葉片式導風屏障擋風性能優(yōu)化研究

呂 娜 劉 偉 謝海清 徐錫江 王超凡

(1.成都亞佳工程新技術開發(fā)有限公司， 成都 610031；2.中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031；3.四川鐵拓科技有限公司, 成都 610031)

1 風屏障研究應用現(xiàn)狀

隨著列車運營速度的不斷提高，強風區(qū)高速列車運行的安全性問題日益突出。已有研究表明[1-3]，風屏障是解決高速列車橋梁風環(huán)境下行車安全問題的一種有效途徑，沿線路一側(cè)或兩側(cè)設置風屏障，為高速列車創(chuàng)造一個相對低風速的局部運行環(huán)境，可顯著提高高速列車的臨界車速。目前，國內(nèi)外研發(fā)應用較多的鐵路橋梁風屏障產(chǎn)品主要有以下幾種[4]。

(1)并置式風屏障

風屏障與橋梁并行設置，由鋼桁式承重梁和帶孔擋風板組成，側(cè)面以防風纜索錨固于地面。該風屏障結(jié)構(gòu)在蘭新高速鐵路“百里風區(qū)”有應用。

(2)與梁體連接的格柵式風屏障

風屏障由豎向立柱加不同開孔率、不同高度的擋風板組成，以達到保障行車安全和減小橋梁受力的目的。

(3)梁體風屏障

將梁體與防風結(jié)構(gòu)做成整體。該結(jié)構(gòu)防風效果顯著，景觀效果好。在西班牙馬德里-薩拉格薩-法國邊境高速鐵路線上的Ebro橋有應用。

梁體風屏障的擋風效果最佳，且后期養(yǎng)護維修少，景觀效果好，但造價高、工藝復雜。并置式風屏障的最大優(yōu)點是橋梁和風屏障分別設計、施工，各自受力明確，缺點是投資高、橋墩阻水面積大，且不適用于新建高橋。格柵式風屏障是目前研究應用較多的結(jié)構(gòu)形式，可通過結(jié)構(gòu)的擋風作用滿足安全行車，但作用在風屏障上的風荷載全部傳遞到橋梁結(jié)構(gòu)，使得橋梁承受的風荷載較大，給橋梁設計和運營帶來較大問題，且結(jié)構(gòu)笨重、安裝繁瑣。

隨著橋梁跨度的增加及斜拉、雙層等橋型結(jié)構(gòu)的應用，橋梁對風荷載愈加敏感，因此必須綜合考慮風屏障對列車及橋梁氣動特性的影響[5-7]。本文從擋風和改變橫風的角度出發(fā)，研發(fā)了一種葉片式導風屏障，并以某雙層鋼桁梁斜拉橋為例，分析其對橫風環(huán)境下列車、橋梁氣動性能的影響。

2 葉片式導風屏障結(jié)構(gòu)特點及工作原理

本文研究的葉片式導風屏障由導風葉片、縱向連桿和預埋件組成，導風葉片等間距安裝于橋面外側(cè)，如圖1所示。單根導風葉片擋風面為扇形，設置有導風角、通風孔等，如圖2所示。擋風面和導風角均與橋梁縱向成一定角度安裝，橫橋向可外傾。

該結(jié)構(gòu)可大幅降低橋面橫向風速，并適當改變橫風風向，大幅削弱橋面風場，保障列車運行的安全性和平穩(wěn)性；同時導風葉片下部尺寸小，可減小受力面積，改變風荷載方向，從而減小導風葉片自身及主梁受力。

3 葉片式導風屏障的設計參數(shù)

根據(jù)國內(nèi)外路鐵路橋梁風屏障擋風機理、結(jié)構(gòu)參數(shù)、風洞試驗、抗風分析等的相關研究成果和應用現(xiàn)狀，總結(jié)出影響風屏障防風效果的主要因素，分別為有風屏障結(jié)構(gòu)形式、橋梁結(jié)構(gòu)、風速、風偏角、列車運行速度等。對于格柵式風屏障結(jié)構(gòu)，研究者們給出的風屏障最佳高度為2.5～5 m[8-9]，透風率最佳范圍為10%～30%[10]。

結(jié)合葉片式導風屏障的結(jié)構(gòu)特點和擋風、導風原理，參照已有研究成果[11]，本文通過數(shù)值模擬的方法分析葉片式導風屏障高度(2.5～3 m)、透風率(葉片自身透風率為8%～10%，安裝后整體透風率為20%～40%)和導風角(0°～30°)對列車周圍流場、列車與橋梁氣動性能及風速折減率的影響。

4 計算模型

4.1 模型及簡化

某雙層鋼桁梁斜拉橋主跨跨度425 m，葉片式導風屏障設置于上層橋面兩側(cè)。橋梁三維模型僅考慮了鋼桁梁外形輪廓和橋面鋪裝層，對其他橋面附屬結(jié)構(gòu)簡化處理，車型采用CRH380A型高速列車。

葉片式導風屏障僅考慮有效擋風面、導風角、高度等重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，簡化處理加強肋、折彎倒角、安裝孔等參數(shù)，簡化后結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 導風葉片簡化示意圖

4.2 控制方程、計算區(qū)域及邊界條件

本次研究中，列車設計速度為350 km/h。列車高速運行時，周圍流場處于紊流狀態(tài)，故選取k-ε兩方程紊流模型。當列車以350 km/h穩(wěn)態(tài)運行時，對應的馬赫數(shù)小于0.3，流動按不可壓縮流體流動計算。

列車運行中周圍流場區(qū)域會產(chǎn)生響應變化，但距列車足夠距離后，流場逐漸趨于穩(wěn)定。故計算區(qū)域為82 m×160 m×60 m，如圖4所示。

圖4 流場區(qū)域示意圖(m)

橫風作用下，高速列車的流場計算涉及的邊界條件為：在入口截面處，橫風方向與橋梁橫截面呈90°，風速為30 m/s。

5 計算結(jié)果及分析

5.1 高度對流場、氣動力系數(shù)、風速折減率的影響

5.1.1 高度對風速流場的影響

選取高度為3 m和2.5 m的葉片式導風屏障進行分析，兩種聲屏障高度下，列車周邊風速流場如圖5所示。

圖5 高度對列車周邊風速流場的影響圖

從圖5可以看出，由于葉片式導風屏障的遮蔽效應，列車和橋梁周圍的風速顯著降低。兩種高度下，列車和橋梁周圍的風速流場類似，在葉片式導風屏障與列車之間均形成明顯的漩渦。3 m高導風屏障列車頂部的低速風區(qū)遠小于2.5 m高導風屏障。

5.1.2 高度對氣動力系數(shù)的影響

高度對列車橋梁全動力系數(shù)的影響如圖6所示。

圖6 高度對列車氣動力系數(shù)、橋梁氣動力系數(shù)的影響圖

從圖6可以看出，安裝葉片式導風屏障后，列車的側(cè)力系數(shù)顯著降低，升力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)基本不受影響，3 m高葉片式導風屏障的升力系數(shù)明顯小于2.5 m高葉片式導風屏障，該結(jié)果與風速流場對列車頂部的影響完全呼應。

安裝葉片式導風屏障后，橋梁的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)稍有增加，但傾覆力矩系數(shù)降低。

5.1.3 高度對風速折減率的影響

風速折減率R反應了葉片式導風屏障對橋梁內(nèi)部風速衰減的情況，具體指葉片式導風屏障對近側(cè)軌道中心線處(如圖7所示)，從軌底到列車高度范圍內(nèi)風速減小的百分比。

圖7 風速提取示意圖

式中：V0——來風風速；

Vt——近側(cè)軌道中心線處，從軌底到列車高度范圍(透風率對風速折減率影響圖中橫軸用Y表示)內(nèi)風速的最小值。

高度對風速折減率的影響如圖8所示。從圖8可以看出，在0～4 m內(nèi)，有導風屏障的風速折減率顯著大于無導風屏障的風速折減率，風速折減率最少減小20%，且導風屏障越高，靠近列車頂部的風速折減率減小越小。

圖8 高度對風速折減率的影響圖

由此可見，葉片式導風屏障對橋梁內(nèi)部的風場影響顯著，對列車周圍風速有明顯的抑制作用，減小了列車周圍風速，降低了列車三分力系數(shù)，從而使列車受風的影響更小，行車更安全，同時對橋梁氣動力影響不大。

與2.5 m高導風屏障相比，3 m高葉片式導風屏障對列車周圍風速的降低效果更顯著，且不增大橋梁的氣動力系數(shù)。因此，從列車擋風性能和橋梁安全的角度考慮，葉片式導風屏障的高度宜取3 m。

5.2 透風率對流場、氣動力系數(shù)、風速折減率的影響

5.2.1 透風率對流場的影響

透風率對列車周邊風速流場的影響如圖9所示。

圖9 透風率對列車周邊風速流場的影響圖

從圖9可以看出：透風率為15%時，葉片式導風屏障與列車之間有明顯的漩渦(漩渦中心處速度應接近于0)；透風率為20%和25%時，未形成明顯旋渦；透風率增加到30%時，漩渦重新形成。

結(jié)合葉片式導風屏障的結(jié)構(gòu)特點，分析產(chǎn)生上述結(jié)果的原為：當透風率過小時，下部透過的橫風未被上方橫風抵消，對上方的回流影響較大，故形成漩渦；隨著透風率的增大，上下橫風趨于平衡，回流影響減小，漩渦被打亂；當透風率繼續(xù)增大，超過該平衡時，又出現(xiàn)形成漩渦的趨勢。

5.2.2 透風率對氣動力系數(shù)的影響

葉片式導風屏障透風率按5%的幅值變化，變化范圍為15%～30%時列車、橋梁的氣動力系數(shù)計算結(jié)果如圖10所示。

圖10 透風率對列車氣動力系數(shù)、橋梁氣動力系數(shù)的影響圖

從圖10可以看出：(1)隨透風率的增加，列車升力系數(shù)明顯增加，傾覆力矩系數(shù)基本無變化；側(cè)力系數(shù)在透風率小于25%時基本無變化，大于25%時突增：(2)橋梁三分力系數(shù)基本一致，不隨透風率的變化而變化。

透風率過高，列車三分力系數(shù)增加明顯，不利于安全行車；透風率過低，葉片式導風屏障自身承受的風荷載較大，制造成本會顯著增加。綜合考慮安全行車和制造成本，透風率宜取20%～25%。

5.2.3 透風率對風速折減率的影響

透風率對風速折減率的影響如圖11所示。

圖11 透風率對風速折減率的影響圖

從圖11可以看出：不同透風率下，葉片式導風屏障在列車高度范圍內(nèi)的風速折減率均達到70%以上；在列車中部以上高度(Y坐標2 m以上)處，透風率為30%的風速折減率偏小。

葉片式導風屏障透風率的改變影響列車周圍流場，對安全行車影響較大；但對橋梁受力和風速折減率影響較小。綜合考慮安全行車和建造成本，透風率宜取20%～25%。

5.3 導風角對流場、氣動力系數(shù)、風速折減率的影響

5.3.1 導風角對流場的影響

導風角對列車周邊風速流場的影響如圖12所示，因20°與10°的三分力系數(shù)基本一致，故本文僅列出0°和20°的流線圖。

圖12 導風角對列車周邊風速流場的影響圖

從圖12可以看出，導風面角度為0°時，葉片式導風屏障與列車之間有明顯的漩渦(漩渦中心處速度應接近于0)，導風面角度為20°時，未見明顯旋渦。

5.3.2 導風角對氣動力系數(shù)的影響

葉片式導風屏障導風葉片安裝后與橋梁橫向形成一個角度，導風角旨在改變強側(cè)風方向，減小垂直穿過葉片式導風屏障的風荷載，從而減小橫風對列車氣動性能的影響；同時減小橫風垂直作用下葉片式導風屏障和橋梁的受力。

透風率為25%，葉片式導風屏障導風角分別為0°、10°、20°時，列車、橋梁的氣動力系數(shù)計算結(jié)果如圖13所示。

圖13 導風角對列車、橋梁氣動力系數(shù)的影響圖

從圖13可以看出，列車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)隨導風角的增加而減小，傾覆力矩系數(shù)稍有增大；橋梁的三分力系數(shù)基本不隨導風角的變化而變化。

5.3.3 導風角對風速折減率的影響

葉片式導風屏障導風角變化對風速折減率的影響如圖14所示。

圖14 導風角對風速折減率的影響圖

從圖14可以看出，導風角的變化對風速折減率的影響不明顯。

導風角為20°時，列車、橋梁三分力系數(shù)最小且葉片式導風屏障承受外荷載最小，對列車安全運行與橋梁受力最有利。

6 結(jié)論

本文以某鋼桁梁斜拉橋為原型，采用數(shù)值模擬方法研究一種葉片式導風屏障對橫風環(huán)境下列車周圍流場、列車及氣動性能橋梁氣動性能的影響，得到以下主要結(jié)論：

(1)和不設置風屏障相比，安裝葉片式導風屏障后列車周圍的風速折減率最少減小20%；列車的側(cè)力系數(shù)降低，升力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)基本不受影響；橋梁的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)稍有增加，傾覆力矩系數(shù)降低。

(2)與2.5 m高風屏障相比，3 m高葉片式導風屏障對列車周圍的風速降低更顯著，且不增大橋梁的氣動力系數(shù)。因此，從列車擋風性能、橋梁安全的角度考慮，葉片式導風屏障的高度宜取3 m。

(3)葉片式導風屏障透風率為20%～25%時，列車周圍風場受回流影響小，列車三分力系數(shù)中僅升力系數(shù)增大，側(cè)力系數(shù)和傾覆力矩系數(shù)均不變，橋梁三分力系數(shù)也未增大；因此，透風率宜取20%～25%。

(4)葉片式導風屏障導風角為20°時，列車、橋梁三分力系數(shù)最小，且葉片式導風屏障自身承受風荷載最小，對列車安全運行最有利。

本文葉片式導風屏障對列車三分力系數(shù)、橋梁三分力系數(shù)的影響是通過數(shù)值模擬得出的，其對列車、橋梁安全性能的影響還需進一步通過-車-橋耦合分析及實橋測試進行驗證。