高墩橋梁上柵欄式防風屏擋風效果分析

朱占猛,閆亞光

(河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056107)

0 引言

近年來，我國高速公路橋梁網(wǎng)絡(luò)處于快速發(fā)展階段，而在公路交通運輸中，商用貨運汽車發(fā)揮著越來越重要的作用。汽車在高墩橋梁上行駛，經(jīng)常會受到環(huán)境側(cè)風的作用。車輛在高速行駛過程中遇到橫風時，會導(dǎo)致車輛的氣動六分力迅速增加，尤其是對高速行駛時車輛的行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的威脅。由強橫風所導(dǎo)致的行駛車輛傾覆事故在世界各地時常發(fā)生，給橋梁、公路運輸安全、駕駛員生命安全造成嚴重威脅。與此同時，在特殊的風環(huán)境下，如高墩橋梁上，車輛車身周圍流場發(fā)生明顯改變，致使車輛所受氣動荷載顯著增大，車輛傾覆的可能性也大大增加。因此對高墩橋梁上車輛防風措施的研究迫在眉睫。

國內(nèi)外學(xué)者對此進行了一些研究，石家莊鐵道大學(xué)趙俊娜[1]等改變?nèi)忾]型防風屏結(jié)構(gòu)進行研究，將防風屏設(shè)置在高速鐵路梁式橋上對其防風性能進行研究。西南交通大學(xué)向活躍[2]等對設(shè)置在高速鐵路上的防風屏的防風效果進行研究，并對設(shè)置風屏障的自身所受荷載進行了研究。史康[3]等通過數(shù)值模擬技術(shù)對百葉窗類型防風屏防風效果進行了研究。蘇洋[4]等通過數(shù)值模擬和風洞實驗分析了風屏障對列車氣動效應(yīng)的降低效果，同時對車體周圍流場環(huán)境特性規(guī)律進行了分析。安桂萍[5]對風區(qū)鐵路沿線防風屏障結(jié)構(gòu)靜動力分析。胡博[6]等通過數(shù)值模擬方法對扁平鋼箱梁風屏障防風效果進行了研究。

研究依托韓城跨黃河接萬榮大橋工程，針對在高墩橋梁上這種復(fù)雜風環(huán)境下不同形式柵欄式防風屏的擋風效果進行分析。由于數(shù)值模擬可以克服試驗的局限性，易于模擬復(fù)雜工況且更加經(jīng)濟，故研究基于數(shù)值模擬以對風敏感性較大的貨運汽車作為受力對象，對柵欄式防風屏對貨運汽車氣動效應(yīng)的減緩效果進行了分析。

1 數(shù)值模擬

1.1 重疊網(wǎng)格技術(shù)

為了更好地模擬貨運汽車和設(shè)置防風屏橋梁的相對運動，在簡化車輛細部構(gòu)造的基礎(chǔ)上，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)對貨運車輛在設(shè)置防風屏橋梁上的行駛進行模擬。

1.2 湍流模型

對于車輛和橋梁部件的氣動效應(yīng)研究中，RNG k-ε模型對汽車和防風屏外流場的模擬效果較好，因此研究使用數(shù)值模擬仿真軟件Starccm+，采用k-ε兩方程模型，對在側(cè)風作用下車輛-橋梁-防風屏系統(tǒng)的流場和貨運汽車的氣動荷載進行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模型

研究選取沃爾沃重型貨運汽車（Globetrotter XL）作為車輛模型，模型長寬高尺寸為16.5 m×2.7 m×3.7 m。橋梁模型為雙向4車道橋梁，車輛位于靠近橋梁邊緣的第一車道，車輛中心距離防風屏3.375 m。橋梁斷面長寬高尺寸為115 m×18 m×3 m，單車道寬3.75 m。車速90 km/h，風速25 m/s，防風屏設(shè)置在橋梁兩側(cè)。將柵欄式防風屏簡化為幾個等間距的橫條。簡化后的車輛、防風屏、橋梁模型如圖1所示。

計算模型采用四面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格，對車輛、防風屏、橋梁周圍分別進行加密處理。最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m，時間步長為0.001 s。不同類型的柵欄式防風屏擋風效果有所差別，其中防風屏的孔隙形式對實際擋風效果的影響較小，決定防風屏擋風效果的最主要因素是其防風屏高度和透風率。因此對柵欄式防風屏這兩種因素進行變動，對其擋風效果進行研究。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對柵欄式防風屏模型進行適當簡化后，取高度分別為2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m的柵欄式防風屏，設(shè)置厚度為80 mm，同時通過改變柵欄式防風屏矩形板間距，變動其透風率分別為20%、30%、40%的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)柵欄式防風屏的結(jié)構(gòu)尺寸工況。對不同高度、不同透風率的柵欄式防風屏的擋風效果進行了研究。經(jīng)過數(shù)值模擬計算得到高墩橋梁上行駛貨運汽車所受氣動六分力，繪制成折線圖，如圖2、圖3所示。

圖3 不同防風屏高度、透風率下貨運車輛的力矩系數(shù)

由圖2可知：設(shè)置三種透風率防風屏下，貨運汽車的阻力系數(shù)隨著防風屏高度的增加逐漸減小，特別是防風屏從3 m增加到3.5 m高度后，三種透風率防風屏阻力系數(shù)下降均超過15%。在防風屏高度一定的情況下，貨運汽車的阻力系數(shù)隨著防風屏透風率的增大而逐漸減小，這是因為貨運車輛在行駛中車頭會擠壓行進方向的空氣，此時部分被擠壓空氣會向兩側(cè)流動，而防風屏透風率的增大加快了被擠壓空氣的流出速度，從而減小了車輛受到的阻力，進而使車輛阻力系數(shù)降低。同時在防風屏高度達到3.5 m后，繼續(xù)增大防風屏高度對車輛阻力系數(shù)的降低幅度明顯降低。

圖2 不同防風屏高度、透風率下貨運汽車的氣動力系數(shù)

三種透風率防風屏下貨運汽車的升力系數(shù)隨著防風屏高度的增加逐漸減小，平均降低幅度為46.3%，與車輛阻力系數(shù)相反，在防風屏高度一定的情況下，貨運汽車的升力系數(shù)隨著防風屏透風率的增大而隨之增大。這是因為防風屏透風率的增大會導(dǎo)致更多的側(cè)風穿過柵欄式防風屏，導(dǎo)致車輛升力系數(shù)增加。

三種透風率防風屏下貨運汽車的側(cè)向力系數(shù)隨著防風屏高度的增加逐漸減小，在防風屏高度達到3 m時，防風屏對車輛側(cè)向力系數(shù)的降低幅度明顯降低。隨著防風屏透風率的增大，車輛側(cè)向力系數(shù)逐漸增加。同時透風率從40%減小到30%，車輛六分力系數(shù)平均降低幅度達到26%。

由圖3可知：三種透風率防風屏下貨運汽車的側(cè)傾力矩系數(shù)隨著防風屏高度的增加逐漸減小。防風屏高度從2 m增加到3 m，車輛側(cè)傾力系數(shù)降低效果顯著，尤其是透風率20%工況下降低幅度達到58.6%，在防風屏高度達到3 m時，防風屏對車輛側(cè)傾力系數(shù)的降低幅度明顯降低。隨著防風屏透風率的增大，車輛側(cè)傾力矩系數(shù)逐漸增加，同時防風屏透風率30%時再增加防風屏透風率，對側(cè)傾力矩系數(shù)的降低幅度下降。

三種透風率防風屏下貨運汽車的縱傾力矩系數(shù)隨著防風屏高度的增加逐漸減小，在防風屏高度達到3 m時，防風屏對車輛縱傾力矩系數(shù)的降低幅度明顯降低。隨著防風屏透風率的增大，車輛縱傾力矩系數(shù)逐漸增加。

三種透風率防風屏下貨運汽車的橫擺力矩系數(shù)隨著防風屏高度的增加逐漸減小，在防風屏高度達到3 m時，防風屏對車輛橫擺力矩系數(shù)的降低幅度明顯降低。隨著防風屏透風率的增大，車輛橫擺力矩系數(shù)逐漸增加，同時防風屏高度從2 m增加到3.5 m，車輛六分力系數(shù)平均降低幅度達到57%。

綜上可知，防風屏高度從2 m增加到3.5 m，車輛六分力系數(shù)降低效果顯著，超過3.5 m后，隨著防風屏高度的增加，降低幅度明顯減小。隨著防風屏透風率的減小，車輛六分力系數(shù)逐漸減小，而透風率的減小又會導(dǎo)致防風屏自身受到較大靜力荷載。

4 結(jié)論

（1）通過建立貨運汽車、防風屏和高墩橋梁的數(shù)值簡化模型，計算柵欄式防風屏不同高度、透風率下貨運汽車的氣動特性。隨著柵欄式防風屏高度的增加，防風屏的擋風效果逐漸增加，但柵欄式防風屏高度到達3.5 m后，防風屏對橋上車輛氣動效應(yīng)降低效果明顯降低。

（2）柵欄式防風屏透風率的增大加快了被擠壓空氣的流出速度，從而減小了貨運汽車受到的氣動阻力。而貨運汽車所受其他氣動力隨著透風率的增加而增大。但當透風率達到40%時，防風效果明顯降低。

（3）經(jīng)過數(shù)值模擬，結(jié)合不同形式的柵欄式防風屏的擋風效果以及防風屏自身的穩(wěn)定性，可以得知柵欄式防風屏具有良好的擋風效果，并且設(shè)置3.5 m高度和30%透風率的柵欄式防風屏最經(jīng)濟合理。