風(fēng)屏障對簡支箱梁橋上風(fēng)場分布影響的試驗研究

邱曉為， 李小珍， 譚懿玲， 李星星， 肖 軍,2,3

(1. 西南交通大學(xué) 橋梁工程系, 成都 610031； 2. 中交第二公路工程局有限公司， 西安 710065；3. 中交公路長大橋建設(shè)國家工程研究中心有限公司，北京 100011)

列車在大風(fēng)條件下高速運行時，存在著不容忽視的安全風(fēng)險，其空氣動力性能惡化，不僅升力、橫向力迅速增加，還影響橫向穩(wěn)定性，嚴重時將導(dǎo)致列車傾覆[1-4]，因強風(fēng)導(dǎo)致的列車晚點停運或傾覆事故屢見不鮮[5-6]，如日本自1872年有鐵路運輸以來，共發(fā)生了30多起由風(fēng)引起的列車事故[7-8]；中國蘭新線自通車以來因大風(fēng)引起的列車脫軌、傾覆事故多達30多起，吹翻貨車100多輛[9]；京滬高速鐵路沿線每年最高風(fēng)速大于20 m/s的次數(shù)約為19.2次[10]，對列車的行車安全性影響較大。相關(guān)學(xué)者通過將列車空氣動力學(xué)與系統(tǒng)動力學(xué)相結(jié)合，對強側(cè)向風(fēng)作用下車-橋耦合振動系統(tǒng)進行了廣泛的研究[11-12]，根據(jù)強風(fēng)環(huán)境下列車運行安全保障體系[13]，與優(yōu)化列車外形、限制或停止列車運行等措施相比，大風(fēng)區(qū)設(shè)置風(fēng)屏障是提高既有線路列車安全運行的有效措施[14-15]。

沿線路設(shè)置風(fēng)屏障可以為列車創(chuàng)造一個相對低速的局部運行環(huán)境，進而有效提高列車行車安全性，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)屏障防風(fēng)性能做了廣泛地研究。研究表明：風(fēng)屏障的遮擋效應(yīng)主要受其設(shè)置高度、設(shè)置方向、透風(fēng)率、孔隙分布等特征參數(shù)的影響[16]，相較于其他特征參數(shù)，風(fēng)屏障的優(yōu)化設(shè)計往往取決于選擇最佳的透風(fēng)率[17]，Seginer[18]通過現(xiàn)場測量結(jié)果表明風(fēng)屏障的透風(fēng)率是決定其尾流特性最為重要的設(shè)計參數(shù)；Dong等[19]利用粒子圖像測速技術(shù)試驗方法研究了風(fēng)屏障后的瞬時速度場，表征了湍流場對風(fēng)屏障的遮蔽效應(yīng)有很大影響，優(yōu)化了風(fēng)屏障的高度和透風(fēng)率；向活躍等[20]采用風(fēng)壓排管測試技術(shù)開展了風(fēng)洞模型試驗，并結(jié)合數(shù)值模擬研究了風(fēng)屏障特征參數(shù)對典型線路軌道上方風(fēng)壓分布的影響，分析了風(fēng)屏障的氣動機理。除關(guān)注風(fēng)屏障遮蔽效應(yīng)下的流場特性之外，相關(guān)學(xué)者結(jié)合列車和橋梁的流場和氣動力開展了關(guān)于風(fēng)屏障遮蔽效應(yīng)的研究，如He等[21-24]基于同步測壓技術(shù)與數(shù)值仿真方法研究了風(fēng)屏障特征參數(shù)對典型列車-橋梁系統(tǒng)氣動力的影響，為提高列車在側(cè)風(fēng)條件下在橋上運行安全性，提出了一種可調(diào)節(jié)的百葉式風(fēng)屏障；Guo等[25-26]通過風(fēng)洞試驗分析了風(fēng)屏障特征參數(shù)對車橋系統(tǒng)氣動力特性的影響規(guī)律，并對風(fēng)屏障高度及透風(fēng)率進行了參數(shù)化研究，結(jié)果表明風(fēng)屏障能有效地降低了列車上的阻力和彎矩，但提高了橋梁的阻力和彎矩系數(shù)。風(fēng)屏障遮蔽效應(yīng)隨透風(fēng)率增大的變化趨勢并非線性，而是在某一透風(fēng)率范圍內(nèi)趨于穩(wěn)定[27]，考慮風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)下的平均風(fēng)速及湍流特性，Hagen等[28-30]通過現(xiàn)場實測、風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬等方法研究表明風(fēng)屏障最佳透風(fēng)率約為0.3或0.4。

線路構(gòu)造形式差異對風(fēng)屏障的防風(fēng)效果影響較大，相較于平地，橋上運行的列車對側(cè)風(fēng)作用更加敏感，其原因在于：由于橋梁的存在改變了列車橫截面的縱橫比，進而改變橫風(fēng)作用下列車周圍及列車表面的壓力分布情況[31]，具體地，橋上列車背風(fēng)側(cè)漩渦尺寸及數(shù)量都大于平地情況，致使列車背風(fēng)側(cè)負壓區(qū)較大，導(dǎo)致橋上列車側(cè)力和傾覆力矩較大[32]，而明確橋梁軌道上方風(fēng)場分布特性是進行車輛氣動荷載優(yōu)化的前提。高速鐵路線路中的簡支箱梁結(jié)構(gòu)在橋梁總里程中所占比重較大，以京滬高鐵為例，正線橋梁244座，總長1 061 km，其中最常用的跨度32 m雙線整孔簡支梁共計27 973孔，全線簡支梁橋總長搭956 km，占橋梁總里程的90%以上[33]。本文針對高速鐵路典型跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁為研究對象，采用風(fēng)洞試驗的方法，考慮風(fēng)速、湍流強度等影響因素，采集了軌道中心不同橋面高度處的風(fēng)場信息，通過引入變異系數(shù)開展非一致性分析，并系統(tǒng)研究了風(fēng)屏障對橋面風(fēng)場的影響規(guī)律，得到了典型跨度簡支箱梁的風(fēng)場特征預(yù)估剖面圖，確定了典型鐵路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的等效風(fēng)速比，為后續(xù)風(fēng)屏障設(shè)計及高速列車行車安全性評價提供依據(jù)。

1 試驗概況及測試方法

試驗場地為西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞試驗室，其寬、高、長分別為22.5，4.5，36.0 m，風(fēng)洞空置時的風(fēng)速范圍為0～16.5 m/s，湍流強度1.0%以下，可以模擬JTG/TD 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[34]要求的風(fēng)剖面、湍流強度、風(fēng)速譜等。

試驗研究的橋梁原型為高速鐵路典型跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁，梁高為3.052 m，梁面寬度為12.6 m。相關(guān)研究表明[35]高度為3 m的風(fēng)屏障防風(fēng)效果較好，主要考慮透風(fēng)率的影響，試驗?zāi)Ｐ筒捎?∶30的幾何縮尺比加工制作，橋梁和風(fēng)屏障的材料類型分別為優(yōu)質(zhì)木材和碳纖維板，保證了模型具有足夠的剛度和強度。橋梁-風(fēng)屏障系統(tǒng)風(fēng)場剖面測試模型截面如圖1所示，測試節(jié)段模型的長度為3 300 mm，其中風(fēng)屏障模型厚度為1.5 mm，高度為100 mm，結(jié)構(gòu)的長度和厚度方向與其高度方向的比值分別為33和0.015，因此可以將風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)看作二維障礙物，忽略其順風(fēng)邊緣對氣流分離的影響。風(fēng)屏障采用雙側(cè)布置，考慮透風(fēng)率15%，30%，45%三種類型，開孔形式為均勻分布的圓孔陣列式，如圖2所示。相關(guān)研究表明：側(cè)向風(fēng)在流經(jīng)橋面時會形成一定厚度的附面層，即距離橋面一定高度范圍內(nèi)，不同高度的風(fēng)速是不同的。本文以CRH3型列車為背景，沿簡支箱梁軌道中心上方布置風(fēng)場測試點，其中H1～H7為簡支梁橋面風(fēng)場采集區(qū)，考慮到風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)的影響，設(shè)置H1～H9為風(fēng)屏障風(fēng)場效應(yīng)采集區(qū)，測點布置詳如表1所示。

圖1 測試模型示意圖(mm)

圖2 風(fēng)屏障防風(fēng)孔示意圖(mm)

表1 測點位置

(a) 湍流場布置

2 數(shù)據(jù)分析

眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀采集三維脈動風(fēng)速，以u表示來流方向風(fēng)速，v表示沿橋軸線方向風(fēng)速，w表示垂直橋面方向風(fēng)速，總風(fēng)速V是三個方向風(fēng)速矢量的合成。本質(zhì)上隨機的自然風(fēng)可以分解成平均風(fēng)和脈動風(fēng)，如式(1)～式(4)所示，以湍流強度Iuu，Ivv，Iww表征測點各方向的脈動風(fēng)分量，Iuvw表征整體湍流強度，如式(5)～式(8)所示。

(1)

(2)

(3)

(4)

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(7)

(8)

2.1 測點樣本分析

為表征橋面風(fēng)場的三維特性，本文以合成風(fēng)速V和整體湍流強度Iuvw為研究對象。以迎風(fēng)側(cè)軌道中心測點H5，即列車高度處風(fēng)場采集樣本為例，均勻來流風(fēng)速等級為6 m/s，其時程曲線如圖4所示，通過統(tǒng)計分析可知：風(fēng)場在連續(xù)的時間域內(nèi)服從Gaussian分布，風(fēng)速統(tǒng)計均值與擬合均值基本相等；與來流風(fēng)速相比，測點風(fēng)速的離散性及均值較大，說明受主梁遮擋效應(yīng)的影響，橋面上方存在風(fēng)速和湍流強度的放大效應(yīng)，該測點時間平均速度、總體湍流強度分別為7.89 m/s和1.06%，是來流風(fēng)速的1.29倍和1.46倍。

(a) 時程曲線

2.2 風(fēng)速對分析測點的影響

為進一步研究不同等級均勻來流風(fēng)速對迎風(fēng)側(cè)軌道中心H5測點的影響，基于最小二乘法理論，以線性擬合的方式給出來流風(fēng)速與H5測點風(fēng)速之間的變化關(guān)系，其擬合直線通過原點，直線斜率即為測點風(fēng)速與來流風(fēng)速的比值，如圖5(a)所示，可以看出：測試數(shù)據(jù)的擬合效果較好，其相關(guān)系數(shù)r約等于1，測點風(fēng)速與來流風(fēng)速之間具有良好的線性關(guān)系，說明風(fēng)速比受試驗雷諾數(shù)效應(yīng)較小，試驗結(jié)果可以忽略雷諾數(shù)效應(yīng)的影響；通過統(tǒng)計分析可知測點樣本風(fēng)速比均值的標(biāo)準(zhǔn)誤差為4.25×10-3，大于擬合直線斜率的標(biāo)準(zhǔn)誤差，說明以樣本數(shù)據(jù)擬合的直線斜率可以相對合理地預(yù)測總體數(shù)據(jù)情況，故該測點的風(fēng)速與來流風(fēng)速之比可以取值為1.28，以樣本擬合斜率近似作為總體數(shù)據(jù)的預(yù)估值。經(jīng)統(tǒng)計分析不同等級的來流風(fēng)速對迎風(fēng)側(cè)H5測點位置的湍流強度影響較小(圖5(b)所示)，但總體呈上升趨勢，取其多速度等級來流風(fēng)作用下的均值1.12%作為該測點湍流強度的預(yù)估值，其標(biāo)準(zhǔn)誤差為0.6‰，預(yù)估值的準(zhǔn)確性可以滿足要求。

(a) 測點風(fēng)速擬合

2.3 湍流強度對分析測點的影響

為探究湍流風(fēng)場對軌道中心H5測點風(fēng)場特征的影響，本文通過布置尖塔建立湍流風(fēng)場(詳見圖3(a))，其湍流強度為9.05%，標(biāo)準(zhǔn)誤差0.24%。根據(jù)前述數(shù)據(jù)處理方法，給出軌道中心H5測點風(fēng)場特征參數(shù)圖，如圖6所示，可以看出：湍流風(fēng)場中H5測點的測試數(shù)據(jù)線性擬合效果較好，過原點擬合直線的斜率可以近似看作該測點的風(fēng)速比；與均勻風(fēng)場相似，湍流風(fēng)場中風(fēng)速對測點的湍流強度影響較小，受簡支箱梁遮擋效應(yīng)的影響，迎風(fēng)側(cè)H5測點的風(fēng)速比及湍流強度較低，而背風(fēng)側(cè)較高；與均勻流場相比，湍流風(fēng)場下的軌道中心H5測點風(fēng)速比相對較小，具有顯著的折減效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計安全性考慮，本文后續(xù)主要針對均勻流場進行分析。

圖6 H5測點風(fēng)場特征參數(shù)

2.4 風(fēng)屏障對分析測點的影響

透風(fēng)率是風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，本文通過設(shè)置透風(fēng)率為15%，30%，45%的三種風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)(詳見圖2)探究風(fēng)屏障透風(fēng)率對軌道中心H5測點風(fēng)場特征的影響。測點風(fēng)場特征如圖7所示，可以看出：由于屏蔽作用，風(fēng)屏障顯著地降低了屏后的平均風(fēng)速，其遮擋效率與透風(fēng)率呈負相關(guān)。當(dāng)風(fēng)屏障透風(fēng)率較高時(30%，45%)，測點風(fēng)速與來流風(fēng)速具有良好的線性關(guān)系，過原點擬合直線的斜率可以近似看作該測點的風(fēng)速比，與裸梁狀態(tài)相似，其迎風(fēng)側(cè)的風(fēng)速比大于背風(fēng)側(cè)風(fēng)速比；與其他工況相比，透風(fēng)率30%風(fēng)屏障遮擋效應(yīng)下，橋梁背風(fēng)側(cè)測點位置的湍流強度較高且隨來流風(fēng)速增大而增大，其風(fēng)速過原點擬合直線的相關(guān)性相對較差，測點湍流強度可能會影響風(fēng)速比的擬合精度。當(dāng)屏障透風(fēng)率較低時(15%)，風(fēng)屏障阻擋了大部風(fēng)分的來流風(fēng)，并在兩個風(fēng)屏障之間產(chǎn)生了一個反向流動的區(qū)域，測點湍流強度隨風(fēng)速的增大而增大，而測點風(fēng)速受來流風(fēng)速影響較小(小于2.1 m/s)，試驗結(jié)果與文獻[30]模擬結(jié)果相似。

(a) 風(fēng)速特征

3 典型跨度簡支箱梁鐵路橋面風(fēng)場特征分析

為統(tǒng)計分析不同來流風(fēng)速UO對特征風(fēng)剖面的影響，以變異系數(shù)作為風(fēng)速非一致性指標(biāo)，通過引入變異系數(shù)CV的方式評價不同測點高度下風(fēng)速比、湍流強度預(yù)估值的合理性，變異系數(shù)CV的表達式如式(9)所示。

CV=(σ/μ)×100%

(9)

式中：σ表示來流風(fēng)速作用下統(tǒng)計變量的標(biāo)準(zhǔn)差；μ表示各來流風(fēng)速作用下統(tǒng)計變量的預(yù)估值。

如前所述，以樣本風(fēng)速的擬合斜率作為風(fēng)速比總體數(shù)據(jù)的均值，給出不同測點測試樣本的標(biāo)準(zhǔn)差，通過統(tǒng)計分析得到不同來流風(fēng)速作用下典型跨度簡支箱梁鐵路橋面風(fēng)場的非一致性指標(biāo)。

3.1 簡支箱梁橋面風(fēng)場的非一致性分析

圖8(a1)和圖8(b1)所示為裸梁狀態(tài)下橋面特征非一致性指標(biāo)統(tǒng)計圖，可以看出：與其他測點相比，迎風(fēng)側(cè)H1測點處風(fēng)速比的變異系數(shù)較大，為14.7%，其原因主要在于：① 該測點靠近橋面的附面層，平均風(fēng)速較小，超出了眼鏡蛇三維脈動風(fēng)速測量儀的采集精度，測量誤差較大；② 該測點在不同風(fēng)速等級作用下的風(fēng)速比可能受湍流強度的影響較大。除迎風(fēng)側(cè)H1測點外，總體上典型跨度簡支箱梁鐵路橋面風(fēng)場特征參數(shù)受來流風(fēng)速的影響較小，其中風(fēng)速比變異系數(shù)均小于5%，并隨測點高度的增加而減小，結(jié)果穩(wěn)定性較高，以樣本風(fēng)速的擬合斜率作為風(fēng)速比的最終估值較為合理。與風(fēng)速比相反，湍流強度的變異系數(shù)隨著測點高度的增加呈增大趨勢，各測點的變異系數(shù)均小于8%，結(jié)果穩(wěn)定性相對較高。

(a1) 風(fēng)速比非一致性指標(biāo)

通過前述橋面風(fēng)場的非一致性指標(biāo)分析可知各等級來流風(fēng)速作用下的橋面風(fēng)場特征參數(shù)均值與預(yù)估值吻合較好，裸梁狀態(tài)下橋面特征剖面圖如圖8(a2)和圖8(b2)所示，可以看出：與來流風(fēng)速相比，橋面軌道中心部分位置的風(fēng)速增加可達33%；受橋梁繞流的影響，風(fēng)速比和湍流強度與測點高度有很大的關(guān)系，就車輛高度范圍內(nèi)(測點H5以下)風(fēng)場特征而言，其波動明顯，隨著測點高度的增加風(fēng)速呈增大趨勢，而風(fēng)場的湍流強度隨著測點高度的增加呈減小趨勢；與迎風(fēng)側(cè)相比，主梁繞流對背風(fēng)側(cè)軌道中心風(fēng)場的影響范圍較大，迎風(fēng)側(cè)、背風(fēng)側(cè)軌道中心風(fēng)場特征受橋梁繞流影響的主要范圍分別在測點H3和H4以下；與迎風(fēng)側(cè)軌道中心風(fēng)場分布特征相比，背風(fēng)側(cè)的風(fēng)速比和湍流強度隨測點高度的變化較為平緩，背風(fēng)側(cè)風(fēng)速比拐點(風(fēng)速比為1的預(yù)估測點高度)高度大于迎風(fēng)側(cè)風(fēng)速拐點高度。

3.2 風(fēng)屏障屏蔽作用橋面風(fēng)場的非一致性分析

為進一步研究風(fēng)屏障對橋面風(fēng)場的屏蔽機理，以透風(fēng)率30%的風(fēng)屏障試驗對象，如圖9(a1)和圖9(b1)所示統(tǒng)計分析得到屏蔽作用下橋面風(fēng)場的非一致性指標(biāo)，可以看出：與裸梁狀態(tài)相比(圖8(a1)，圖8(b1))，風(fēng)屏障作用下的橋面風(fēng)場特征變異系數(shù)普遍較大，說明來流風(fēng)速對預(yù)估值的影響較大，僅以單一風(fēng)速評價屏后流場特性是不合理的；風(fēng)屏障屏蔽作用下的風(fēng)速比非一致性指標(biāo)與其湍流強度有關(guān)，風(fēng)速比的變異系數(shù)與湍流強度變異系數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系，如H4測點的迎、背風(fēng)側(cè)湍流強度變異系數(shù)分別為18.8%、17.6%，其風(fēng)速比變異系數(shù)分別達到了13.5%、13.6%。

(a1) 風(fēng)速比非一致性指標(biāo)

圖9(a2)和圖9(b2)所示為風(fēng)屏障屏蔽橋面風(fēng)場特征參數(shù)剖面圖，與裸梁狀態(tài)相比，風(fēng)屏障有效地降低了橋面的平均風(fēng)速，風(fēng)速比拐點向更高點移動，測點結(jié)果有一定的離散性。通過前述橋面風(fēng)場的非一致性指標(biāo)分析可知：受風(fēng)屏障的屏蔽作用，各等級來流風(fēng)速作用下橋面?zhèn)€別測點的風(fēng)場特征參數(shù)，尤其是湍流強度，均值與預(yù)估值存在一定的誤差，其原因主要有兩個方面：一是風(fēng)屏障顯著降低了屏后的風(fēng)速，受測量儀器精度限值，測量存在誤差；另一個方面兩側(cè)風(fēng)屏障之前形成反向流區(qū)，增大了流場湍流強度的離散性，進而導(dǎo)致了風(fēng)速比擬合精度降低。

3.3 橋面等效風(fēng)速比分析

通常以矩形風(fēng)剖面等效實際風(fēng)剖面，等效原則為矩形風(fēng)剖面和實際風(fēng)剖面壓力總和相等，將等效風(fēng)速無量綱后即可得到等效風(fēng)速比，其計算公式如式(10)所示

(10)

式中：r為等效風(fēng)速比；H為等效高度，即橋面上行駛列車的側(cè)風(fēng)高度范圍(H5測點以內(nèi))；V為風(fēng)剖面內(nèi)風(fēng)速值；UO為來流風(fēng)速；δ為風(fēng)速比。

以車底位置H1作為坐標(biāo)原點，車頂位置H5作為坐標(biāo)終點，為減少試驗誤差，通過前述分析以擬合風(fēng)速比作為各測點的合理預(yù)估值，給出列車橫風(fēng)高度范圍內(nèi)的等效風(fēng)速比，如圖10所示。其中屏蔽橋面的風(fēng)屏障透風(fēng)率為30%，可以看出：與迎風(fēng)側(cè)相比，總的來說背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)速較小，受主梁遮擋效應(yīng)的影響，裸梁橋面等效風(fēng)場具有放大效應(yīng)，風(fēng)屏障屏蔽作用下橋面背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)場的變異系數(shù)為10.4%，結(jié)果存在一定誤差，原因前述已做說明，此處不再贅述；風(fēng)屏障等效風(fēng)場折減效應(yīng)顯著，其迎、背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)速分別裸梁狀態(tài)下的21.6%和19.4%。

圖10 橋面等效風(fēng)速比

4 結(jié) 論

本文采風(fēng)洞試驗的方法探究了橫風(fēng)作用下風(fēng)屏障對典型跨度32 m預(yù)應(yīng)力混凝土簡支箱梁軌道中心風(fēng)場特征分布規(guī)律及影響機理，得到如下結(jié)論：

(1) 基于最小二乘法理論對試驗數(shù)據(jù)進行過原點的線性擬合分析，測點風(fēng)速與來流風(fēng)速之間具有良好的線性關(guān)系，以樣本數(shù)據(jù)擬合的直線斜率可以相對合理地預(yù)測總體數(shù)據(jù)情況。

(2) 均勻風(fēng)場中受主梁遮擋效應(yīng)的影響，裸梁橋面等效風(fēng)場具有放大效應(yīng)，橋面軌道中心部分位置的風(fēng)速增加可達32.8%，而湍流風(fēng)場會弱化這種放大效應(yīng)。

(3) 與裸梁橋面風(fēng)場湍流強度相比，均勻風(fēng)場中來流風(fēng)速對風(fēng)屏障屏蔽作用下的橋面風(fēng)場湍流強度影響較大，其風(fēng)速比非一致性指標(biāo)與其湍流強度的變異性相關(guān)。

(4) 風(fēng)屏障可以有效地降低橋面風(fēng)場的平均風(fēng)速，風(fēng)場折減效應(yīng)與其透風(fēng)率有關(guān)，其中透風(fēng)率30%的風(fēng)屏障屏蔽作用下其迎、背風(fēng)側(cè)等效風(fēng)速分別為裸梁狀態(tài)下的21.6%和19.4%，但繞流區(qū)的湍流強度會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。