主梁断面差异对大跨桥上风屏障防风性能影响的风洞试验研究

风屏障防风性能受下部结构形式影响较大,为了分析大跨桥梁主桥与引桥主梁断面差异对风屏障防风性能的影响,以某一新建高铁线路的大跨斜拉桥的主桥与引桥为背景,通过风洞试验研究主桥与引桥上列车在不同线路、风屏障高度和透风率等工况下的气动力系数、表面风压系数。研究结果表明：当风屏障参数相同时,主梁断面差异会导致列车气动特性产生较大区别,其中背风侧列车受到的影响较大,且列车位于流线型主桥断面上时气动特性对风屏障参数的变化更敏感;在不同参数风屏障下,主梁断面差异对于列车气动力的影响主要体现在列车迎风面与顶部风压的变化;主梁断面差异对于背风侧列车的侧倾力矩系数影响最大,列车位于主桥断面上时的侧倾力矩系数受风屏障参数变化影响最显著;设计风屏障时,应根据主桥与引桥的主梁断面分别选择适合的参数,以减少主梁断面差异对列车行车舒适性带来不利影响。     

风屏障透风率对侧风下大跨度斜拉桥车-桥耦合振动的影响

为研究风屏障透风率对侧风下大跨度斜拉桥车桥系统耦合振动的影响,通过风洞试验得出在桥梁上设置不同透风率风屏障情况下桥梁和桥上不同位置处列车的三分力系数,在此基础上根据弹性系统动力学总势能不变值原理进一步建立考虑风荷载的车桥系统耦合振动方程对侧风作用下大跨度斜拉桥车桥动力响应进行计算。研究结果表明:当风屏障透风率由10%增大至40%,迎风和背风工况下跨中处桥面竖向位移最大值均呈现增大趋势;风屏障透风率对迎风工况车辆动力响应的影响较大;当风屏障透风率由30%增大至40%时,车辆的脱轨系数、轮重减载率和横向摇摆力增幅较为明显。     

风屏障高度对城轨专用斜拉桥车桥系统气动特性的影响

在综合考虑风屏障高度对桥梁及桥上列车气动特性影响的前提下,采用风洞试验和数值模拟相结合的方法,研究在桥梁上设置不同高度风屏障的情况下列车与桥梁的气动力系数以及车桥系统周围的流场分布情况。研究结果表明:随风屏障高度增加,桥梁的阻力系数明显增大,而桥上列车的阻力系数相应减小,桥梁与列车的升力系数变化不明显;在侧风作用下,风屏障高度对处于桥面迎风位置列车的所受气动力影响较明显;风屏障高度对车桥系统周围流场的影响较明显,当风屏障高度增加时,梁体迎风面正压区显著增大;车体迎背风面的压力分布不仅受风屏障高度的影响,而且受列车在桥面的位置的影响。     

基于混合遗传算法的高速公路桥梁风屏障参数优化

为了优化高速公路桥梁风屏障参数,研究了风屏障参数对于车桥系统气动特性的影响.通过风洞试验考虑不同高度和透风率的风屏障,分别获取桥梁和车辆的气动力系数,进而得到桥梁在静风稳定性检验风速下的侧向位移和车辆在设计车速行驶下的失稳临界风速.采用多目标遗传算法(NSGA-Ⅱ),以桥梁侧向位移与车辆临界风速为优化目标,将风屏障高度和透风率作为变量,得到相应的Pareto最优解集.利用数据包络法(DEA)对Pareto解集中个体的相对效率值进行评估,最终得到最优风屏障参数.结果 表明:透风率为30％、高度为3.2 m的风屏障对于桥梁和车辆的综合抗风效果最佳.     

风障对桥上高速列车气动特性影响的风洞试验

为考虑侧风作用下风障对桥上高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制了缩尺比为1:20的风障-车-桥模型风洞试验模型装置。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力。分析风速、列车位于桥梁的横向位置、不同风障高度与透风率、风偏角对高速列车气动系数的影响,最后以静力轮重减载率作为风障防风效果评价指标,给出风障气动选型参数建议值。研究结果表明:雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;桥梁上设置风障可明显减小列车所受气动力;列车位于迎风侧线路时运行时所受气动荷载较大;随着风障高度的增大,列车气动力系数减小;当风障增加到某一高度后列车气动系数基本不再随风障高度变化,但随着透风率增大而增大;当风偏角小于等于20°时,高度为4 m,透风率为0%风障的挡风效果较好,而当风偏角大于20°时,高度为4 m,透风率为30%风障的挡风效果较优。研究结论可为实际工程中风障气动选型提供参考。     

风屏障对流线型箱梁涡振性能影响机理试验研究

为研究风屏障透风率对主梁涡振性能的影响,依托某主跨808 m大跨度钢箱梁悬索桥,通过风洞测振、测压试验得到模型风致振动响应和表面各测点压力时程数据.测试原桥断面在加设风屏障后±5°攻角范围内的涡振性能,对比分析原桥断面和3种不同透风率风屏障以及安装水平分流板5种工况下主梁涡振响应和桥面各测点脉动压力系数均值、根方差;同时分析局部气动力与总体气动力的相关性和贡献作用.研究结果表明,原断面在+5°攻角下发生了多区间竖弯涡激振动,且涡振振幅远超规范允许值.安装不同透风率的风屏障后对主梁的涡激共振产生了有利的影响,消除了主梁原断面在低风速区间的涡振,最大振幅也有一定的减小.根据测得的压力数据分析,带风屏障主梁上表面中后部压力脉动减弱及局部气动力与总体气动力贡献系数减小使得主梁振幅有了小幅减小;在主梁风嘴处添加水平分流板后,局部气动力与总体气动力的相关性被完全破坏,压力脉动减弱,从而有效地抑制了主梁在该情况下的涡振.     

大跨度流线型箱梁悬索桥颤振稳定性气动优化

以主跨为1 660 m流线型箱梁悬索桥为工程依托,采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对影响大跨度悬索桥颤振稳定性的主要因素(主缆空间形式、主梁气动外形和中央稳定板高度)进行了研究,并对气动控制措施机理进行了探讨.结果表明:主缆布置形式对桥梁结构颤振临界风速的影响主要表现为主缆布置形式导致桥梁结构扭转频率的改变,从而影响桥梁结构颤振临界风速;适当增加主梁断面宽高比可有效提高桥梁结构颤振临界风速;设置合适高度的中央稳定板可有效提高带水平分离板的流线型箱梁断面颤振临界风速.中央稳定板附近产生的涡会引起主梁断面竖向气动力增加,导致主梁断面竖向运动参与程度提高,抑制了主梁断面扭转运动,从而提高了流线型箱梁断面颤振稳定性.     

风-车-桥耦合系统的车桥气动特性

采用数值模拟方法对风-车-桥耦合系统的车桥气动特性进行分析研究,模拟计算了不同工况下车辆、桥梁的气动力系数。分析了车桥间相互的气动影响．研究结果表明．车桥耦合系统与桥梁和车辆各自单体相比较,气动力系数差异较大,故建议进行风-车-桥系统耦合振动分析时,车桥气动力系数应考虑车桥间的气动影响．     

粗糙度对雷诺数效应的影响

为了研究粗糙度对流线型桥梁断面雷诺数效应的影响,以及将表面粗糙度作为气动措施用于减小该类型桥梁断面雷诺数效应的可能性,利用风洞试验,在模型表面粘贴不同粒径的砂纸,改变模型表面粗糙度,测量了不同雷诺数下以及3种不同粗糙表面的流线型桥梁断面模型的三分力系数及表面压力.研究结果表明:流线型桥梁断面即使在较窄的雷诺数范围内也具有较明显的雷诺数效应;表面粗糙度对三分力系数的雷诺数效应具有一定的抑制作用.     

高速列车通过隧道-桥梁-隧道时车体的气动效应

以我国高速铁路沿线上某座隧道-桥梁-隧道基础设施为工程背景,基于计算流体力学和多孔介质理论建立了列车-隧道-桥梁-风屏障-空气三维CFD数值仿真模型,研究了列车运行于隧-桥-隧全过程的气动荷载变化特性.针对横风环境中列车运行于桥隧相连段的过程,从流场角度进一步揭示了风屏障的存在与否对气动荷载突变效应的影响.结果表明:1)无风屏障条件下,各节车厢在"由桥至隧"过程的气动荷载波动幅度是"由隧至桥"过程中相应值的1.03～1.89倍,而风屏障的存在将使两过程中气动荷载波动幅度基本相等;2)列车气动横向力的变化对风屏障的影响最为敏感,而气动升力和俯仰力矩的敏感性相对较弱.     

具有流线型头部的高速磁浮列车气动性能数值模拟

以世界上首条商业运行的上海高速磁浮列车TR08为研究对象,基于粘性流体力学理论,按三维可压缩粘性流对具有流线型头部形状的TR08列车以及根据一定规律设计出的4种新头型列车周围流场进行了数值模拟.通过对这5种不同头型列车的模拟结果进行对比分析,得出了流线型头部外形对气动性能影响的规律:随着流线型头部长度增加(其他条件相同),列车气动阻力和升力降低;在头部流线型长度相当的情况下,纵剖面轮廓线上凸的头车气动阻力比下凹的小,而尾车气动阻力大;中间车阻力变化不大,尾车升力大于头车;就整车升力而言,纵剖面轮廓线上凸的气动升力大于下凹的.     

栏杆透风率对主梁涡振特性影响的风洞试验

为了研究栏杆透风率对箱形钢主梁涡激振动特性的影响,通过不同的封闭栏杆方案改变外侧栏杆的透风率,并在试验模型表面布置测压孔道,进行测振、测压风洞试验。采取2种封闭形式,一封三空和一封二空方案,即比原方案的透风率分别降低25%和33%。在不同的透风率工况下,同步测量主梁断面风速与振幅的关系及模型表面各测点的风压时程,分析模型表面各测点的平均压力系数、脉动压力系数及功率谱密度随栏杆透风率的变化情况。研究结果表明:降低栏杆透风率可有效抑制主梁的涡激振动;不同工况下,主梁表面压力系数的分布规律一致,仅在数值上有所差异,这是由阻风面积改变造成;封闭栏杆方案较原方案的脉动压力系数在分布规律及数值上均有显著差异;原方案绝大部分测点的涡脱频率集中在模型的竖弯和扭转频率,且能量较大,而封闭栏杆方案的涡脱频率仅有小部分集中在竖弯和扭转频率,且能量较小,栏杆透风率的降低改变气流的绕流,有效打散了能量在竖弯及扭转频率上的集中,因此未能激起结构的显著振动;涡激振动对栏杆透风率具有敏感阈值,栏杆透风率降低25%是对该桥竖弯涡振影响的阈值。     

桥隧段风屏障对高速列车气动荷载及行车安全的影响

高铁线路隧道-桥梁-隧道路段常伴随强烈的横风,列车行驶至隧道与桥梁连接段时常常受到横风的突然冲击,严重影响了列车的行车安全性。基于计算流体力学RNG湍流模型和多孔介质理论,建立列车-隧道-桥梁-风屏障三维CFD数值模型和风-车-轨-桥动力耦合分析模型,研究了高速列车通过隧道-桥梁-隧道路段过程中列车的气动荷载和行车安全指标的变化特性。结果表明:桥隧相连段设置风屏障后,各节车厢的气动荷载突变幅值显著降低,降幅达50%以上,其中横向力和倾覆力矩受风屏障的影响最为显著,降幅高达88%以上;设置风屏障后列车行车安全指标显著降低,迎风侧和背风侧各轮对(除了头车1、3号轮对外)的安全指标波动幅度相同;头车的安全指标对整个列车行车安全性起控制作用,尤其是头车转向架前轮(即1、3号轮对)的;列车由隧道驶入桥梁过程中的行车安全性较由桥梁驶入隧道过程的小。     

地面效应对近流线型断面静气动特性的影响

以风洞试验和计算流体动力学(CFD)相结合的方法,对存在地面效应的近流线型断面的静气动力特性(静三分力系数、St数)进行研究.首先,基于风洞试验获得近流线型断面在不同风攻角下的静气动参数随离地高度的变化规律,试验结果表明,地面效应将对断面静气动力特性产生不利影响.其次,采用CFD识别各试验工况下断面的绕流特征及静气动参数,分析了不同风攻角下地面效应对近流线型断面静力三分力系数的影响机理,数值分析表明,地面附面层带来的影响总体上减缓了桥梁下腹板与地面之间区域的流速,局部负压区的强度及尺度加强及增大,并增加了驻点处的压力.     

桥梁断面三分力系数的雷诺数效应

在TJ- 2风洞中 ,测量了近 2个数量级的雷诺数范围内不同宽高比的 2类桥梁断面的三分力 ;研究了桥梁断面三分力系数雷诺数效应、宽高比对断面三分力系数雷诺数效应的影响 .近流线型桥梁断面的阻力系数、升力系数都有明显的雷诺数效应 ;Π型断面阻力系数雷诺数效应与近流线型断面规律相反 ,升力矩及升力系数雷诺数效应不明显 ;宽高比对三分力系数雷诺数效应有明显的影响 ;紊流可以作为抑制阻力系数雷诺数效应的有效措施     

风荷载-列车-大跨度桥梁系统非线性耦合振动分析

考虑桥梁结构的几何非线性因素,建立了风-列车-桥梁系统耦合振动分析模型.以某大跨度钢桁梁桥为例,计算了静风及脉动风荷载的不同作用效应、风速及车速变化对桥梁位移极值的影响及桥梁几何非线性因素对结构分析的影响.结果表明,进行车桥耦合振动分析时要综合考虑风荷载的动力作用,风速及车速变化对桥梁位移极值均有较大影响,桥梁的线性及非线性位移时程曲线存在明显区别.     

减载式声屏障对高速列车气动阻力影响分析

针对采用声屏障时,高速列车运行过程中表面气动阻力较大的问题,提出利用减载式声屏障降低列车运行过程中受到的气动阻力.采用数值模拟方法,对采用不同孔隙率声屏障时高速列车运行过程中表面的气动阻力及其影响因素进行研究.利用Gambit软件建立了声屏障与高速列车相对运动计算模型;在声屏障孔隙率不同时,采用Fluent软件对350 km/h速度行驶的高速列车表面压强分布和气动阻力进行了数值模拟与分析研究.研究结果表明:与普通声屏障相比,随着减载式声屏障孔隙率的增加,列车头车高压区和尾车低压区的面积减小,列车行驶的压差阻力降低,而摩擦阻力变化不大;减载式声屏障具有一定的节能效果,并且随着减载式声屏障孔隙率的增大,节能效果更加明显.     

大风攻角下钢桁梁悬索桥颤振性能研究

由于地形干扰,山区桥位风环境复杂,易表现出较大的来流风攻角.为探明大跨度桥梁在大风攻角下的颤振性能,本文以西部某深切峡谷区大跨度钢桁梁悬索桥为工程背景,通过节段模型风洞试验得到了-7°～+7°大攻角范围内的颤振临界风速.采用多种气动措施对原始断面进行优化,以明确气动优化措施对大风攻角范围颤振性能的影响.结果表明:所研究桥梁颤振临界风速在-5°～+3°的大范围攻角内均较低;封闭桥面板中央开槽、检修道不透风、上下中央稳定板等不同气动措施对主梁在小攻角与较大攻角颤振性能的影响特点不同;采用封闭中央槽和检修道并设置合理高度的上下中央稳定板时,颤振临界风速得到较大提高且主梁阻力系数相对较小.     

流线型部位风阻制动板对高速列车气动特性的影响分析

针对高速列车运行速度提升导致制动动能骤增、紧急制动距离延长的问题,采用基于Realizable k-ε湍流模型的雷诺时均法(RANS)研究高速列车流线型部位增设风阻制动板对列车周围空气流动特性及气动载荷的影响。研究结果表明：风阻制动板能够显著改变高速列车周围流场,在制动板上游造成明显气流冲击并在其下游诱发强剪切分离流动,大幅度增加高速列车整车压差阻力。相比于等截面车身位置布置风阻制动板,在列车流线型部位布置风阻制动板能够有效减弱风阻制动板间的干涉效应。对于风阻制动板而言,处于气流直接冲击区域和存在高度梯度分布特性的风阻制动板受力相对较大,受板间干涉作用影响较大的风阻制动板受力相对较小。相比于原始无风阻制动高速列车,本文提出的风阻制动装置最高可将三车编组高速列车气动阻力提升约517%。     

桥梁对高速列车气动特性影响的风洞试验研究

为考虑侧风作用下桥梁对高速列车气动特性的影响,以高速列车与双线简支箱梁桥为原型,自主研制缩尺比为1:20的车-桥模型风洞试验模型装置,该装置可改变风偏角、测试对象以及列车与桥梁的相对位置等。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力,建立天平坐标系下测试数据转换到整体坐标系的转换关系,讨论雷诺数、车辆在桥面横向相对位置、风偏角对高速列车气动系数的影响。研究结果表明:基于自主研制车-桥模型的风洞试验测试是可行的;雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限;列车位于迎风侧线路时气动影响显著;随风偏角的增大,高速列车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数存在减小的趋势。测试所得的高速列车气动参数可用于进一步开展风-车-桥耦合振动分析。