架橋機跨武廣高速鐵路時的抗風穩(wěn)定性研究

劉樹堂

(中鐵十四局集團有限公司，湖南 長沙 410000)

中鐵十四局承擔長株潭綜合Ⅱ標預制箱梁的架設(shè)工作，其中株洲醴潭高速立交特大橋(中心里程DK33+815.131)采用32 m簡支箱梁斜跨越武廣客運專線的水桶壩特大橋。醴潭高速立交特大橋與武廣客運專線水桶壩特大橋的平面關(guān)系如圖1所示。所采用的 32簡支箱梁為梁場預制，利用架橋機整體架設(shè)的施工工藝。而在架設(shè)株洲醴潭高速立交特大橋7號~8號墩時，架橋機下導梁需過孔到8號~9號墩上方，此時架橋機的下導梁正好處于武廣客運專線的水桶壩特大橋上方，下導梁與武廣客運專線行車軌道板頂面的凈距為11.377 m。在開始架設(shè)箱梁之前，必須對架橋機工作期間的安全穩(wěn)定性進行計算。特別是下導梁伸出落在8號~9號墩上方工作期間，此時架橋機下導梁的穩(wěn)定性除了考慮結(jié)構(gòu)強度與剛度之外，還應考慮強側(cè)風與列車運動風共同作用下的抗傾覆穩(wěn)定性。列車風對周圍橋梁或建筑物產(chǎn)生的氣動力大小取決于列車運行的速度、離列車側(cè)面的距離、列車外形及強側(cè)風環(huán)境等因素。目前，國內(nèi)外對于高速鐵路沿線建筑物的研究主要集中在列車通過時所引起的結(jié)構(gòu)振動以及減振措

施[1?2]，對跨線橋梁表面的氣動壓力研究以車橋距離和列車速度的影響為主[3?6]。高速列車運行時所產(chǎn)生的列車風對正上方架橋機下導梁的氣動力及迎風面、背風面的風壓分布以及對下導梁的抗傾覆性的影響不可忽略。本文借助計算流體力學Fluent軟件為仿真平臺，采用“動網(wǎng)格”技術(shù)和編寫UDF列車運動程序，對下導梁處于強側(cè)風和高速列車以不同方式運行所產(chǎn)生的列車風共同作用下的氣動環(huán)境進行數(shù)值模擬，通過多工況的計算來研究了強側(cè)風下和列車風共同作用下，架橋機下導梁的氣動力性能及其本身的抗傾覆穩(wěn)定性，為施工單位架橋機的安全穩(wěn)定性評估提供最直接的依據(jù)。

圖1 架設(shè)箱梁與武廣客運專線關(guān)系示意圖Fig. 1 Relationship between the railway and box-bridge

1 計算模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

1.1 幾何模型

首先用gambit軟件建立車、橋和導梁的幾何模型。武廣客運專線運行的高速列車為CRH3動車組，為避免計算區(qū)域過大以及計算網(wǎng)格數(shù)量巨大的問題，將列車進行簡化處理，忽略受電弓、輪軌、轉(zhuǎn)向架以及門窗的影響。考慮到中間車具有相似的特性，目前，國內(nèi)外大多采用簡化后的3列車輛模型。本文經(jīng)過多次試算最后確定采用頭車(25.25 m)+中間車(4 m)+尾車(25.25 m)的3節(jié)列車模型[7]。列車模型總長54.5 m，寬3.265 m，高3.817 m，并對列車表面做光滑的曲面處理。同樣為節(jié)省計算資源和計算時間，武廣客運專線的水桶壩特大橋幾何模型采用5跨32 m的標準簡支箱梁；架橋機下導梁的幾何模型簡化為矩形截面并做光滑壁面處理，下導梁總長為36.5 m，高2.1 m，寬1.7 m，自重432.78 kN，導梁與客運專線及列車運行方向斜交67°；列車頭車的鼻尖距下導梁的水平距離為20 m，強側(cè)風運動方向與導梁成90°夾角。

圖2 高速列車?橋梁?導梁系統(tǒng)氣動力計算模型Fig. 2 Computational model of high-speed train-bridge-system for aerodynamic force

1.2 計算域及網(wǎng)格劃分

以5跨32 m簡支箱、CRH3列車及下導梁的簡化幾何模型為對象，建立CFD三維數(shù)值分析模型。計算區(qū)域以區(qū)域內(nèi)流場分布特征量流速、壓力為目標按照單參數(shù)逐一優(yōu)化方法[8]確定。通過反復的試算，在能夠滿足計算結(jié)果的精度的情況下，選取240 m×60 m×264 m的計算區(qū)域。由于高速列車幾何形狀復雜，故流場內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)化的四面體網(wǎng)格進行劃分，對列車、橋梁及下導梁的近壁面采用壁面函數(shù)法加密網(wǎng)格，列車與橋梁的網(wǎng)格如圖3所示。整個區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格劃分采用放射性網(wǎng)格，即貼近高速列車、箱梁及下導梁斷面的網(wǎng)格足夠小，而遠離這些斷面的區(qū)域可以適當放大。區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格的最小單元尺寸為 0.1 m，整個計算域劃分的網(wǎng)格單元總數(shù)為245萬。列車的運動通過編制UDF程序來實現(xiàn)。列車在運動時，由于網(wǎng)格變形導致網(wǎng)格質(zhì)量低于特定值時，通過使用局部網(wǎng)格重構(gòu)(Local remeshing Methods) 和光滑(Smoothing Methods)動網(wǎng)格功能對局部的低質(zhì)量網(wǎng)格進行更新，以保證列車運動時刻網(wǎng)格的質(zhì)量和計算結(jié)果的精度。計算區(qū)域與整體坐標系如圖4所示。

1.3 邊界條件及計算參數(shù)設(shè)置

計算區(qū)域流場入口采用速度入口邊界條件，流場出口采用靜壓為 0 Pa的壓力出口邊界條件，橋梁、列車及導梁的表面及計算域上下邊界選擇光滑無滑移壁面邊界。強側(cè)風的馬赫數(shù)小于 0.3，計算按不可壓縮非定常流動問題處理[9]。壓強速度關(guān)聯(lián)算法采用穩(wěn)定性好的SIMPLE算法，湍流模型采用RNG κ?ε模型，選用基于壓力的隱式求解方法計算。根據(jù)文獻[10]入口風速取為25.6 m/s，湍流度為5%，本次計算按照非穩(wěn)態(tài)計算，總時長為1.2 s，時間步長為0.001 5 s。當監(jiān)控指標三分力曲線平穩(wěn)且殘差達到收斂精度(1.0×10?4)時，認為計算收斂，迭代結(jié)束。

圖3 列車與橋梁網(wǎng)格圖Fig. 3 Mesh of train and bridge grid figure

圖4 計算區(qū)域及整體網(wǎng)格分布圖Fig. 4 Computational domain and mesh of calculation

2 導梁的側(cè)傾力矩

下導梁除了本身的自重外，在強側(cè)風與列車風帶來的氣動力作用。下導梁在強側(cè)風下發(fā)生傾覆，主要是下導梁的側(cè)力、升力和兩者共同產(chǎn)生的側(cè)傾力矩過大造成的，其中的側(cè)傾力矩是衡量結(jié)構(gòu)物橫風穩(wěn)定性最重要的指標[11]。通過計算可知，在列車不同運行方式中下導梁的側(cè)傾力矩會發(fā)生改變，因此下導梁的穩(wěn)定性發(fā)生變化，如圖5所示，研究中先對下導梁幾何中心提取側(cè)傾力矩Mz，然后將力矩作用點轉(zhuǎn)移到支點上，可以表示為：

式中：yFxΔ·，xFyΔ·和xG Δ·分別為側(cè)力、升力和自重對導梁支點產(chǎn)生的力矩。

圖5 側(cè)傾力矩作用示意圖Fig. 5 Diagram of rolling moment

在圖5中，當Mzl為負時，下導梁有逆時針方向側(cè)傾的趨勢；當Mzr為正時，下導梁有相反方向側(cè)傾的趨勢，且兩者絕對值較大者起控制作用，而當 Mzl為正或 Mzr為負時，均能提高下導梁的側(cè)傾穩(wěn)定性，根據(jù)最不利情況定義控制側(cè)傾力矩Mzcon：|Mzcon|=max(|min(Mzl,0)|,|max(Mzr,0)|)，其正負跟絕對值較大者保持一致。

3 計算工況及測點布置

3.1 計算工況

主要對下導梁在強側(cè)風與列車風下的氣動力進行計算，根據(jù)列車運行方式的不同共設(shè)置表1所示的4種工況，即：無列車運行、1列列車運行以及2列列車同時運行，下導梁周圍的壓力場和風速場變化情況。

表1 列車行駛對下導梁結(jié)構(gòu)風壓分布的影響分析工況Table1 Calculation conditions of wind environment

3.2 風壓監(jiān)測點的位置選取

為觀察列車從下方經(jīng)過時，導梁表面的風壓變化情況，選取導梁位于線路中央的截面為觀測截面此截面底板、截面迎風側(cè)以及背風側(cè)各3個觀測點，如圖6所示。

圖6 導梁表面風壓監(jiān)測點Fig. 6 Locations of pressure-monitoring point

4 計算結(jié)果分析

4.1 列車風下的導梁氣動力

列車以不同方式經(jīng)過下導梁時，下導梁的氣動力如圖 7所示：1)當頭車的車頭(車身截面變化段)完全經(jīng)過導梁正下方向時，導梁的側(cè)力最大，相應的側(cè)傾力矩也最大。工況2與工況3中，導梁的側(cè)力對稱，工況4中導梁的側(cè)力為0。2)列車的車頭完全經(jīng)過導梁正下方向之前，導梁受到升力為正，頭車的鼻尖經(jīng)過導梁正下方向時，導梁向上的升力最大。尾車的鼻尖離開導梁位置之前，導梁受到升力為負，尾車的車頭進入導梁正下方向時，導梁向下的升力最小。工況4中由于2列列車共同作用，導梁升力值約是工況2與工況3中的2倍。

圖7 導梁氣動力隨鼻尖距導梁距離的變化曲線Fig.7 Changing curve of aerodynamic force of the launching nose with the distance between the train and the launching nose

4.2 導梁的側(cè)傾力矩

在4種工況下，下導梁側(cè)傾力矩的計算結(jié)果如表 2~3所示。計算結(jié)果顯示：1)下導梁在 25.6m/s的強側(cè)風和列車風共同作用中，其側(cè)傾力矩中強側(cè)風作用占主導地位，約占92.5%~96.8%，而列車風作用只占3.2%~7.5%。2)在上述的4種工況中，導梁的側(cè)傾力矩Mzl為正且Mzr為負，即表明在25.6 m/s的強側(cè)風和列車風共同作用下，下導梁不會發(fā)生側(cè)傾。

表2 強側(cè)風作用下導梁的側(cè)傾力矩Table 2 Rolling moment of launching nose under the action of strong crosswind

4.3 導梁跨中截面風壓分布

由表3可知，在工況2中導梁側(cè)傾力矩的絕對值最大，工況2中導梁跨中截面處各測點列車風壓極值如表4所示，列車風壓分布曲線如圖8所示。由表4和圖8可知：1)導梁迎風側(cè)不同標高處沿水平方向列車風壓分布從梁底向梁頂板逐漸遞減。a-3點最大正壓、負壓分別衰減為a-1點處的58.5%和80.7%。2)同理，導梁背風側(cè)，b-3處的列車風最大正壓、負壓分別衰減為b-1處的47.6%和78.8%。3)導梁底面垂直方向的列車風壓最大正壓、負壓值基本相等，這是導梁寬度相對較小的緣故。

表3 強側(cè)風與列車風共同作用下導梁的側(cè)傾力矩Table 2 Rolling moment of launching nose under the combined effects of the train-wind and strong crosswind

表4 跨中截面各測點列車風壓極值Table 4 Extreme pressure values of the mid-span section

圖8 工況2各監(jiān)測點的風壓隨鼻尖距導梁距離的變化曲線Fig.8 Changing curves of pressure with the distance between the train and the launching nose

4.4 流場特性分析

為了研究列車風作用導梁的機理，在工況2中導梁取列車正上方的橫截面，分析列車鼻尖距下導梁不同距離時其速度分布和壓強分布等流場特性的差異。

圖9 速度分布云圖與氣流流線圖Fig. 9 Contour of velocity distribution and the streamline chart of air

速度分布云圖與氣流流線圖如圖9所示。由圖9可知：1)頭車鼻尖位于導梁正下方，導梁迎風側(cè)附近的氣流水平向下運動，底板與背風側(cè)的氣流水平向前運動。2)中車中間段位于導梁正下方，導梁周圍的氣流水平斜著向上運動，頂板與底板附近的氣流速度可達0.9 m/s。3)尾車鼻尖位于導梁正下方，導梁迎風側(cè)的氣流斜向上運動，遇到導梁之后水平方向向前運動。導梁底板附近的氣流斜著向上，越過導梁底板后，氣流斜著向下運動。

靜壓分布云圖如圖 10所示。由圖 10可知：1)頭車鼻尖位于導梁正下方，導梁迎風側(cè)與底板靜壓為正，頂板與背風側(cè)附近的靜壓為負，靜壓值很小，迎風側(cè)正壓與背風側(cè)負壓對導梁側(cè)面的面積積分疊加得到水平向右的側(cè)力，導梁的升力向上。2)中車中間段位于導梁正下方，導梁周圍的靜壓為負，且大小相近，因此導梁的側(cè)力矩為零，而且導梁升力也基本為 0。3)尾車鼻尖位于導梁正下方，導梁周圍的靜壓為負，且導梁頂板與背風側(cè)靜壓絕對值較背風側(cè)與頂板的大。迎風側(cè)與背風側(cè)的靜壓對導梁側(cè)面的面積積分疊加得到水平向左的側(cè)力，同理導梁升力向下。

圖10 靜壓分布云圖Fig. 10 Contour of static pressure distribution

5 結(jié)論

1) 在強側(cè)風與列車風共同作用下，下導梁的氣動力強側(cè)風占95%以上，而列車風的作用可以忽略不計。

2) 當列車運行方向跟強側(cè)風運動方向一致時，下導梁的側(cè)力及側(cè)傾力矩最大；反之，下導梁的側(cè)力及側(cè)傾力矩最小。

3) 導梁表面的氣動性與測點至下軌道頂面的距離有關(guān)；距離越近，風速值、風壓值就越大，反之就越小。

4) 列車風經(jīng)過導梁時，先是水平向下運動，接著收到擠壓而向上運動，最后因為列車的拖拽作用水平向下運動。頭車鼻尖位于導梁正下方時，列車風與強側(cè)風作用的方向相同，導梁的側(cè)力及側(cè)力矩增大；尾車鼻尖位于導梁正下方時，導梁的側(cè)力及側(cè)力矩變小。

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