)、FV(α)、FM(α)分別為不同攻角α情況下采用體軸坐標系時，結構物的側向阻力、升力、扭矩。

1.3.2公鐵橋面流場相互干擾

考察公路橋面和鐵路橋面流場的相互干擾，采用原設計間隔高度(10.7 m)，分別建立了單獨公路橋、單獨鐵路橋以及公鐵組合三種模型(公路橋面設有1 m高的護欄以及2 m高的風屏障，鐵路橋面設有2 m高的風屏障),對其進行CFD分析，得到三種情況下的流場風速云圖，如圖4～圖6所示。從風速云圖可以看出：公路橋和鐵路橋組合情況下風速云圖發(fā)生了較大變化,雙層橋面間的風速增大明顯，這表明上、下橋面間的流場存在明顯的相互氣動干擾現(xiàn)象。

圖4　單獨鐵路橋流場風速云圖Fig.4 Flow velocity cloud map at the case with only railway deck

圖5　單獨公路橋流場風速云圖Fig.5 Flow velocity cloud map at the case with only highway deck

圖6　公鐵組合時流場風速云圖Fig.6 Flow velocity cloud map at the case with the combined highway-railway bridge deck

1.3.3公路和鐵路橋面氣動力的相互影響

為進一步探討公鐵兩用橋橋面之間的相互干擾，通過CFD定常分析計算橋梁截面的靜風荷載[13]，并進一步計算單獨公路橋、單獨鐵路橋、公鐵組合三種狀態(tài)下公路和鐵路橋梁各自的氣動力系數(shù)(如表1所示),分析中采用原設計間隔高度(10.7 m)。

由表可知，單獨鐵路橋面以及單獨公路橋面的氣動力系數(shù)均與組合情況下的有不同程度的差異。單獨鐵路橋的阻力系數(shù)較組合狀態(tài)下的減小16.2%，單獨公路橋(前幅，指迎風側)的阻力系數(shù)較組合狀態(tài)下的增大6.2%。單獨公路橋(后幅，指背風側)以及組合狀態(tài)下的公路橋(后幅)由于公路橋(前幅)的阻擋作用，阻力系數(shù)均較小。單獨鐵路橋和公路橋(前、后幅)的升力系數(shù)較組合狀態(tài)下的有所減小，最大減小幅度為27.8%。單獨鐵路橋和公路橋(前、后幅)的扭矩系數(shù)較組合狀態(tài)下的有所減小。不同組合狀態(tài)下公路橋面和鐵路橋面氣動力系數(shù)的差異也間接表明公路和鐵路橋面之間存在著顯著的相互氣動干擾現(xiàn)象。

表1　橋梁三分力系數(shù)

注：前幅是指迎風側公路橋幅，后幅是指背風側公路橋幅。

1.3.4不同間隔高度對列車氣動特性的影響

為考查雙層橋面不同間隔高度對鐵路列車氣動特性的影響，分別進行了間隔高度為8.3 m、10.7 m、13.1 m、15.5 m共四種工況的CFD分析，表2給出了不同間隔高度情況下列車的三分力系數(shù)，三分力系數(shù)隨間隔高度的變化如圖7所示。

表2　不同間隔高度下列車三分力系數(shù)

圖7　不同間隔高度列車三分力系數(shù)的變化曲線Fig.7 Curve of aerodynamic coefficients of train at different height interval cases

從圖7可以看出隨著間隔高度的增加，列車阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化較小，而升力系數(shù)卻顯著降低，這可能是因為隨著間隔高度的增加，列車頂部風速降低，由理想伯努利方程可知，列車頂部的動壓減小則靜壓增加，列車底部靜壓變化很小，故升力有所降低。由此可見公鐵兩用組合橋上下層橋梁之間的間隔高度對列車升力系數(shù)有著重要的影響，間隔高度越小，列車受到的升力系數(shù)越大，間隔高度對列車阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)的影響相對較小。

2間隔高度對列車走行性的影響

2.1橋梁有限元模型

因采用分離式設計，公路橋面對鐵路橋面力學行為影響較小，故我們針對車輛走行性分析的有限元建模中僅考慮鐵路主梁。主梁、橋墩(如圖8～9)均采用空間梁單元進行模擬，38孔橋梁有限元模型如圖10所示，對該橋動力特性進行分析計算，結構橫彎、豎彎見表3。

圖8　鐵路主梁斷面(單位：cm)Fig.8 Cross section of railway girder (Unit: cm)

圖9　橋墩尺寸(單位：cm)Fig.9 Size of Pier (unit:cm)

圖10　橋梁有限元模型Fig.10 Finite element model of bridge

階次計算頻率振型描述11.879主梁縱飄+橋墩順橋向彎曲23.308主梁一階對稱橫彎311.118主梁對稱豎彎

2.2風-車-橋耦合振動分析

風-車-橋系統(tǒng)由風-車系統(tǒng)、風-橋系統(tǒng)以及車-橋系統(tǒng)三部分組成。風-車系統(tǒng)中僅考慮風對車輛的定常力和準定常力，忽略自激作用；風-橋系統(tǒng)間的相互作用通過對非線性風荷載的迭代來實現(xiàn)；車-橋系統(tǒng)間的耦合通過車輛、橋梁兩子系統(tǒng)間的分離迭代來實現(xiàn)[14]。對于風-車-橋系統(tǒng)，可在滿足車輛、橋梁兩子系統(tǒng)間的幾何、力學耦合關系情況下，采用分離迭代的方法將車輛及橋梁運動方程分別獨立求解。側向風對車輛的行車安全性影響較大[15]，為考查公鐵兩用橋梁雙層橋面不同間隔高度情況下車輛風荷載變化的影響，針對不同工況分別進行了風-車-橋耦合振動分析[16]。

平均風、空間相關的脈動風及隨機的軌道不平順是風-車-橋系統(tǒng)的外在激勵源。軌道不平順譜采用德國低干擾譜，脈動風場模擬采用譜方法[17]，沿主梁等間距模擬了水平脈動風速場和豎向脈動風速場。該橋為跨海橋梁，地表類型取為A類風譜，根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[18]取用。

采用CRH2動力分散式車組進行計算，車速取250 km/h，側向風平均風速為35m/s，車輛沿迎風側軌道運行。橋墩和主梁均為混凝土，根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[18]阻尼比取為2.0%。

車輛所受風荷載包括靜風力和抖振力，忽略自激力的影響[16]。對于不同間隔高度，靜風力和抖振力計算中車輛的三分力系數(shù)根據(jù)表2取定。

圖11和圖12給出了雙層橋面不同間隔高度情況下35 m/s風速時車輛的響應對比。

圖11　不同間隔高度下車輛安全性指標Fig.11 Vehicle security index at different height interval cases

圖12　不同間隔高度下車輛加速度Fig.12 Vehicle acceleration at different height interval cases

從圖11、圖12中可以看出，間隔高度越大，動車和拖車的豎向加速度和輪重減載率越小，其它響應指標變化較小。隨著間隔高度的增加，動車和拖車的輪重減載率下降了約8.5%，動車豎向加速度減小了18.6%，拖車豎向加速度減小了30.4%。間隔高度對列車響應影響明顯，設計中應加以考慮。

3結論

本文采用CFD數(shù)值模擬和風-車-橋耦合振動分析的方法，分析了分離式公鐵兩用混凝土箱梁橋公路橋面與鐵路橋面間隔高度對列車氣動特性和動力響應的影響，得出如下結論：

(1) 分離式公鐵兩用混凝土箱梁橋主梁較高，橫向風作用下雙層橋面氣動繞流間存在明顯的相互干擾現(xiàn)象。單獨公路橋或單獨鐵路橋狀態(tài)下橋梁的三分力系數(shù)與兩者組合狀態(tài)下的三分力系數(shù)差異顯著。

(2) 對于位于公鐵雙層橋面之間的鐵路列車，間隔高度對車輛風荷載影響較大，隨著間隔高度的增加，升力系數(shù)顯著降低，列車阻力系數(shù)和扭矩系數(shù)變化相對較小。

(3) 橫向風作用下，間隔高度對列車響應的影響明顯，間隔高度越大，動車和拖車的豎向加速度和輪重減載率越小，其它響應指標變化相對較小。公鐵兩用雙層橋面間隔高度對列車響應的影響設計中應加以考慮。

參 考 文 獻

[1] Ostenfeld K H. Denmarks great belt link[C]//The 1989 ASCE Annual Cicil Engineering Convention, New Or leans：[s.n.],1989.

[2] 楊明智，袁先旭，魯寨軍，等. 強側風下青藏線列車氣動性能風洞試驗研究[J]. 實驗流體力學. 2008(1):76-79.

YANG Ming-zhi，YUAN Xian-xu，LU Zhai-jun，et al. Experimental study on aero-dynamic characteristics of train running on Qinghai-Tibet railway under cross winds[J].Journal of Experiments in Fluid Mechanic，2008(1):76-79.

[3] 中華人民共和國國家標準. GB 146.2—83標準軌距鐵路建筑限界[S].北京：中國標準出版社，1983.

[4] 徐鶴壽，郝有生. 高速鐵路建筑限界的研究[J]. 中國鐵道科學,1998(4):76-83.

XU He-shou，HAO You-sheng.Study on the structure gauge for high-speed railway[J]. China Railway Science,1998(4):76-83.

[5] 彭月燊. 高速鐵路橋梁設計特點[J]. 橋梁建設,1999(3):27-31.

PENG Yue-shen. Design charateristics of high speed railway bridge[J]. Bridge Con-struction,1999(3):27-31.

[6] 李永樂，安偉勝，蔡憲棠，等. 倒梯形板桁主梁CFD簡化模型及氣動特性研究[J]. 工程力學,2011(增刊1):103-109.LI Yong-le,AN Wei-sheng,CAI Xian-tang,et al. Simplified CFD modal and aerodynamic characteristics of inverted trapezoidal plate-truss deck[J]. Engineering Mechanics,2011(Sup1):103-109.

[7] 李永樂，汪斌，黃林，等. 平板氣動力的CFD模擬及參數(shù)研究[J]. 工程力學,2009(3):207-211.

LI Yong-le,WANG Bin,HUANG Lin,et al.CFD simulation and parameter study on aerodynamic force of flat plate[J]. Engineering Mechanics,2009(3):207-211.

[8] 許偉. 大氣邊界層風洞中風場的數(shù)值模擬[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2007.

[9] Wilcox D C. Turbulence Modeling for CFD. DCW Industria,Inc.,La Canada,California,1998

[10] 白樺，李加武，胡兆同，等. 近流線型斷面靜力三分力系數(shù)的雷諾數(shù)效應識別[J]. 建筑科學與工程學報,2007(4):60-63.

BAI Hua,LI Jia-wu,HU Zhao-tong,et al. Identification of reynolds number effect of tri-component force coeffi-cient of streamline-liked section[J].Journal of Architecture and Civil Engineering,2007(4):60-63.

[11] 張彥.橋梁氣動自激力的數(shù)值模擬研究[D].成都：西南交通大學，2009.

[12] 李永樂,廖海黎,強士中. 車橋系統(tǒng)氣動特性的節(jié)段模型風洞試驗研究[J]. 鐵道學報,2004(3):71-75.

LI Yong-le,LIAO Hai-li,QIANG Shi-zhong. Study on aerodynamic characteristics of the vehicle-bridge system by the section model wind tunnel test[J]. Journal of the China Railway Society,2004(3):71-75.

[13] 汪斌，李永樂，郝超，等. 大跨度連續(xù)剛構橋鈍化主梁氣動特性數(shù)值分析[J]. 四川建筑科學研究,2008(5):29-33.

WANG Bin,LI Yong-le,HAO Chao,et al. Numerical simulation of aerodynamic characteristics of the blunt deck of long span continuous rigid frame bridges[J]. Sichuan Building Science Research,2008(5):29-33.

[14] Xia C Y,Lei J Q,Zhang N,et al. Dynamic analysis of a coupled high-speed train and bridge system subjected to collision load[J]. Journal of Sound and Vibration,2012,331(10):2334-2347.

[15] Fujii T,Maeda T,Lshida H,et al. Wind-induced accidents of train/vehicles and their measure in Japan,QR of RTRI,1999(1):50-55.

[16] Li Yong-le,Qiang Shi-zhong,Liao Hai-li,et al. Dynamics of wind-rail vehicle-bridge system[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2005,93:483-507.

[17] Li Yong-le,Liao Hai-li,Qiang Shi-zhong. Simplifying the simulation of stochastic wind velocity fields for long cable-stayed bridges[J]. Computers & Structures,2004,82(20):1591-1598.

[18] 中華人民共和國推薦性行業(yè)標準. JTG/T D60-01—2004公路橋梁抗風設計規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

Aerodynamic interaction between road deck and rail deck of separate-type highway-railway bridges and its effect on train running performance

LI Yong-le1, JIANG Xiao-wei1, SU Yang1, LI Long-an2, LIAO Hai-li1

(1. Department of Bridge Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China；2. China Railway Major Bridge Reconnaissance&Design Institute Co., Ltd., Wuhan 430056, China)

Abstract:There exists aerodynamic interaction between road deck and rail deck of highway-railway bridges under cross wind. In order to investigate the effect of different height intervals between two decks on train running performance, a separate-type highway-railway concrete box girder bridge was taken as an engineering example. The numerical simulation with CFD and the coupled vibration analysis of a wind-vehicle-bridge system were performed to determine train aerodynamic characteristics and to obtain its dynamic response. The results showed that the height interval between two decks has a major influence on train aerodynamic characteristics and its dynamic response; reducing the height interval leads to increase in the train lift coefficient and its vertical acceleration, and the wheel load reduction ratio increases as well; the effect of height intervals between two decks should receive more attention when selecting the optimal height interval in the design of highway-railway bridges.

Key words:highway-railway bridges; height interval; wind-vehicle-bridge system; running performance; CFD

基金項目：國家自然科學基金項目(U1334201;51278434)；國家科技支撐計劃課題(2012BAG05B02)；四川省青年科技創(chuàng)新研究團隊項目(15CXTD0005)

收稿日期：2015-02-02修改稿收到日期：2015-04-14

中圖分類號:U24

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.09.012

第一作者 李永樂 男，博士，教授，博士生導師，1972年生