鄭修凱，楊娜，張建

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

列車在地面上行駛時(shí)，由于空氣黏性作用使周圍的空氣被列車表面帶動(dòng)并隨之一起運(yùn)動(dòng)，形成列車風(fēng)［1－2］。列車風(fēng)使列車周圍環(huán)境空氣壓力波動(dòng)，在臨近線路建筑物上產(chǎn)生波動(dòng)壓力。隨著列車運(yùn)行速度提高，列車風(fēng)壓隨之迅速增強(qiáng)，強(qiáng)烈的列車風(fēng)壓會對沿線建筑物產(chǎn)生很大甚至破壞性影響。設(shè)計(jì)者在對臨近高速鐵路的建筑物進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮列車風(fēng)壓對臨近建筑物的影響，以保證這些建筑物的安全?？缇€天橋是典型的高速鐵路臨近建筑物，目前國內(nèi)外對于跨線天橋的研究主要集中在列車通過時(shí)所引起的天橋振動(dòng)以及減振措施［3］，對于列車通過時(shí)跨線天橋表面的氣動(dòng)壓力研究主要集中在天橋底面［4］。高速列車經(jīng)過時(shí)列車風(fēng)對跨線天橋迎風(fēng)面、背風(fēng)面也會產(chǎn)生顯著影響，但國內(nèi)外對于天橋迎風(fēng)面、背風(fēng)面氣動(dòng)壓力分布規(guī)律研究較少。本文結(jié)合我國高速列車和跨線天橋的情況，采用三維非定?？蓧嚎sk－ε二方程湍流模型［4－5］，對高速列車通過跨線天橋時(shí)作用在跨線天橋表面上的氣動(dòng)壓力進(jìn)行數(shù)值模擬，確定天橋迎風(fēng)面、背風(fēng)面和底面所受到的氣動(dòng)壓力分布規(guī)律。

1 幾何模型和網(wǎng)格劃分

列車外型參考CRH380型動(dòng)車組［6］，CRH380型動(dòng)車組采用流線化外型，具有良好的氣動(dòng)特性，其中CRH380頭部結(jié)構(gòu)由縱向雙曲拱面、縱向五曲拱面設(shè)計(jì)而成。為控制計(jì)算規(guī)模，列車由流線化車頭、車身和車尾組成，頭車和尾車長度為25 m，車身長60 m，模型總長110 m，列車寬度3.38 m，列車高度3.7 m，如圖1所示。

圖1 CRH380動(dòng)車組模型外貌Fig.1 CRH380 EMUmodel appearance

火車站共設(shè)5臺7線，其中2條正線、5條到發(fā)線。人行天橋位于站房中心線處，左右對稱，長為81.765 m，寬為64.3 m，高為8.2 m，橋面凈寬15 m，結(jié)構(gòu)形式為鋼結(jié)構(gòu)，采用鋼筋混凝土組合橋面板。

計(jì)算區(qū)域尺寸為400 m×200 m×30 m［7－8］，將整個(gè)計(jì)算區(qū)域分層次劃分網(wǎng)格。列車表面及跨線天橋附近網(wǎng)格劃分較細(xì)，外部流域尺寸較大網(wǎng)格劃分較粗。列車通過部分采用滑移網(wǎng)格［9－10］，滑移區(qū)域采用四面體非結(jié)構(gòu)化與六面體結(jié)構(gòu)化混合網(wǎng)格，網(wǎng)格總數(shù)量在180萬左右。

2 邊界條件和計(jì)算方法

流場入口與出口位置采用壓力遠(yuǎn)場邊界條件，相對總壓為101.325 kPa(工作環(huán)境壓力為0);結(jié)構(gòu)物表面及地面采用無滑移壁面條件。

利用Fluent軟件求解非定常、可壓縮流動(dòng)的Reynolds Averaged Navier－Stokes(RANS)方程和標(biāo)準(zhǔn)k－ε二方程湍流模型，對跨線天橋的列車風(fēng)流場進(jìn)行數(shù)值模擬。用有限體積法離散方程，動(dòng)量方程、能量方程、k和ε方程中的對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散，擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式離散，壓力速度耦合采用SIMPLEC算法［11－13］。計(jì)算時(shí)間步長設(shè)為0.003 s，共計(jì)算2 000步［14］，模擬了自列車車頭位于跨線天橋前60 m至車尾穿過天橋的整個(gè)過程，同時(shí)在跨線天橋特定位置布置若干個(gè)監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測面，以取得測點(diǎn)的壓力時(shí)程數(shù)據(jù)。

3 數(shù)值模擬方法的驗(yàn)證

本文主要是通過將現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比來驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性［15］。將數(shù)值模擬得到的列車風(fēng)壓值與實(shí)測值進(jìn)行對比，如圖2所示，通過對比發(fā)現(xiàn)本文數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了本文數(shù)值計(jì)算方法的可靠性，為下文數(shù)值模擬結(jié)果分析奠定了基礎(chǔ)。

圖2 實(shí)測值與數(shù)值模擬結(jié)果對比圖Fig.2 Comparison ofmeasured values and numerical results

4 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

4.1 迎風(fēng)面垂直于軌道方向列車風(fēng)壓分布

天橋迎風(fēng)面玻璃板高度約2.2 m，分別在8.2 m(迎風(fēng)面底部)和10.4 m(迎風(fēng)面頂部)沿水平方向布置多個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其中測點(diǎn)位置15.75 m為正線。不同列車運(yùn)行速度下8.2 m和10.4 m處各測點(diǎn)列車風(fēng)壓極值如表1和表2所示，列車風(fēng)壓分布曲線如圖3和圖4所示。從迎風(fēng)面不同標(biāo)高處沿水平方向最大、最小列車風(fēng)壓分布曲線可知:在天橋迎風(fēng)面沿水平方向最大、最小列車風(fēng)壓的分布從正線上方向兩側(cè)逐漸遞減，車速為250、300和350 km/h時(shí)，高度8.2 m距離正線22 m處的最大列車風(fēng)壓分別衰減為正線的60.3%，53.2%和49.5%，高度10.4 m距離正線22 m處的最大列車風(fēng)壓分別衰減為正線的98%，96.7%和94.6%。由此可以看出:不同車速同一高度處，列車風(fēng)壓由正線向兩側(cè)逐漸遞減，速度越大遞減越快。

圖3 8.2 m處列車風(fēng)壓極值分布曲線Fig.3 Extreme pressure distribution curves at8.2m height

表1 8.2 m處各測點(diǎn)列車風(fēng)壓極值Table 1 Extreme pressure values at8.2 m height

表2 10.4 m處各測點(diǎn)列車風(fēng)壓極值Table 2 Extreme pressure values at10.4 m height

圖4 10.4 m處列車風(fēng)壓極值分布曲線Fig.4 Extreme pressure distribution curves at 10.4 m height

4.2 迎風(fēng)面正線上方沿高度方向列車風(fēng)壓分布

天橋迎風(fēng)面玻璃板高度為2.2 m，從正線上方8.2m(迎風(fēng)面底部)開始沿高度方向布置監(jiān)測點(diǎn)，共布置8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，作用在各監(jiān)測點(diǎn)的列車風(fēng)壓極值如表3所示，不同速度下的列車風(fēng)壓極值分布曲線如圖5所示。由高速列車通過正線時(shí)上方各點(diǎn)最大、最小列車風(fēng)壓分布曲線可知:不同速度下，迎風(fēng)面玻璃板沿高度方向最大、最小列車風(fēng)壓由下至上均逐漸遞減，車速為250，300和350 km/h時(shí)，高度10.4m處的最大列車風(fēng)壓值分別衰減為8.2m處的57.1%，50.3%和47.5%，最小列車風(fēng)壓值分別衰減為8.2m處的18.5%，26.9%和31.3%，衰減規(guī)律與列車速度有關(guān)，最大列車風(fēng)壓在速度越大時(shí)衰減越快，最小列車風(fēng)壓在速度越小時(shí)衰減越快。

圖5 迎風(fēng)面沿高度方向列車風(fēng)壓極值分布曲線Fig.5 Extreme pressure values of windward side along the height direction

4.3 背風(fēng)面正線上方沿高度方向列車風(fēng)壓分布

跨線天橋背風(fēng)面高2.2 m，從正線上方8.2 m (背風(fēng)面底部)開始沿豎向布置監(jiān)測點(diǎn)，共布置8個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，作用在各監(jiān)測點(diǎn)的列車風(fēng)壓極值如表4所示，不同速度下列車風(fēng)壓極值分布情況如圖6所示。由圖6可知:不同列車速度下，背風(fēng)面玻璃板上沿高度方向最大、最小列車風(fēng)壓由下至上均逐漸遞減，車速為250、300和350 km/h時(shí)，高度10.4m處的最大列車風(fēng)壓值分別衰減為8.2 m處的61.8%，59.5%和58.6%，最小列車風(fēng)壓值分別衰減為8.2 m處的20.1%，31.5%和36.8%，衰減規(guī)律與列車速度有關(guān)，最大列車風(fēng)壓在列車速度越大時(shí)衰減越快，最小列車風(fēng)壓在速度越小時(shí)衰減越快。對比圖5和圖6可以看出:背風(fēng)面與迎風(fēng)面列車風(fēng)壓衰減規(guī)律基本一致。

表3 迎風(fēng)面沿高度方向各點(diǎn)列車風(fēng)壓極值Table 3 Extreme pressure values of windward side along the height direction

表4 背風(fēng)面沿高度方向各點(diǎn)列車風(fēng)壓極值Table 4 The extreme pressure values of leeward side along the height direction

4.4 天橋底面正線上方順軌道方向列車風(fēng)壓分布

跨線天橋凈寬15 m，在天橋底面沿列車前進(jìn)方向共布置了6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，不同速度下各監(jiān)測點(diǎn)列車風(fēng)壓極值如表5所示，底面順軌道方向不同速度下列車風(fēng)壓分布曲線如圖7所示。由風(fēng)壓分布曲線可知:在天橋底面(標(biāo)高8.1 m)正線上方沿列車前進(jìn)方向，最大列車風(fēng)壓并不在天橋的正中央，而是在天橋高速列車駛?cè)氲亩丝?最小列車風(fēng)壓也不在天橋的正中央，而是發(fā)生在天橋列車駛出的端口，這主要是由列車頭部進(jìn)入跨線天橋擠壓空氣產(chǎn)生的氣流以及列車尾部離開天橋時(shí)捲吸帶起的空氣流動(dòng)所造成。

圖6 背風(fēng)面沿高度方向列車風(fēng)壓極值分布曲線Fig.6 Extreme pressure values of leeward side along the height direction

表5 天橋底面順軌道方向列車風(fēng)壓極值Table 5 The extreme pressure values of the bottom surface along the track direction

圖7 天橋底面順軌道方向列車風(fēng)壓極值分布曲線Fig.7 The extreme pressure values of the bottom surface along the track direction

4.5 天橋底面正線上方垂直軌道方向列車風(fēng)壓分布

跨線天橋長81.765 m，在天橋底面正中央沿垂直軌道方向每隔一定距離布置一監(jiān)測點(diǎn)，共布置7個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，不同速度下各監(jiān)測點(diǎn)列車風(fēng)壓極值如表6所示，列車風(fēng)壓極值分布曲線如圖8所示。由圖8可以看出:跨線天橋底面從正線上方向兩側(cè)列車風(fēng)壓逐漸遞減;250，300和350 km/h距離正線30 m處最大列車風(fēng)壓分別衰減為正線的28.1%，23.1%和20.3%;最小列車風(fēng)壓分別衰減為正線的1.2%，1.7%和2.1%;不同速度下最大列車風(fēng)壓在速度越大時(shí)衰減越快，最小列車風(fēng)壓在速度越大時(shí)衰減越慢;距離正線30 m處列車風(fēng)壓極值已衰減到很小，其中最小列車風(fēng)壓接近0。

表6 天橋底面垂直軌道方向列車風(fēng)壓極值Table 6 Extreme pressure values of the bottom surface perpendicular to track direction

圖8 天橋底面垂直軌道方向列車風(fēng)壓極值分布曲線Fig.8 The extreme pressure values of the bottom surface perpendicular to track direction

5 結(jié)論

(1)高速列車通過跨線天橋時(shí)產(chǎn)生的列車壓力波幅值與運(yùn)行速度有關(guān)，列車速度越高，產(chǎn)生的列車壓力波幅值越大。

(2)同一高度處，列車風(fēng)壓由正線向兩側(cè)逐漸遞減，速度越大遞減越快。車速為250，300和350 km/h，高度8.2 m距離正線22 m處的最大列車風(fēng)壓分別衰減為正線的60.3%，53.2%和49.5%，高度10.4 m距離正線22 m處的最大列車風(fēng)壓分別衰減為正線的98%，96.7%和94.6%。隨著高度的增加，衰減越來越慢。

(3)迎風(fēng)面、背風(fēng)面沿豎向最大、最小列車風(fēng)壓由下至上均逐漸遞減，衰減規(guī)律與列車速度有關(guān)，最大列車風(fēng)壓在速度越大時(shí)衰減越快，最小列車風(fēng)壓在速度越小時(shí)衰減越快。

(4)跨線天橋底部順軌道方向最大列車風(fēng)壓并不在天橋的正中央，而是在天橋列車駛?cè)攵?最小列車風(fēng)壓也不在天橋的正中央，而是發(fā)生在天橋列車駛出的端口，這主要是由列車頭部進(jìn)入跨線天橋擠壓空氣產(chǎn)生的氣流以及列車尾部離開天橋時(shí)捲吸帶起的空氣流動(dòng)所造成。

(5)跨線天橋底部從正線上方向兩側(cè)列車風(fēng)壓逐漸遞減，250，300和350 km/h距離正線30 m處最大列車風(fēng)壓分別衰減為正線的 28.1%，23.1%和20.3%，最小列車風(fēng)壓分別衰減為正線的1.2%，1.7%和2.1%，不同速度下最大列車風(fēng)壓在速度越大時(shí)衰減越快，最小列車風(fēng)壓在速度越大時(shí)衰減越慢。

［1］賀德馨.風(fēng)工程和工業(yè)空氣動(dòng)力學(xué)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2006.HE Dexin.Wind engineering and industrial aerodynamics［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2006.

［2］梁習(xí)鋒，張健.動(dòng)力車車體表面壓力分布試驗(yàn)研究［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，20(4):89－93.LIANG Xifeng，ZHANG Jian.Investigation of real train test into the air pressure distribution on external surface of power car［J］.Journal of Changsha Railway University，2002，20(4):89－93.

［3］楊亦軍，王慶云，林志興.高速列車通過時(shí)跨線鋼板梁橋的風(fēng)致振動(dòng)及其對策研究［J］.世界橋梁，2005(1): 46－49.YANG Yijun，WANG Qingyun，LIN Zhixing.Research ofwind－induced vibration of steel plate girder overhead bridge and measures against vibration thereof due to high－speed running train［J］.World Bridges，2005(1):46－49.

［4］雷波，劉應(yīng)清.高速列車作用在跨線天橋上風(fēng)壓力的數(shù)值模擬［J］.西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，34(3):259－262.LEIBo，LIU Yingqing.The numerical simulation of the cross－line pressure which was induced by high－speed train［J］.Journal of Southwest Jiaotong University，1999，34(3):259－262.

［5］Nahamkeon Hur，Chan－Shik Won，Sa Ryang Kim，Chang－koon Choi.Wind load simulation for high－speed train stations［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，2008:2042－2053.

［6］宋杰.高速列車過站時(shí)的數(shù)值模擬及風(fēng)致振動(dòng)研究［D］.北京:北京交通大學(xué)，2013.SONG Jie.Numerical simulation of roof passing by high speed railway train and vibration analysis［D］.Beijing: Beijing Jiaotong University，2013.

［7］王秀珍，劉堂紅.時(shí)速350 km/h動(dòng)車組過隧道氣動(dòng)效應(yīng)分析［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，10(1):92－97.WANG Xiuzhen，LIU Tanghong.Analysis on aerodynamic effects of 350 km/h EMU passing tunnels［J］.Journal of Railway Science and Engineering，2013，10(1):92－97.

［8］李志偉，梁習(xí)鋒，張健.橫通道對緩解隧道瞬變壓力的研究［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，7(4):37－41.LIZhiwei，LIANG Xifeng，ZHANG Jian.Study of alleviating transient pressure with cross passage in a tunnel［J］.Journal of Railway Science and Engineering，，2010，7 (4):37－41.

［9］朱紅鈞，林元華，謝龍漢.Fluent12流體分析及工程仿真［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.ZHU Hongjun，LIN Yuanhua，XIE Longhan.Fluent12－analysis and simulation of fluid engineering［M］.Beijing: Tsinghua University Press，2011.

［10］田紅旗.列車交會空氣壓力波研究及應(yīng)用［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，1(1):83－89.TIAN Hongqi.Research and applications for air pressure pulse from trains passing each other［J］.Journalof Railway Science and Engineering，2004，1(1):83－89.

［11］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.WANG Fujun.Computational fluid dynamics analysis－Principle and Application of CFD software［M］.Beijing: Tsinghua University Press，2012.

［12］張小鋼，劉應(yīng)清，趙海恒.高速列車經(jīng)過路邊建筑物時(shí)的非定常湍流繞流數(shù)值模擬研究［J］.鐵道學(xué)報(bào)，1998，20(2):87－92.ZHANG Xiaogang，LIU Yingqing，ZHAO Haiheng.Numerical simulation of unsteady turbulent flow when a train pass beside a building at high speed［J］.Journal of the China Railway Society，1998，20(2):87－92.

［13］曾劍明，陳南翼，王開春.列車周圍流場數(shù)值研究［J］.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，16(2):35－39.ZENG Jianming，CHEN Nanyi，WANG Kaichun.Numerical research on flow field around train［J］.Journal of Changsha Railway University，1998，16(2):35－39.

［14］周志勇，程波，艾輝林.高速列車過站空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)數(shù)值模擬研究［J］.力學(xué)季刊，2010，31(4):521－527.ZHOU Zhiyong，CHENGBo，AIHuilin.Numerical simulation of aerodynamic characteristics of roof passing by high－speed railway train［J］.Chinese Quarterly of Mechanics，2010，31(4):521－527.

［15］楊娜.德州東站人行天橋風(fēng)壓測試報(bào)告［R］.北京:北京交通大學(xué)，2011.YANG Na.The pressure test report of dezhou east railway station［R］.Beijing:Beijing Jiaotong University，2011.