高墩橋梁上柵欄式防風(fēng)屏擋風(fēng)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(lái)，我國(guó)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(yùn)輸中，商用貨運(yùn)汽車發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。汽車在高墩橋梁上行駛，經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境側(cè)風(fēng)的作用。車輛在高速行駛過程中遇到橫風(fēng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致車輛的氣動(dòng)六分力迅速增加，尤其是對(duì)高速行駛時(shí)車輛的行駛穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的威脅。由強(qiáng)橫風(fēng)所導(dǎo)致的行駛車輛傾覆事故在世界各地時(shí)常發(fā)生，給橋梁、公路運(yùn)輸安全、駕駛員生命安全造成嚴(yán)重威脅。與此同時(shí)，在特殊的風(fēng)環(huán)境下，如高墩橋梁上，車輛車身周圍流場(chǎng)發(fā)生明顯改變，致使車輛所受氣動(dòng)荷載顯著增大，車輛傾覆的可能性也大大增加。因此對(duì)高墩橋梁上車輛防風(fēng)措施的研究迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)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(fēng)屏結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，將防風(fēng)屏設(shè)置在高速鐵路梁式橋上對(duì)其防風(fēng)性能進(jìn)行研究。西南交通大學(xué)向活躍[2]等對(duì)設(shè)置在高速鐵路上的防風(fēng)屏的防風(fēng)效果進(jìn)行研究，并對(duì)設(shè)置風(fēng)屏障的自身所受荷載進(jìn)行了研究。史康[3]等通過數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)百葉窗類型防風(fēng)屏防風(fēng)效果進(jìn)行了研究。蘇洋[4]等通過數(shù)值模擬和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)分析了風(fēng)屏障對(duì)列車氣動(dòng)效應(yīng)的降低效果，同時(shí)對(duì)車體周圍流場(chǎng)環(huán)境特性規(guī)律進(jìn)行了分析。安桂萍[5]對(duì)風(fēng)區(qū)鐵路沿線防風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析。胡博[6]等通過數(shù)值模擬方法對(duì)扁平鋼箱梁風(fēng)屏障防風(fēng)效果進(jìn)行了研究。

研究依托韓城跨黃河接萬(wàn)榮大橋工程，針對(duì)在高墩橋梁上這種復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下不同形式柵欄式防風(fēng)屏的擋風(fēng)效果進(jìn)行分析。由于數(shù)值模擬可以克服試驗(yàn)的局限性，易于模擬復(fù)雜工況且更加經(jīng)濟(jì)，故研究基于數(shù)值模擬以對(duì)風(fēng)敏感性較大的貨運(yùn)汽車作為受力對(duì)象，對(duì)柵欄式防風(fēng)屏對(duì)貨運(yùn)汽車氣動(dòng)效應(yīng)的減緩效果進(jìn)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(yùn)汽車和設(shè)置防風(fēng)屏橋梁的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在簡(jiǎn)化車輛細(xì)部構(gòu)造的基礎(chǔ)上，采用重疊網(wǎng)格技術(shù)對(duì)貨運(yùn)車輛在設(shè)置防風(fēng)屏橋梁上的行駛進(jìn)行模擬。

1.2 湍流模型

對(duì)于車輛和橋梁部件的氣動(dòng)效應(yīng)研究中，RNG k-ε模型對(duì)汽車和防風(fēng)屏外流場(chǎng)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(duì)在側(cè)風(fēng)作用下車輛-橋梁-防風(fēng)屏系統(tǒng)的流場(chǎng)和貨運(yùn)汽車的氣動(dòng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模型

研究選取沃爾沃重型貨運(yùn)汽車（Globetrotter XL）作為車輛模型，模型長(zhǎng)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(fēng)屏3.375 m。橋梁斷面長(zhǎng)寬高尺寸為115 m×18 m×3 m，單車道寬3.75 m。車速90 km/h，風(fēng)速25 m/s，防風(fēng)屏設(shè)置在橋梁兩側(cè)。將柵欄式防風(fēng)屏簡(jiǎn)化為幾個(gè)等間距的橫條。簡(jiǎn)化后的車輛、防風(fēng)屏、橋梁模型如圖1所示。

計(jì)算模型采用四面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格，對(duì)車輛、防風(fēng)屏、橋梁周圍分別進(jìn)行加密處理。最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s。不同類型的柵欄式防風(fēng)屏擋風(fēng)效果有所差別，其中防風(fēng)屏的孔隙形式對(duì)實(shí)際擋風(fēng)效果的影響較小，決定防風(fēng)屏擋風(fēng)效果的最主要因素是其防風(fēng)屏高度和透風(fēng)率。因此對(duì)柵欄式防風(fēng)屏這兩種因素進(jìn)行變動(dòng)，對(duì)其擋風(fēng)效果進(jìn)行研究。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

對(duì)柵欄式防風(fēng)屏模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)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(fēng)屏，設(shè)置厚度為80 mm，同時(shí)通過改變柵欄式防風(fēng)屏矩形板間距，變動(dòng)其透風(fēng)率分別為20%、30%、40%的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)柵欄式防風(fēng)屏的結(jié)構(gòu)尺寸工況。對(duì)不同高度、不同透風(fēng)率的柵欄式防風(fēng)屏的擋風(fēng)效果進(jìn)行了研究。經(jīng)過數(shù)值模擬計(jì)算得到高墩橋梁上行駛貨運(yùn)汽車所受氣動(dòng)六分力，繪制成折線圖，如圖2、圖3所示。

圖3 不同防風(fēng)屏高度、透風(fēng)率下貨運(yùn)車輛的力矩系數(shù)

由圖2可知：設(shè)置三種透風(fēng)率防風(fēng)屏下，貨運(yùn)汽車的阻力系數(shù)隨著防風(fēng)屏高度的增加逐漸減小，特別是防風(fēng)屏從3 m增加到3.5 m高度后，三種透風(fēng)率防風(fēng)屏阻力系數(shù)下降均超過15%。在防風(fēng)屏高度一定的情況下，貨運(yùn)汽車的阻力系數(shù)隨著防風(fēng)屏透風(fēng)率的增大而逐漸減小，這是因?yàn)樨涍\(yùn)車輛在行駛中車頭會(huì)擠壓行進(jìn)方向的空氣，此時(shí)部分被擠壓空氣會(huì)向兩側(cè)流動(dòng)，而防風(fēng)屏透風(fēng)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(jìn)而使車輛阻力系數(shù)降低。同時(shí)在防風(fēng)屏高度達(dá)到3.5 m后，繼續(xù)增大防風(fēng)屏高度對(duì)車輛阻力系數(shù)的降低幅度明顯降低。

圖2 不同防風(fēng)屏高度、透風(fēng)率下貨運(yùn)汽車的氣動(dòng)力系數(shù)

三種透風(fēng)率防風(fēng)屏下貨運(yùn)汽車的升力系數(shù)隨著防風(fēng)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(fēng)屏高度一定的情況下，貨運(yùn)汽車的升力系數(shù)隨著防風(fēng)屏透風(fēng)率的增大而隨之增大。這是因?yàn)榉里L(fēng)屏透風(fēng)率的增大會(huì)導(dǎo)致更多的側(cè)風(fēng)穿過柵欄式防風(fēng)屏，導(dǎo)致車輛升力系數(shù)增加。

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

由圖3可知：三種透風(fēng)率防風(fēng)屏下貨運(yùn)汽車的側(cè)傾力矩系數(shù)隨著防風(fēng)屏高度的增加逐漸減小。防風(fēng)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(fēng)率20%工況下降低幅度達(dá)到58.6%，在防風(fēng)屏高度達(dá)到3 m時(shí)，防風(fēng)屏對(duì)車輛側(cè)傾力系數(shù)的降低幅度明顯降低。隨著防風(fēng)屏透風(fēng)率的增大，車輛側(cè)傾力矩系數(shù)逐漸增加，同時(shí)防風(fēng)屏透風(fēng)率30%時(shí)再增加防風(fēng)屏透風(fēng)率，對(duì)側(cè)傾力矩系數(shù)的降低幅度下降。

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

三種透風(fēng)率防風(fēng)屏下貨運(yùn)汽車的橫擺力矩系數(shù)隨著防風(fēng)屏高度的增加逐漸減小，在防風(fēng)屏高度達(dá)到3 m時(shí)，防風(fēng)屏對(duì)車輛橫擺力矩系數(shù)的降低幅度明顯降低。隨著防風(fēng)屏透風(fēng)率的增大，車輛橫擺力矩系數(shù)逐漸增加，同時(shí)防風(fēng)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(dá)到57%。

綜上可知，防風(fēng)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(fēng)屏高度的增加，降低幅度明顯減小。隨著防風(fēng)屏透風(fēng)率的減小，車輛六分力系數(shù)逐漸減小，而透風(fēng)率的減小又會(huì)導(dǎo)致防風(fēng)屏自身受到較大靜力荷載。

4 結(jié)論

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

（2）柵欄式防風(fēng)屏透風(fēng)率的增大加快了被擠壓空氣的流出速度，從而減小了貨運(yùn)汽車受到的氣動(dòng)阻力。而貨運(yùn)汽車所受其他氣動(dòng)力隨著透風(fēng)率的增加而增大。但當(dāng)透風(fēng)率達(dá)到40%時(shí)，防風(fēng)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(fēng)屏的擋風(fēng)效果以及防風(fēng)屏自身的穩(wěn)定性，可以得知柵欄式防風(fēng)屏具有良好的擋風(fēng)效果，并且設(shè)置3.5 m高度和30%透風(fēng)率的柵欄式防風(fēng)屏最經(jīng)濟(jì)合理。