張佳文，郭文華, 2，熊安平，項超群，王嘉奇

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風(fēng)障對橋上高速列車氣動特性影響的風(fēng)洞試驗

張佳文1，郭文華1, 2，熊安平1，項超群1，王嘉奇1

(1. 中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長沙，410075；2. 中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南長沙，410075)

為考慮側(cè)風(fēng)作用下風(fēng)障對橋上高速列車氣動特性的影響，以高速列車與雙線簡支箱梁橋為原型，自主研制了縮尺比為1:20的風(fēng)障?車?橋模型風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ脱b置。測試高速列車的頭車、中車及尾車各自的氣動力。分析風(fēng)速、列車位于橋梁的橫向位置、不同風(fēng)障高度與透風(fēng)率、風(fēng)偏角對高速列車氣動系數(shù)的影響，最后以靜力輪重減載率作為風(fēng)障防風(fēng)效果評價指標(biāo)，給出風(fēng)障氣動選型參數(shù)建議值。研究結(jié)果表明：雷諾數(shù)對車?橋系統(tǒng)的氣動性能影響有限；橋梁上設(shè)置風(fēng)障可明顯減小列車所受氣動力；列車位于迎風(fēng)側(cè)線路時運行時所受氣動荷載較大；隨著風(fēng)障高度的增大，列車氣動力系數(shù)減小；當(dāng)風(fēng)障增加到某一高度后列車氣動系數(shù)基本不再隨風(fēng)障高度變化，但隨著透風(fēng)率增大而增大；當(dāng)風(fēng)偏角小于等于20°時，高度為4 m，透風(fēng)率為0%風(fēng)障的擋風(fēng)效果較好，而當(dāng)風(fēng)偏角大于20°時，高度為4 m，透風(fēng)率為30%風(fēng)障的擋風(fēng)效果較優(yōu)。研究結(jié)論可為實際工程中風(fēng)障氣動選型提供 參考。

風(fēng)障；側(cè)風(fēng)；高速列車；風(fēng)洞試驗；氣動力系數(shù)；高度；透風(fēng)率

隨著我國第六次鐵路大提速和高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，鐵路橋梁在全部線路中所占比重越來越大。與常規(guī)地面運行環(huán)境區(qū)別較大，鐵路橋梁橋面高程一般較高，在橋上行駛的高速列車受到風(fēng)的作用也更大。其次，高速列車采用大型中空鋁合金型材料或不銹鋼薄筒型輕量化結(jié)構(gòu)，自身結(jié)構(gòu)輕柔，加之運行速度高，側(cè)風(fēng)對高速列車的影響更加明顯。已有研究表明[1]：風(fēng)障是改善高速列車在橋梁風(fēng)環(huán)境中行車安全問題的一種有效途徑，沿線路一側(cè)或兩側(cè)設(shè)置風(fēng)障為高速列車創(chuàng)造一個相對低風(fēng)速的局部運行環(huán)境，可顯著提高高速列車的臨界車速。由于風(fēng)障造型的多樣性，從中優(yōu)選哪種安全、經(jīng)濟、實用的方案至今還沒有成熟的理論來指導(dǎo)，因此確定風(fēng)障的結(jié)構(gòu)參數(shù)與橋上高速列車所受氣動力規(guī)律是十分必要的。目前針對鐵路橋梁上輕型風(fēng)障的風(fēng)洞試驗研究較少，國內(nèi)、外研究主要集中在公路橋梁上的輕型風(fēng)障與鐵路路堤上的重型擋風(fēng)墻方面。阮欣等[2]提出了杭州灣跨海大橋設(shè)置風(fēng)障必要性的風(fēng)險評估方法和風(fēng)障方案優(yōu)選風(fēng)險評估方法；英國Flint&Neill公司采用節(jié)段模型研究了在塞文橋橋塔附近安裝不同形狀和高度的風(fēng)障的效果，同時在車輛模型上挑選不同點來測量造成其傾覆的風(fēng) 速[3]；Charuvisit等[4?5]通過風(fēng)洞試驗分析了車速、風(fēng)速以及風(fēng)障對車輛通過橋塔尾流區(qū)時車輛所受的風(fēng)速和氣動力沿車輛行駛方向分布的影響；王厚雄等[6]以高路堤上單線鐵路為研究對象，利用風(fēng)洞試驗研究了高路堤及單側(cè)擋風(fēng)墻對大風(fēng)特性和車輛橫風(fēng)氣動特性的影響；劉賢萬等[7]通過風(fēng)洞試驗研究高路堤上的單側(cè)擋風(fēng)墻及其流場分布；日本鐵路對線路構(gòu)造形式、風(fēng)障、車輛等組合進(jìn)行了一系列風(fēng)洞試驗，研究認(rèn)為風(fēng)障的減風(fēng)效果依賴風(fēng)障高度和透風(fēng)率的影響[8]；向活躍等[9]通過風(fēng)洞試驗測試了不同開孔形式風(fēng)屏障作用下車輛的氣動力系數(shù)，分析了風(fēng)屏障的孔徑和開孔形狀對車輛氣動特性的影響，討論了圓孔形風(fēng)屏障與縱條形風(fēng)屏障的相似性。唐煜[10]通過擋風(fēng)屏?列車?橋系統(tǒng)的風(fēng)洞節(jié)段模型試驗研究了不同高度、不同透風(fēng)率擋風(fēng)屏對列車氣動力系數(shù)的影響；梅群峰[11]和權(quán)曉亮[12]在唐煜[10]的基礎(chǔ)上通過1:8大比例擋風(fēng)屏?列車?橋系統(tǒng)的整體模型風(fēng)洞測試了列車中車氣動力系數(shù)，頭車和尾車僅為氣動補償段。風(fēng)障結(jié)構(gòu)造型有2種：直線型與曲線型。高速鐵路中小跨度橋梁風(fēng)障的設(shè)置常用直線型[13]。典型的風(fēng)障設(shè)計為縱橫相間的欄桿或多孔板，已有風(fēng)洞試驗顯示風(fēng)障的孔隙形式對風(fēng)場的影響不明顯[13]，高度與透風(fēng)率才是決定風(fēng)障擋風(fēng)效率的根本參數(shù)。風(fēng)障高度應(yīng)視實車高度(一般在3.5~4.0 m之間)而定，風(fēng)障越高越不經(jīng)濟且增加橋梁自身荷載。在鐵路橋梁上多采用有一定透風(fēng)率的雙側(cè)風(fēng)障。已有分析表明[11]：考慮橋梁自身的安全性，帶有一定的透風(fēng)率，將更合理。根據(jù)已有的關(guān)于透風(fēng)率研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)透風(fēng)率為10%~20%時風(fēng)障的擋風(fēng)效率高達(dá)75%~90%(即風(fēng)速降低到無風(fēng)障時的10%~25%)[14]，但它對整個橋梁帶來了很大的氣動阻力荷載，并且可能引起橋梁動力穩(wěn)定性的下降。透風(fēng)率在40%~50%之間的風(fēng)障既能夠提供足夠的擋風(fēng)效率，又限制了氣動阻力的增幅和穩(wěn)定性的下降[15?16]。現(xiàn)有的考慮風(fēng)障的風(fēng)洞試驗研究多采用常規(guī)縮尺比(1:45左右)節(jié)段模型。節(jié)段模型無法真實反映風(fēng)障?車?橋梁間的三維繞流特性，忽略風(fēng)沿結(jié)構(gòu)展向變化的影響[17]。其次，常用縮尺比較小對列車與橋梁細(xì)節(jié)模擬得不夠精細(xì)且不符合實際情況，導(dǎo)致測定的列車升力難以反映真實情況?？赡軐?dǎo)致試驗結(jié)果與實際風(fēng)障?車?橋系統(tǒng)所受風(fēng)荷載出入較大，從而導(dǎo)致對真實高速列車氣動性能的誤判，造成防風(fēng)措施無效或經(jīng)濟上浪費，因此應(yīng)開展大縮尺比風(fēng)障?車?橋整體模型(通常為1:15~1:20)風(fēng)洞試驗，并考慮車輛在不同編組位置時的影響。本文作者自主研制縮尺比為1:20的風(fēng)障?車?橋組合整體模型試驗裝置，分別采用高速列車的三車模型與三跨雙線簡支箱梁模型，嚴(yán)格模擬高速列車外型，風(fēng)障可任意調(diào)整高度與透風(fēng)率等結(jié)構(gòu)參數(shù)，測試橋上高速列車頭車、中車及尾車的氣動參數(shù)，討論風(fēng)速、車輛在橋面橫向相對位置、風(fēng)障高度與透風(fēng)率、風(fēng)偏角對高速列車氣動特性的影響，以靜力輪重減載率評價風(fēng)障的防風(fēng)效果進(jìn)而選擇合理的風(fēng)障氣動參數(shù)，為風(fēng)障氣動參數(shù)與列車氣動力關(guān)系的確定提供參考依據(jù)。

1 風(fēng)障?車?橋模型試驗裝置

本文的風(fēng)洞試驗在中南大學(xué)高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室風(fēng)洞實驗室低速試驗段進(jìn)行，風(fēng)速范圍為0~18 m/s，該試驗段寬為12 m、高為3.5 m、長為18 m，中間為直徑5 m、可旋轉(zhuǎn)360°的轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤中心距試驗段來流方向前緣12 m，距來流方向后緣6 m。綜合考慮風(fēng)障、橋梁與列車的幾何尺寸、風(fēng)洞阻塞比的影響及車輛和橋梁間的氣動相互作用，試驗?zāi)Ｐ筒捎?:20的幾何縮尺比例加工制作，模型列車的外形復(fù)雜程度與實車相同，其中頭(尾)車長為1.225 m，中車長為1.25 m。橋梁模型總長為4.8 m。圖1所示為列車模型與橋梁模型橫截面尺寸。

單位：mm

風(fēng)障模型為直線型風(fēng)障且為可拆卸結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行不同高度和不同透風(fēng)率的若干工況的模型試驗。風(fēng)障采用一系列分布均勻的細(xì)長葉片來模擬風(fēng)障，葉片采用輕質(zhì)高強塑料，箱梁兩側(cè)一共布置18段風(fēng)障，由3根立柱將每段風(fēng)障固定在箱梁上，立柱采用輕質(zhì)鋼材，可以確保風(fēng)障受側(cè)風(fēng)作用時具有良好的穩(wěn)定性能。風(fēng)障的透風(fēng)率主要取決于葉片和墊片的尺寸與數(shù)量，試驗中通過減少葉片增加墊片的數(shù)量來增大透風(fēng)率，反之透風(fēng)率減小。葉片和墊片厚度為1.0 cm和0.5 cm 2種規(guī)格。

2 試驗內(nèi)容

2.1 測試工況

表1所示為風(fēng)障氣動選型試驗工況。為了研究不同高度、不同透風(fēng)率的風(fēng)障對橋上高速列車氣動力的遮擋效果，先初步選定一個合理的風(fēng)障參數(shù)(見表1)，研究這9種風(fēng)障工況對列車氣動性能的影響。

表1 風(fēng)障氣動選型試驗工況

在風(fēng)洞試驗中，通過360°旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)盤可方便模擬風(fēng)偏角、列車在橋面橫向位置的影響。風(fēng)偏角分別為0°，10°，20°，30°，40°，60°和90°，列車分別處于迎風(fēng)側(cè)線路、背風(fēng)側(cè)線路。在以上12個子工況下測試了列車模型的頭車、中車、尾車的氣動力。

2.2 測試儀器

本文試驗采用JR3動態(tài)六分量應(yīng)變天平測試列車的氣動力，其和方向力的量程F和F均為0~100 N，方向力的量程F為0~200 N，繞，和軸的力矩M，M和M的量程為0~7 N?m。在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動過程中，測力天平不會與車體發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。天平信號經(jīng)放大后由計算機數(shù)據(jù)分析軟件采集。為提高測試數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與可靠性、盡量消除外界干擾的影響，每次測試之間間隔時間1 min。采集系統(tǒng)由1個通道組成，設(shè)定每次數(shù)據(jù)采集時間為30 s，采樣頻率為2 000 Hz。為了保證試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性及提高試驗效率，對每一工況進(jìn)行2次測試，將2次試驗結(jié)果的平均值作為該工況的最終取值。

3 數(shù)據(jù)處理氣動力系數(shù)定義

圖2所示為列車氣動力六分力氣動力示意圖。側(cè)風(fēng)作用下高速列車主要受6個氣動力的作用[18]，即側(cè)力F、阻力F、升力F、俯仰力矩M、側(cè)傾力矩M和側(cè)偏力矩M。

圖2 列車氣動力六分力氣動力示意圖

列車六分力系數(shù)為風(fēng)偏角(即來流速度矢量與列車縱向中心線之間的夾角，?平面內(nèi))的函數(shù)。在體軸坐標(biāo)系下，列車六分力系數(shù)定義[19]如下。

側(cè)力系數(shù)：

阻力系數(shù)：

升力系數(shù)：

仰俯力矩系數(shù)：

側(cè)傾力矩系數(shù)：

側(cè)偏力矩系數(shù)：

式中：為合成風(fēng)速，即風(fēng)洞試驗時試驗風(fēng)速；為空氣密度，取1.225 kg/m3；，和分別為列車的高度、寬度和長度，在計算頭(尾)車和中車對應(yīng)的六分力系數(shù)時采用的參考長度不同。

力矩除與以上參數(shù)有關(guān)以外，還與力矩矩心的位置有關(guān)。由于測力天平與測試車體內(nèi)部的上頂面直接相連，測力天平的原點在各測試車體上表面連接件的形心位置。所有模型車和橋采用統(tǒng)一坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點均在測力天平與模型的連接位置[20]。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 雷諾數(shù)的影響

考察雷諾數(shù)對高速列車(無風(fēng)障)氣動特性的影響，表2給出了10.0，12.5和15.0 m/s 3種試驗風(fēng)速下，列車分別位于迎風(fēng)側(cè)線路與背風(fēng)側(cè)線路時的氣動系數(shù)。由表2可見：高速列車各氣動系數(shù)在不同風(fēng)速下個別數(shù)據(jù)存在較大差異，但大部分氣動系數(shù)差異不明顯。因為列車與簡支箱梁形成一個更大的鈍體結(jié)構(gòu)，使得雷諾數(shù)對列車的氣動性能影響不大?？紤]到較低風(fēng)速時模型所受風(fēng)荷載相對較小、測試誤差略大，故取風(fēng)速為15.0 m/s時測試結(jié)果作為相應(yīng)工況的實測值。

表2 列車氣動系數(shù)(β為90°)

4.2 風(fēng)障高度對列車氣動力影響

考察風(fēng)障高度對橋上高速列車的擋風(fēng)效果，圖3所示為=90°時不同風(fēng)障高度下列車各氣動系數(shù) 曲線。

(a) 側(cè)力系數(shù)；(b) 阻力系數(shù)；(c) 升力系數(shù)；(d) 仰俯力矩系數(shù)；(e) 側(cè)傾力矩系數(shù)；(f) 側(cè)偏力矩系數(shù)

由圖3可知：1) 與無風(fēng)障時相比，橋梁上設(shè)置風(fēng)障后，列車的六分力系數(shù)明顯減小。氣動系數(shù)減小的幅度受風(fēng)障高度影響較大，但當(dāng)風(fēng)障增加到某一高度后基本不再隨風(fēng)障高度變化，減風(fēng)效果不再明顯； 2) 當(dāng)風(fēng)障高度大于等于4 m時，列車的氣動力系數(shù)減小幅度不大，列車的側(cè)力、升力、側(cè)傾力矩在風(fēng)障大于等于3 m高時有上升趨勢，而升力在風(fēng)障高于4 m時有減小趨勢。當(dāng)風(fēng)障高度超過4 m還增加高度，對提高行車安全性效果不太明顯。3) 當(dāng)風(fēng)偏角為90°且風(fēng)障高度小于等于3 m時，高速列車位于橫橋向的不同位置時存在明顯不同的氣動干擾，其中迎風(fēng)側(cè)線路時車輛氣動系數(shù)變化幅度較大，對橋上高速列車的氣動特性影響顯著；而背風(fēng)側(cè)線路時車輛風(fēng)荷載變化幅度相對較小，對其氣動特性影響不明顯。迎風(fēng)側(cè)線路中車的側(cè)力、升力、側(cè)傾力矩系數(shù)變化比迎風(fēng)側(cè)線路頭車、尾車的大，而其他系數(shù)變化的幅度較小。

4.3 風(fēng)障透風(fēng)率對列車氣動力影響

根據(jù)上述試驗結(jié)果，初歩確認(rèn)高度為4 m的風(fēng)障最有利于列車的安全運行?？紤]到風(fēng)障自身結(jié)構(gòu)安全和橋梁安全的影響，具有一定的透風(fēng)率將更有利于風(fēng)障?列車?橋的安全。圖4所示為=90°時同一風(fēng)障高度(4 m)不同風(fēng)障透風(fēng)率下高速列車氣動系數(shù)曲線。

(a) 側(cè)力系數(shù)；(b) 阻力系數(shù)；(c) 升力系數(shù)；(d) 仰俯力矩系數(shù)；(e) 側(cè)傾力矩系數(shù)；(f) 側(cè)偏力矩系數(shù)

由圖4可知：1) 在同一風(fēng)障高度下，隨著透風(fēng)率的增加，由于有更多的風(fēng)作用在列車表面，因此列車六分力系數(shù)有增大的趨勢；2) 當(dāng)風(fēng)偏角為90°時，列車各分力系數(shù)在迎風(fēng)側(cè)線路運行時總比在背風(fēng)線路時大，即列車在橋梁上迎風(fēng)側(cè)運行時略為不利。迎風(fēng)側(cè)線路中車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)增加的幅度比迎風(fēng)側(cè)線路頭車、尾車的大。迎風(fēng)側(cè)線路中車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)變化比迎風(fēng)側(cè)線路頭車、尾車的大，而無論位于迎風(fēng)側(cè)線路或背風(fēng)側(cè)線路中車的阻力系數(shù)、仰俯力矩系數(shù)、側(cè)偏力矩系數(shù)變化的幅度很小，對其氣動特性影響不顯著，且頭車尾車出現(xiàn)對稱現(xiàn)象；3) 當(dāng)風(fēng)障透風(fēng)率大于等于30%時，橋上高速列車的各氣動力系數(shù)增大，其中側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)增大幅度較大。當(dāng)透風(fēng)率超過30%后，風(fēng)障的擋風(fēng)效果不好，對提高行車安全性效果不利。

4.4 風(fēng)偏角對列車氣動力影響

一般來說，迎風(fēng)側(cè)線路頭車對風(fēng)最為敏感，最易發(fā)生傾覆[21?22]，行車安全由頭車控制，因此風(fēng)障設(shè)置主要考慮對頭車的防風(fēng)效果。根據(jù)前面風(fēng)障氣動選型試驗的結(jié)果，初歩確認(rèn)4 m高、30%透風(fēng)率的風(fēng)障最有利于列車的安全運行。為了進(jìn)一歩確認(rèn)風(fēng)障氣動選型后的風(fēng)障對高速列車的擋風(fēng)效果，圖5所示為橋梁設(shè)置4 m，30%透風(fēng)率風(fēng)障時橋上高速列車隨風(fēng)偏角變化六分力系數(shù)變化。

(a) 側(cè)力系數(shù)；(b) 阻力系數(shù)；(c) 升力系數(shù)；(d) 仰俯力矩系數(shù)；(e) 側(cè)傾力矩系數(shù)；(f) 側(cè)偏力矩系數(shù)

分析圖5可知：1) 隨風(fēng)偏角的變化，透風(fēng)率為0%時車輛氣動系數(shù)變化幅度較大且規(guī)律不明顯，而其他透風(fēng)率的分力系數(shù)曲線變化較為平緩；當(dāng)風(fēng)偏角為60°時，側(cè)力、升力、側(cè)傾力矩系數(shù)曲線均發(fā)生轉(zhuǎn)折變化，因為列車對側(cè)風(fēng)的有效阻擋面積最大；2) 當(dāng)風(fēng)偏角小于40°時，4 m高，30%透風(fēng)率的側(cè)力系數(shù)、仰俯力矩系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)、側(cè)偏力矩系數(shù)比透風(fēng)率為0%的變化小。當(dāng)風(fēng)偏角為90°時，0%透風(fēng)率的各分力系數(shù)是最小的，說明當(dāng)列車靜止時0%透風(fēng)率的風(fēng)障擋風(fēng)效果最好，且30%透風(fēng)率與0%透風(fēng)率的各分力系數(shù)相差不大。

5 風(fēng)障擋風(fēng)效果評價

風(fēng)障防風(fēng)效果的評價關(guān)鍵在于選擇合適的評價指標(biāo)[23]。從力學(xué)的角度出發(fā)，通過解耦作用在車體上列車六分力，可以單獨解出列車8個輪子的等效豎向力。由于測力天平的原點在各測試車體天平上表面形心，坐標(biāo)軸在車體的上表面，力的方向與坐標(biāo)軸保持一致，如圖6所示(僅以仰俯力矩與側(cè)力為例)。當(dāng)力的方向為正值時為減載效應(yīng)，當(dāng)力的方向為負(fù)值時為加載效應(yīng)。根據(jù)靜力平衡原理可得車輪的等效豎向力：

式中：Δ1，Δ3，Δ5和Δ7分別為1，3，5和7號車輪的等效豎向力；為軌距；1為坐標(biāo)原點到3(4，5和6)號車輪的距離；2為坐標(biāo)原點到1(2，7和8)號車輪的距離。同理，2，4，6和8車輪的等效豎向力據(jù)此類推。

(a) 車輛側(cè)面與對應(yīng)底部圖；(b) 車輛正面圖

圖6 等效豎向力示意圖

Fig. 6 Equivalent vertical force

定義靜力輪重減載率為車輪的等效豎向力與輪重的比值，即Δ/，其中為列車的輪重[19]。通過分析8個車輪的靜力輪重減載率就可以判斷不同風(fēng)障工況下列車氣動性能，進(jìn)而可對風(fēng)障擋風(fēng)效果進(jìn)行評估，選出合理的風(fēng)障氣動選型參數(shù)。CRH型高速列車為8輛編組總質(zhì)量為380 t，每個輪重平均為59 375 N。以試驗風(fēng)速15.0 m/s為例研究不同風(fēng)障工況下高速列車位于迎風(fēng)側(cè)線路時頭車的靜力輪重減載率的最大值估算見表3~4。

表3 透風(fēng)率為0%時不同風(fēng)障高度時靜力輪重減載率

表4 高度為4 m時不同風(fēng)障透風(fēng)率時靜力輪重減載率

從表3~4可知：隨著風(fēng)障高度增加，8個輪子的靜力輪重減載率均有減小的趨勢；在一定風(fēng)障高度下隨著透風(fēng)率的增加列車的8個輪子的靜力輪重減載率均有增大的趨勢。通過對比分析可以看出：無風(fēng)障時最大靜力輪重減載率為9.88%，4 m風(fēng)障的最大靜力輪重減載率為1.13%。當(dāng)高度4 m、透風(fēng)率30%風(fēng)障在風(fēng)偏角小于或等于20°時，透風(fēng)率0%時的靜力輪重減載率最大值比透風(fēng)率30%時的小，說明無透風(fēng)率風(fēng)障擋風(fēng)效果較好，而當(dāng)風(fēng)偏角大于20°時，透風(fēng)率30%比透風(fēng)率0%的靜力輪重減載率最大值小，該風(fēng)障也能達(dá)到較好的擋風(fēng)效果。

6 結(jié)論

1)綜合考慮列車與橋梁間的相互氣動影響，自主研制了風(fēng)障?車?橋模型試驗裝置，風(fēng)障為可拆卸結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)可改變風(fēng)速、風(fēng)偏角、測試對象及車輛和橋梁的相對位置、風(fēng)障高度、透風(fēng)率等系統(tǒng)參數(shù)。車橋模型裝置除能模擬車輛與橋梁之間的氣動作用外，還可以考慮風(fēng)障(或聲障)對車?橋的氣動作用，且適當(dāng)改造后可考慮模擬路基、線路周邊建筑等各種環(huán)境因素。

2)雷諾數(shù)效應(yīng)對橋上高速列車氣動力系數(shù)的影響較為有限，其規(guī)律不明顯?？紤]到較低風(fēng)速時模型上的風(fēng)荷載相對較小、測試誤差略大，故取較高風(fēng)速的測試結(jié)果較為合理。

3) 風(fēng)障能有效改善強側(cè)風(fēng)作用下運行于橋上高速列車氣動性能。橋梁上設(shè)置了風(fēng)障后，高速列車的六分力系數(shù)明顯減小，說明風(fēng)障的設(shè)置對提高列車的行車安全性有顯著的影響，因此，在強側(cè)風(fēng)的環(huán)境下，高速鐵路橋梁加設(shè)風(fēng)障擋風(fēng)結(jié)構(gòu)是保證列車運營安全的有效措施。列車在橋上橫向位置的不同對其自身氣動性能的影響，結(jié)果表明迎風(fēng)側(cè)的列車氣動系數(shù)受風(fēng)障影響普遍大于背風(fēng)側(cè)列車氣動系數(shù)，即列車位于迎風(fēng)側(cè)線路運行時略為不利。

4) 高度與透風(fēng)率是風(fēng)障氣動選型的主要參數(shù)。當(dāng)風(fēng)障增加到某一高度時各氣動系數(shù)得到了有效減小且之后其擋風(fēng)效果基本不再隨高度變化。當(dāng)風(fēng)障高度超過4 m還繼續(xù)增加高度，對提高行車安全性效果不太明顯。考慮到風(fēng)障自身結(jié)構(gòu)安全和橋梁安全，具有一定的透風(fēng)率將更有利于風(fēng)障?車?橋的安全。隨著風(fēng)障透風(fēng)率的增加，列車六分力系數(shù)都有增大的趨勢，但當(dāng)透風(fēng)率為30%時，列車頭車的各氣動系數(shù)均較小，列車運行危險性較低。當(dāng)風(fēng)偏角為90°時列車中車的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)是最大的，也從風(fēng)洞試驗的角度驗證了二維CFD數(shù)值模擬時，風(fēng)速入口條件只取風(fēng)偏角為90°是偏于安全的。

5)根據(jù)靜力學(xué)的力矩平衡原理，以靜力輪重減載率是評價風(fēng)障擋風(fēng)效果的關(guān)鍵參數(shù)。綜合考慮到不同風(fēng)障工況下的列車六分力系數(shù)，建議當(dāng)風(fēng)偏角較小(小于等于20°)時，可選取高4 m、透風(fēng)率0%的風(fēng)障較為合理。而當(dāng)風(fēng)偏角較大(大于20°)時，可選取高4 m、透風(fēng)率30%的風(fēng)障擋風(fēng)效果較為理想。因此，風(fēng)障的設(shè)置可根據(jù)高速鐵路沿線的實際風(fēng)速情況及既有線上的運營經(jīng)驗選擇合理化風(fēng)障氣動選型參數(shù)。

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Experiment study on the effect of wind barrier on aerodynamic characteristics of high-speed train on bridge

ZHANG Jiawen1, GUO Wenhua1, 2, XIONG Anping1, XIANG Chaoqun1, WANG Jiaqi1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction,Central South University, Changsha 410075, China)

In order to investigate the effects of wind barrier vehicle on the aerodynamic characteristics of a vehicle-bridge system under crosswind, a high-speed train model and simple support bridge with double lines were designed to measure the aerodynamic forces acting on the vehicles and bridge by a self-developed wind tunnel test model with a scale of 1:20. The aerodynamic force coefficients of head train, middle train, and rear train of high-speed train were tested. Wind speed, laterally relative position of vehicle and bridge, the height and ventilation of the wind barrier, and yaw angle were investigated to demonstrate their effects on aerodynamic force coefficients of vehicles on bridge. Based on the criteria of static percent of wheel load, the optimal aerodynamic parameters of wind barriers were selected accordingly. The results show that the impact of Reynolds number on vehicle-bridge system is limited; the bridge structure arranged on the wind barrier can obviously reduce the train for the aerodynamic force; the train running in windward is greater than that in leeward; aerodynamic force coefficients of the train tend to increase with the increase of height of wind barrier, and when wind barrier is high enough, it has no influence on the aerodynamic forces, but the coefficients of the train increase with the increase of wind ventilation; when the yaw angle is below or equal to 20°, the bridge is provided with 4 m and 0% ventilation rate wind barrier structure is good, but when the yaw angle is greater than 20°, the performance of 4 m and 30% ventilation rate, wind barrier structure is the most reasonable. The research conclusion can guide significance and reference value in selecting the concrete wind barrier parameters.

wind barrier; crosswind; high-speed train; wind tunnel test; aerodynamic force coefficients; height; ventilation rate

10.11817/j.issn.1672-7207.2015.10.044

TU393.3

A

1672?7207(2015)10?3888?10

2014?03?13；

2014?05?20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51078356)；鐵道部科技研究開發(fā)計劃重大項目(2008G031-Q)(Project (51078356) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2008G031-Q) supported by the Major Project of Science and Technology Research and Development Plan of Ministry of Railway)

郭文華，教授，博士生導(dǎo)師，從事橋梁結(jié)構(gòu)振動與穩(wěn)定、風(fēng)工程研究；E-mail：whguo@126.com

(編輯 陳愛華)