公鐵兩用雙層橋梁風(fēng)屏障氣動(dòng)機(jī)理及優(yōu)化研究.pdf

1、隨著我國(guó)交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)逐漸向強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)地區(qū)延伸，風(fēng)致車輛事故頻發(fā)。公鐵雙層橋梁，由于其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，繞流加速效應(yīng)明顯，橋上車輛的行車環(huán)境將進(jìn)一步惡化。在橋面設(shè)置風(fēng)屏障是提高車輛行車安全性的有效措施之一，但風(fēng)屏障又會(huì)改變橋梁本身的抗風(fēng)性能。本文圍繞公鐵兩用雙層橋梁風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理及優(yōu)化開展了如下研究:
　　首先，通過風(fēng)屏障足尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了風(fēng)屏障后方的流場(chǎng)分布特性及其自身風(fēng)荷載，對(duì)比分析了風(fēng)屏障開孔形式及開孔孔徑對(duì)流場(chǎng)特性的影響，明

2、確了不同風(fēng)屏障在來流方向及豎向上的有效防風(fēng)范圍，通過側(cè)向力及傾覆力矩等效原則，得到了不同風(fēng)屏障后方的等效風(fēng)速。進(jìn)一步，提出了適用于多孔形風(fēng)屏障及縱條形風(fēng)屏障的數(shù)值模擬方法，基于風(fēng)屏障足尺試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了該模擬方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上，研究了多孔形風(fēng)屏障透風(fēng)率分布，縱條形風(fēng)屏障障條排數(shù)和障條空間形狀等孔型參數(shù)對(duì)其后方流場(chǎng)特性的影響，并提出了相對(duì)較優(yōu)的參數(shù)取值。
　　其次，將風(fēng)屏障、車輛及雙層橋梁作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了縮尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)

3、試了雙層橋梁上下橋面設(shè)置風(fēng)屏障前后的局部風(fēng)場(chǎng)，討論了風(fēng)屏障對(duì)CRH2列車和公路大貨車氣動(dòng)力系數(shù)的影響。在此基礎(chǔ)上，采用風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析方法，計(jì)算了大貨車及列車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，分析了不同車道位置、風(fēng)速、車速以及風(fēng)屏障對(duì)車輛的行車安全性及舒適性的影響。
　　再次，針對(duì)公鐵兩用桁架橋梁，測(cè)試了設(shè)置風(fēng)屏障前后橋梁的靜力三分力系數(shù)、顫振臨界風(fēng)速以及渦振響應(yīng)，討論了風(fēng)屏障對(duì)主梁靜動(dòng)力氣動(dòng)特性的影響。針對(duì)分離式雙層箱梁橋，通過對(duì)比分析單獨(dú)鐵路

4、橋梁和公鐵雙層橋梁上軌道上方的流場(chǎng)特性及列車氣動(dòng)力，明確了雙層橋面間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)。進(jìn)一步，通過改變分離式雙層橋梁的間隔高度，得到不同間隔高度下，鐵路橋面流場(chǎng)特性和列車的氣動(dòng)力系數(shù)變化規(guī)律，提出了設(shè)置風(fēng)屏障前后，雙層橋梁間隔高度的建議值。
　　最后，綜合考慮車輛及橋梁的安全性，將風(fēng)屏障防風(fēng)效果的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成了一個(gè)多目標(biāo)優(yōu)化問題，并利用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)風(fēng)屏障進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，采用數(shù)據(jù)包絡(luò)分析方法對(duì)多目標(biāo)優(yōu)化算法所

5、得Pareto最優(yōu)解集進(jìn)行方案比選，得到了風(fēng)屏障最優(yōu)方案。
　　結(jié)果表明:足尺模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果可為日后該類風(fēng)屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的參考數(shù)據(jù)。本文提出的適用于多孔形風(fēng)屏障的二維模擬方法可較好地模擬該類風(fēng)屏障。風(fēng)屏障的透風(fēng)率分布、障條排數(shù)及障條空間形狀對(duì)其后方一定范圍內(nèi)的流場(chǎng)影響較為明顯，在今后的風(fēng)屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中應(yīng)該予以一定的重視。對(duì)雙層桁架橋梁的研究結(jié)果表明，風(fēng)屏障會(huì)導(dǎo)致車橋組合狀態(tài)下，主梁阻力系數(shù)增加，升力系

6、數(shù)降低。設(shè)置風(fēng)屏障后，主梁顫振臨界風(fēng)速降低明顯，這說明風(fēng)屏障會(huì)導(dǎo)致該桁架橋的顫振穩(wěn)定性降低;主梁的渦振響應(yīng)得到了明顯的抑制，這說明風(fēng)屏障在一定程度上可以作為抑制該類主梁渦振的氣動(dòng)措施。對(duì)分離式雙層箱梁橋的研究結(jié)果表明，設(shè)置風(fēng)屏障會(huì)增加上下橋面間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，無風(fēng)屏障時(shí)，雙層橋面間隔高度僅需滿足基本建筑界限即可，設(shè)置風(fēng)屏障以后，當(dāng)間隔高度≥15m時(shí)，鐵路橋面風(fēng)速剖面以及迎風(fēng)側(cè)軌道處列車氣動(dòng)力變化趨于平緩。針對(duì)風(fēng)屏障防風(fēng)效果的多目標(biāo)優(yōu)化問