风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究

李永乐， 苏　洋， 武　兵， 张龙奇， 郑史雄， 李龙安

(西南交通大学 土木工程学院，成都　610031)

风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响研究

李永乐， 苏洋， 武兵， 张龙奇， 郑史雄， 李龙安

(西南交通大学 土木工程学院，成都610031)

为探究风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响，以某公铁两用桁架桥为背景，在XNJD-1号风洞中进行了1∶47.48的缩尺比节段模型试验，测试了无风屏障和设置不同风屏障方案时，车桥系统中车辆及桥梁各自的气动力系数、主梁的颤振临界风速以及主梁的涡振响应。结果表明：大跨度桥梁风屏障增加了车桥系统中主梁的阻力系数，降低了主梁的升力系数、车辆的阻力系数及升力系数。设置风屏障使主梁的颤振临界风速降低明显。风屏障在一定程度上可用作抑制主梁涡振的气动措施。

车桥系统；风屏障；颤振；涡振；气动性能

作为连接海岛与陆地的跨海工程重要组成部分，跨海大桥所处的特殊自然风环境往往会对大跨度桥梁的行车安全性造成极为不利的影响。在强侧风作用下，列车气动性能急剧恶化，不仅气动阻力迅速增加，列车的横向稳定性也会受到严重影响，甚至将导致列车脱轨倾覆[1-2]。尤其在跨海大桥上行驶的列车，由于桥面高程、结构绕流加速等因素，使得风对列车安全性的影响变得尤为突出。为提高行车安全性，通常在桥面设置风屏障，因此风屏障对车辆及桥梁安全性能的影响(简称风屏障防风效果)越发成为研究热点。

风洞试验是研究风屏障防风效果的一种重要手段，通过风洞试验可以进行常规的静力和动力试验，也可以通过流场结构测试，研究防风机理。Charuvisit等[3]通过风洞试验测试了车辆和风屏障的气动力，评价了桥塔处风屏障的防风效率。Yeh等[4]将风洞试验结果与数值模拟进行了对比，研究了开孔形式和风向角对风屏障防风效果的影响。何旭辉等[5]以京沪高速铁路典型高架桥和CRH2列车为背景，针对风屏障对典型车桥组合状态下列车气动特性的影响机理进行了细致分析。向活跃等[6-7]通过风洞试验分析了风屏障的孔径对车辆气动特性的影响，并讨论了平地路基、高路堤、简支桥梁3种典型线路情况下风屏障设置方式、风屏障高度等对轨道上方风压分布的影响，分析了风屏障的气动机理。张田等[8]将数值模拟与风洞试验结果进行对比，考虑了风屏障对车辆、桥梁气动性能的影响，分析了风屏障不同开孔率时车辆、桥梁气动力系数的变化规律。Kozmar等[9]通过风洞试验，采用PIV技术，研究了风屏障后方的流场特性。郭震山等[10]通过风洞试验和CFD分析，研究了不同安装位置的风屏障减风效果及其对桥梁气动稳定性的影响。李永乐等[11]通过风洞试验测试了设置不同风屏障情况下车辆的气动力系数，采用风-车-桥(线)耦合振动的分析方法研究车辆的动态响应，考察了风屏障的防风效果。

风屏障防风效果的研究已经日渐成熟，但已有研究大多集中在平地、路堤以及中小跨度桥梁上设置风屏障的情况，针对大跨度桥梁(特别是跨海大桥)风屏障的研究还尚有欠缺。由于大跨度桥梁风屏障除了考虑风屏障对车辆的防风效果，还需考虑风屏障对桥梁颤振、涡振等风致振动的影响，因此，大跨度桥梁风屏障的防风效果研究更加复杂与多样化。

对于大跨度桥梁，主梁结构形式大多为箱梁桥及桁架桥。针对这两类桥型的风洞试验研究较多，文献[12-13]针对桁架桥进行了一系列风洞试验。文献[14-16]针对箱梁桥进行了一系列风洞试验。遗憾的是上述研究未涉及到风屏障的影响。

关于大跨度桥梁风屏障的研究，目前更偏向于箱梁桥。黄斌等[17]以福州至平潭高速公路跨海路段的海坛海峡大桥为工程背景，研究了该跨海大桥典型桥段设置不同规格风屏障和未设置风屏障的风环境。张文明等[18]以主跨1 650 m中央开槽钢箱梁悬索桥为对象，通过风洞试验对比研究了风障对颤振临界风速、气动三分力系数以及静风稳定性的影响。周奇等[19]通过数值模拟，研究了曲线风屏障对桥面风环境的影响。

相比于箱梁桥，有关桁架桥风屏障的研究更为少见，高亮等[20]针对桁架桥主梁三分力系数进行了风洞试验，研究了风屏障对桁架桥主梁静力三分力系数的影响规律，针对风屏障对桥梁风致振动以及车辆风载荷的综合影响并未进行细致研究。

综上所述，大跨度桥梁风屏障会明显改善车辆的行车安全性，但是风屏障给大跨度桥梁风致振动带来的影响也不容忽视，因此将两者综合考虑显得尤为重要。目前，鲜有文献涉及到风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的综合影响。本文针对以上不足，以某公铁两用跨海大桥为背景，通过风洞试验，系统测试了不同风屏障方案下，车桥系统中车辆及桥梁各自的气动力系数，主梁的颤振临界风速以及涡振响应，探究了风屏障对大跨度桁架桥风致振动及车辆风载荷的影响。该研究具有工程实际意义，可为日后大跨度桁架桥风屏障设计提供一定参考。

1工程概况

1.1节段模型设计

某公铁两用跨海大桥全长1 188 m(132 m+196 m +532 m+196 m+132 m)，上层为6车道公路，宽34.879 m；下层为双线铁路，宽15 m。主梁采用钢桁梁，主桁高13.527m。桥梁总体布置见图1。

图1　某跨海大桥总体布置(mm)Fig.1 General layout of one sea-crossing bridge (mm)

节段模型试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业风洞(XNJD-1)第二试验段中进行，该试验段断面为2.4 m(宽)×2.0 m(高)的矩形，最大来流风速为45 m/s，最小来流风速为1 m/s。综合考虑主梁的宽度和高度以及风洞试验段的大小，桥梁和车辆节段模型均采用1∶47.48的几何缩尺比。根据主梁的断面形式制作了节段模型，2.095 m×0.734 6 m×0.284 9 m，模型采用优质松木和层板制作并按几何缩尺比严格模拟主梁的几何外形。模型的铁路人行道扶手按实际结构进行模拟(保证透风率等效)，主梁节段模型图见图2。列车节段模型为CRH2，2.095 m×71.2 mm(实车宽度3.38 m)，高73.7 mm(实车高度3.5 m，未包括车轮)，其断面见图3。

图2　主梁节段模型Fig.2 Section model of the main beam

图3　CRH2列车断面图(mm)Fig.3 Cross section diagram of CRH2 train (mm)

1.2风屏障设计参数

由于该桥为公铁两用大桥，所以公路及铁路均要设置风屏障，见图4。本文风屏障参数见表1。

图4　风屏障模型Fig.4 Model of wind screen

风屏障类型编号高度/m透风率/%开孔形式公路13.046.4条形13.523.043.5铁路32.5圆孔43.553.036.562.5

注：公路风屏障仅1种；铁路风屏障共6种。

2模型风洞试验及测试方法

为了明确风屏障对桥梁风致振动以及车辆风载荷的影响，测试了无风屏障和设置不同风屏障方案(公路风屏障不变，仅铁路风屏障改变)时，车辆及桥梁各自的气动力系数、主梁的颤振临界风速以及主梁的涡振响应。

2.1风屏障对车桥系统气动性能的影响

2.1.1气动力系数定义

桥梁和车辆的气动力系数定义[21]:

(1)

式中：α为来流攻角，ρ为空气密度，H、B、L分别为桥梁或车辆节段模型的高度、宽度和长度，FH(α)、FV(α)、FM(α)分别为不同攻角α情况下采用体轴坐标系时，桥梁或车辆的侧向阻力、升力、侧向倾覆力矩。

2.1.2测力风洞试验

为考虑车辆和桥梁的相互气动影响，将车桥作为一个系统进行风洞试验，先采用交叉滑槽系统实现两者气动力的分离，然后再利用天平分别进行车辆和桥梁气动力的测试[21]。试验测试了单车位于桥梁迎风侧和背风侧轨道，双车同时存在于轨道上时，风攻角为0°情况下，无风屏障和加设不同风屏障方案(公路风屏障不变，仅铁路风屏障改变)时，车辆及桥梁各自的气动力系数。

桥梁气动力系数结果见表2。由表2可知，加设风屏障后，桥梁的阻力系数增加，但升力系数却降低明显，桥梁力矩系数变化较小。这是因为，在桥梁上安装风屏障以后，气流流经风屏障时将在风屏障构件上作用气动力，特别是顺流向的阻力，从而增大了整个主梁断面的阻力系数，对于升力，风屏障影响了主梁表面比较平稳的气流，使桥面上由于气流运动产生的上升的黏滞力变小，进而升力系数变小。

车辆气动力系数结果见表3。由表3可知，单车存在于桥上时，无论迎风侧还是背风侧轨道，设置风屏障后车辆的阻力系数及升力系数均降低，并且相同透风率情况下，随着风屏障高度的增加，车辆的阻力系数及升力系数逐渐降低，这是因为风屏障有效阻挡了一部分来流，使直接作用在车辆上的风载荷降低，随着风屏障高度的增加，穿过风屏障孔隙直接作用在车辆上的气流减小，而绕过风屏障作用于车辆后方的气流增加。

无论设置风屏障与否，双车同时存在于桥上时，背风侧车辆明显受到了迎风侧车辆的“遮挡效应”，因此其阻力系数减小明显。设置风屏障后，背风侧车辆阻力系数较无风屏障情况反而增加，并且相同透风率情况下，随着风屏障高度的增加，阻力系数逐渐降低。这是因为，设置风屏障后，气流流经风屏障会形成绕流，一部分气流会绕过迎风侧车辆而直接作用在背风侧车辆上，导致迎风侧车辆对背风侧车辆的“遮挡效应”减弱。随着风屏障高度的增加，风屏障后方的“防风区域”变宽，一部分气流会进一步绕过背风侧车辆而作用于背风侧车辆后方的区域，因此背风侧车辆的阻力系数随着风屏障高度的增加而减小。各工况下车辆的力矩系数均较小。

对比各个工况可以发现，透风率对车辆及桥梁气动力的影响均较为显著。

表2　桥梁气动力系数

表3　车辆气动力系数

注：高度为0 m时，即指无风屏障情况(公路及铁路均未设置风屏障)；有风屏障时，公路风屏障方案固定不变，仅铁路风屏障变化。

2.2风屏障对主梁颤振临界风速的影响

2.2.1节段模型设计

由颤振节段模型设计相似性要求,可确定出实桥主要参数与节段模型主要参数之间的对应关系(见表4)。

表4　颤振试验模型设计参数

2.2.2颤振风洞试验及结果分析

试验在西南交通大学XNJD-1工业风洞第二试验段中进行，该试验段设有专门进行桥梁节段模型动力试验的装置。颤振试验所用的节段模型与静力试验的模型相同，由8根拉伸弹簧悬挂在支架上，形成可竖向运动和绕模型轴线转动的二自由度振动系统。试验支架置于洞壁外，以免干扰流场。共完成了21个试验工况，包括无风屏障和加设6种不同风屏障方案(公路风屏障不变，仅铁路风屏障改变)，0°、+3°和-3° 3种风攻角情况，所有试验工况都是在均匀流场中进行。试验测试内容为颤振临界风速。

将节段模型的颤振试验结果换算到实桥，不同风屏障以及各攻角情况下主梁颤振临界风速见表5。从表5可知，有无风障时颤振临界风速最小值为87 m/s，仍大于检验值，说明该跨海大桥颤振稳定性很好。加设风屏障以后，主梁颤振临界风速较无风屏障情况降低明显，这说明加设风屏障对桥梁的颤振稳定性是不利的。该结论与部分文献[10]和文献[18]有差异，这可能是因为以上文献的研究对象均为箱梁桥，而本文研究对象是公铁两用桁架桥。相同透风率及风攻角情况下，随着铁路风屏障高度的降低，颤振临界风速增加(仅个别情况除外)；相同高度及风攻角情况下，设置透风率为43.5%铁路风屏障的主梁颤振临界风速总体上高于设置透风率为36.5%的情况。

表5　　主梁颤振临界风速

2.3风屏障对主梁涡振响应的影响

2.3.1涡振风洞试验

由涡振节段模型设计相似性要求,可确定出实桥主要参数与节段模型主要参数之间的对应关系(见表6)，主梁高和宽、单位长度质量和质量惯矩以及回转半径同表4。节段模型涡振试验是在均匀流条件下进行，试验风速与实桥风速的比值为1∶3.6，试验起步风速为1 m/s，风速步长约为0.2 m/s。本次试验包括无风屏障和加设6种不同风屏障方案(公路风屏障不变，仅铁路风屏障改变)，0°、+3°和-3° 3种风攻角情况，试验测试内容为主梁竖向及扭转涡振响应。

2.3.2结果分析

根据竖弯及扭转基频可得：

竖向位移允许振幅：

[ha]=0.04/fb=0.04/0.31=129 mm

扭转位移允许振幅：

[θa]=4.56/(Bfb)=4.56/34.879 5/0.71=0.184°

本文将节段模型的涡振试验结果换算到实桥，无风屏障时，主梁竖向及扭转涡振见图5。由图5可知，无风屏障时，主梁未发生竖向涡振，实桥最大竖向位移出现在+3°攻角情况，仅为25.9 mm，满足容许值要求；主梁存在明显的扭转涡振，特别是+3°攻角下，实桥最大扭转角达0.419°，超出容许值很多，对应最大扭转响应和对应风速、斯托劳哈数(St=fd/U，St为斯托劳哈数，f为涡脱频率)为0.35。加设风屏障以后，实桥竖向涡振结果见图6和图7，由此可以看出，不同铁路风屏障高度情况下，透风率为43.5%时，实桥最大竖向位移为13.2 mm；透风率为36.5%时，实桥最大竖向位移为22.6 mm，较无风屏障情况均有所降低；实桥扭转涡振结果见图8和图9，由此可知，透风率为43.5%时，实桥最大扭转角度0.040°；透风率为36.5%时，实桥最大扭转角度为0.065°，较无风屏障情况降低明显，均降低到了容许范围之内。这说明，设置风屏障对桥梁的涡振性能是有利的，这是因为风屏障为多孔介质模型，其打乱了气流在主梁断面上形成的旋涡形态，使旋涡的周期性交替脱落现象减弱，一定程度上抑制了涡振的发生。

图5 主梁涡振响应(无风屏障)Fig.5Vortex-inducedvibrationresponseofmainbeam(withoutwindscreen)图6 不同风屏障高度下主梁竖向涡振响应(透风率43.5%)Fig.6Verticalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:43.5%)

图7 不同风屏障高度下主梁竖向涡振响应(透风率36.5%)Fig.7Verticalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:36.5%)图8 不同风屏障高度下主梁扭转涡振响应(透风率43.5%)Fig.8Torsionalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:43.5%)图9 不同风屏障高度下主梁扭转涡振响应(透风率36.5%)Fig.9Torsionalvortex-inducedvibrationresponseofmainbeamwithwindscreenatdifferentheights(openporosity:36.5%)

3结论

在研究大跨度桥梁风屏障的防风效果时，应该将其对车辆以及桥梁的影响综合考虑，本文通过探究风屏障对大跨度桁架桥风致振动以及车辆风载荷的影响，可以得出如下结论：

(1) 风屏障会导致车桥组合状态下，主梁阻力系数增加，升力系数降低；单车位于桥梁迎风侧、背风侧轨道时，车辆阻力系数及升力系数均降低；双车共存于轨道时，背风侧车辆阻力系数反而增加。风屏障透风率对车辆以及桥梁气动力系数的影响较为显著；

(2) 有无风屏障，该桥颤振临界风速均满足检验风速的要求，该桥颤振稳定性很好；设置风屏障后，主梁颤振临界风速降低明显，这说明风屏障会导致该桁架桥的颤振稳定性降低，在今后大跨度桁架桥风屏障设计时，应适当考虑风屏障对该类桥梁颤振稳定性造成的不利影响。

(3) 大跨度桥梁风屏障会明显抑制主梁涡振响应，特别是主梁扭转涡振响应降低到了允许范围之内，这说明风屏障在一定程度上可以作为抑制该类主梁涡振的气动措施。

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Comprehensive effect of wind screens on wind-induced vibration of long-span truss bridge and wind loads of vehicles

LI Yong-le, SU Yang, WU Bing, ZHANG Long-qi, ZHENG Shi-xiong, LI Long-an

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to study the comprehensive effect of wind screens on the wind-induced vibration of long-span truss bridge and the wind loads of vehicles, based on a road-cum-rail truss bridge, a 1:47.48 scale sectional model was tested in the XNJD-1 wind tunnel. The aerodynamic coefficients of the vehicle and the bridge in a vehicle-bridge system, the critical flutter velocity and the vortex-induced vibration response of the main beam were tested without and with different wind screens. The results show that when the wind screen is installed on the long-span bridge, the drag coefficient of the bridge in the vehicle-bridge system increases while the lift coefficient of the bridge decreases. As for the vehicle, the drag coefficient and the lift coefficient both decrease. It is also suggested that the wind screens decrease the critical flutter velocity significantly, and the wind screen could be used as the aerodynamic measure for mitigating a vortex-induced vibration of main beam.

vehicle-bridge system; wind screen; flutter vibration; vortex-induced vibration; aerodynamic characteristics

10.13465/j.cnki.jvs.2016.12.022

国家自然科学基金项目(U1334201;51278434)；国家科技支撑计划课题(2012BAG05B02)

2015-04-02修改稿收到日期：2015-06-27

李永乐 男，博士，教授，博士生导师，1972年生

U24

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