高速列车运行对铁路简支箱梁空气动力特性的影响

肖 军，李小珍，刘德军

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

高速列车运行对铁路简支箱梁空气动力特性的影响

肖 军，李小珍，刘德军

(西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031)

列车—桥梁系统的空气动力特性不仅受组合断面上的气动绕流影响，而且在顺桥向列车对桥梁的影响还呈现出非均匀性及动态变化。以高速列车通过铁路双线32 m简支梁桥为例，分析头车前35 m至尾车后35 m范围内的桥梁三分力系数变化规律，得到了高速列车运行对该型桥梁不同位置断面空气动力特性的影响规律。研究发现，在任意时刻列车对铁路桥梁的空气动力特性影响都可划分为覆盖区、过渡区和无影响区3个区段，且随着列车在桥上的运行，列车对桥梁的影响区域在动态变化。提出了一种移动窗口模型方法来动态更新桥梁不同部位的气动力系数。该方法真正实现了列车—桥梁系统的动态气动耦合，能够更为精确地模拟风—车—桥系统耦合分析中的动态风荷载。

高速列车 简支箱梁桥 气动特性 动态风荷载

风—车—桥系统耦合分析中，风荷载的准确模拟对车桥耦合振动有很大影响。车桥系统所受的风荷载包括列车所受的时变风荷载和桥梁所受的时变风荷载。对于等截面桥梁，列车在与桥梁相对运动的过程中，桥梁对列车的空气动力特性的影响规律保持一致，但是当列车运行到桥梁的不同部位，同一桥梁断面将受到不同的列车绕流的影响。研究列车对桥梁的空气动力特性的影响规律对于准确模拟桥梁所受的气动荷载有实际意义。

在建立风—车—桥系统耦合分析模型时，通常在车桥耦合系统基础上将风作为一种外部激励加以考虑［1-4］。针对车桥系统风荷载的模拟，通常依据风洞试验或者 CFD(Computational Fluid Dynamics)数值风洞模拟得到在车、桥相互影响情况下的气动力系数［5-7］，然后根据桥址区风特性并考虑其空间相关性，数值模拟出沿桥塔及主梁分布的随机风速场［8］，进而分别求解列车和桥梁在任意位置所受到的气动力。但是，已有研究大多仅考虑了桥上有车与无车时的气动力差异，并未考虑列车从头车入桥到尾车出桥全过程中列车对桥梁的动态气动影响范围及规律。对于小跨度桥梁，由于桥梁刚度较大，且从头车入桥到尾车出桥的总时间较短，此种简化分析不会对风—车—桥系统响应带来过大的影响。文献［2］认为桥梁断面的气动特性随列车的到达和离去而改变，整个主梁所受风荷载随列车的运行而动态变化，但在考虑列车对桥梁的气动影响范围方面，仅仅是以车头和车尾为界简单划分为列车覆盖区和未覆盖区，并分别采用有车和无车情况下的气动系数加以考虑。该方法考虑了列车从头车入桥到出桥的全过程中列车对桥梁的动态气动影响过程，但是未考虑列车对桥梁气动特性的影响范围。冉瑞飞［9］采用 CFD软件分析了 CRH2型列车位于简支梁和连续梁上时，桥梁不同断面位置的气动力系数，给出了气动力变化曲线，但是未对车桥相互影响规律进行深入分析，也未将其应用于风—车—桥耦合分析。显然，列车对桥梁气动特性的影响应是限定在从头车以前至尾车以后的特定区域，已有的关于风—车—桥耦合分析的文献均未对此加以考虑。

本文以CRH3型高速列车及铁路双线32 m简支箱梁为例，分析了桥上有车时，从头车以前35 m至尾车以后35 m范围内的桥梁三分力系数变化规律，得到了CRH3型列车对该型桥梁断面的气动影响范围及其规律。提出了一种移动窗口模型方法用于更为精确地模拟风—车—桥耦合系统中的动态风荷载。该方法对于风—车—桥系统耦合分析尤其是大跨度柔性桥梁如大跨度悬索桥、大跨度斜拉桥等的风—车—桥系统耦合分析具有重要的意义［10-11］。

1 列车过桥对桥梁的气动影响过程

1.1 列车—桥梁系统气动特性

在车桥系统耦合分析中，通常将桥梁和列车作为两个独立的子系统分离迭代求解，因此需要分别获取列车和桥梁的气动力。桥梁上的列车处于桥梁的气动绕流之中，其所受气动力受桥梁几何轮廓的影响。同理，桥梁也会受其上列车绕流的影响。采用一种三分力测试装置——交叉滑槽系统，该系统可用于测量车桥系统中列车和桥梁各自的气动力，针对京沪高铁南京长江大桥的气动特性进行了节段模型测试［7］，部分测试结果见表1。

表1 南京长江大桥节段模型测试结果

从表1可见，桥梁所受的气动力受列车的影响非常明显。其中侧向力系数列车位于迎风侧较无车时减小了19%，背风侧较无车时减小18%;升力系数列车位于迎风侧及背风侧分别比无车时增大68%，110%;力矩系数在迎风和背风情况下都出现了反向。因此，在考虑横向风作用进行车桥耦合分析时，有必要考虑桥梁和列车两者的相互气动耦合影响。

1.2 列车过桥的影响

为精确分析列车对桥梁的动态气动影响，不仅需要考虑列车—桥梁系统在横断面上的相互气动干扰，还需考虑列车从头车入桥到尾车出桥的全过程中在桥梁纵向上的影响。如图1所示，在任意时刻都可将列车对桥梁的气动影响区域划分为覆盖区、过渡区和无影响区。从列车头车入桥到尾车出桥全过程中，列车与桥梁的相对位置关系处于动态的变化中。入桥过程中，覆盖区逐步加大，过渡区不断向前移动;如果桥梁足够长，列车全部进入桥上后，覆盖区及头车前和尾车以后的过渡区均向前移动;列车出桥过程中，覆盖区逐渐减小，尾车过渡区继续向前移动，直至整车出桥。

图1 列车对桥梁的气动影响过程示意

从图1可以看出，从入桥到出桥全过程中列车对桥梁的气动影响是动态的，任意时刻(位置)列车对桥梁不同部位的气动影响也是不一样的。列车—桥梁系统的相互气动影响不仅体现在横断面上的气动绕流，同时在桥梁纵向上也呈现动态变化。为更精确地模拟桥梁所受到的动态风荷载，有必要研究任意时刻桥梁上覆盖区、过渡区及无影响区的分布规律。

2 列车—桥梁系统CFD仿真分析

为了确定列车对桥梁的气动影响范围及影响规律，以CRH3型列车及铁路32 m双线简支箱梁为例进行了CFD仿真分析。为了便于分析，对桥梁断面上的栏杆等附属设施进行了适当简化，如图2所示。

图2 桥梁断面简化

2.1 三维CFD仿真模型

图3 模型网格划分

建立了三维CFD仿真分析模型(如图3)，并分别进行了迎风侧列车—桥梁系统CFD求解。几何模型建模及网格划分采用 ANSYS/ICEM，CFD求解采用ANSYS/FLUENT 14.5。网格数量为7 868 686，均为四面体网格;FLUENT求解采用 Viscous-Standard k-e，Standard Wall Fn模型，入口采用Velocity inlet，出口采用outflow边界。为监测桥梁断面不同位置的气动力，在从头车前35 m至尾车后35 m范围内每隔0.2 m划分一个桥梁节段进行监测，如图4所示。

图4 桥梁监测断面位置分布

2.2. 列车对不同位置桥梁断面的气动影响

桥梁断面三分力的正方向如图5所示。为分析列车对不同位置桥梁断面的气动影响，分别对比了有车和无车情况下从头车前35 m至尾车后35 m范围内不同桥梁断面的三分力系数，如图6所示。可见:桥梁断面所受的侧向力、升力及力矩系数均在远离列车时趋近桥上无车情况下的气动力系数;在头车及尾车的端部位置，桥梁气动特性出现明显的变化。

图5 桥梁三分力正方向示意

从图6可见，列车对桥梁断面的耦合气动影响呈现出复杂的形态，其原因如下:经桥梁及车体的绕流，气流在桥梁纵向上发生波动，同时不同的脉动成分必然会引起各监测断面监测值的周期性变化。

图6 桥梁断面气动特性参数沿桥分布

为了研究列车对桥梁各断面静力平均气动力系数的影响规律，需要分析出主要的气动力成分。为此，本文采用基于HHT理论的EMD方法(经验模态分析法)对CFD仿真结果进行 EMD分解［12］，提取出主要分量，同时认为其他模态是由于CFD数值求解的波动带来的，忽略其影响。

图7给出了桥上有车(单线迎风)情况下不同位置桥梁监测断面气动力系数分布经EMD分解后的结果。图中，IMF指的是本征模函数(Intrinsic Mode Function)。受监测断面数量的限制，对各监测断面共分解出4阶IMF以及一个趋势项。由图7可知，桥梁断面气动力的前4阶IMF均呈现出周期性波动的变化规律，且其绝对数值均较小，可认为是CFD数值求解带来的波动成分，忽略其影响。而EMD分解得到的趋势项(残余项)，其绝对数值均较大，可认为是有车情况下的桥梁断面气动力系数的主要成分。

图7 桥梁断面气动特性参数EMD分解

2.3 影响范围及规律分析

从图7还可看出，桥梁各断面的气动力系数由覆盖区有车情况下的气动力系数近似线性地变化到无影响区的无车情况下的气动力系数。

图8反映的是当列车行进到桥梁的某一个部位时桥梁断面的气动特性分布规律。其中A至F代表气动特性曲线，AB段及EF段为列车对桥梁气动特性无影响区，BC段和DE段为过渡区，CD段为覆盖区。过渡区约有20～30 m，约为1倍头车的长度。可见，列车对桥梁气动特性影响的过渡区域范围较大，在风—车—桥系统耦合分析时不可忽略。为简化处理可将过渡区的影响按照等效原则，以过渡区的1/2(约为头车长的1/2)延伸覆盖区。

图8 高速列车对桥梁的气动影响

3 列车—桥梁系统动态气动耦合简化模型

3.1 传统的车桥系统气动特性简化模型

高速列车在横向风作用下运行，风—车—桥系统的响应需要考虑列车—桥梁系统的气动耦合，这主要体现在:首先，列车—桥梁在断面上存在着相互气动绕流影响;其次，列车对桥梁的气动影响是有一定范围的，即本文探讨的过渡区的问题;另外，还体现在随着列车运行，列车与桥梁的相对位置是处在动态变化中的。风—车—桥系统耦合振动分析中，出于不同的考虑，采用了不同的风荷载简化计算模型，如图9所示，针对不同的计算分析需要各种简化模型都能得到较为合理的结果。例如，简化模型1考虑了列车—桥梁组合断面相互气动绕流影响，但未考虑列车运行对桥梁断面的动态影响，而是将桥梁的气动特性视为常数。该简化模型用于小跨度桥梁，由于高速列车上桥的时间极短，且桥梁刚度较大，其分析结果是可以接受的。然而，对于大跨度桥梁，由于列车在桥上的运行时间较长且桥梁刚度较小，桥梁气动特性的差异必然引起车桥耦合响应较大的差异，在这种情况，需考虑列车的运行对桥梁气动特性的动态影响。简化模型2即是考虑了列车运行情况下由于列车到达和离开而引起桥梁气动特性动态变化。更进一步，根据对列车对桥梁气动影响过渡区的分析，提出一种考虑过渡区的简化模型，即简化模型3。该简化模型考虑了列车对桥梁的气动影响范围且考虑了列车运行的影响。3.2 移动窗口更新模型的实现流程

图9 车桥系统气动特性简化模型

如前所述，自头车进桥开始，列车处于任意位置对桥梁的气动力影响范围均是有限的，此范围以外可按照桥上无车情况考虑。基于前述CFD仿真分析结果，提出一种考虑列车对桥梁气动影响范围的移动窗口模型用于动态更新桥梁所受的动态气动力系数，其流程如图10所示。

图10 考虑列车影响的移动窗口更新模型

从列车上桥开始，在车桥迭代计算的任一时间步(或者根据列车的行驶速度设定特定的时间步数，以行驶距离加以控制)，首先识别桥梁所处的位置;然后，根据风洞试验及CFD仿真分析的结果，确定列车与桥梁的气动影响参数(包括车桥覆盖区、过渡区及无影响区的车、桥的气动力系数)，分别计算桥梁和列车在当前时刻所受到的气动力;最后，进行车桥分离迭代求解直至尾车出桥。

4 结论

对于风—车—桥系统耦合振动分析，如果不精确考虑列车对桥梁气动特性的影响范围，必然会使得桥梁气动特性的差异随列车由入桥到出桥整个过程发生持续的动力放大，最终导致车桥系统的动力时程响应出现较大的差异。本文基于CRH3型列车通过双线铁路32 m简支梁的CFD计算分析，得到以下结论:

1)列车从头车入桥到尾车出桥的全过程，根据列车对桥梁不同位置断面的气动影响范围，可将桥梁划分为覆盖区、过渡区及无影响区。

2)在过渡区，可近似认为桥梁的气动力系数由覆盖区所对应的有车情况下的气动力系数线性过渡到无影响区所对应的无车情况下的气动力系数，并建议将覆盖区延长头车(或尾车)长度的1/2来近似考虑过渡区的影响。CRH3型列车和32 m简支梁的过渡区长度约为头车长度的1倍。

3)提出了一种移动窗口模型来考虑列车对桥梁气动特性的动态影响。该方法使得风—车—桥耦合系统中列车—桥梁的气动力真正实现了动态耦合。

［1］刘德军.风—列车—线路—桥梁系统耦合振动研究［D］.成都:西南交通大学，2010.

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［11］王少钦.风及列车荷载作用下大跨度桥梁振动响应研究［D］.北京:北京交通大学，2012.

［12］HUANG N E，WU Z H.An Adaptive Data Analysis Method for Nonlinear and Nonstationary Time Series:The Empirical Mode Decomposition and HilbertSpectralAnalysis［EB/OL］.［2015-05-20］http://courses.seas.harvard.edu/climate/ pdf/zhaohua.pdf.

Influence of high speed train running on aerodynamic characteristics of railway simple-supported box-girder

XIAO Jun，LI Xiaozhen，LIU Dejun
(School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China)

T he aerodynamic characteristics of train-bridge system are affected by the aerodynamic flow on a hybrid cross section and the effect of vehicle on bridge presents a non-homogeneous and dynamic variation along the bridge direction.T aking the high speed train passing through railway double line 32 m simple-supported box-girder bridge as an example，the variation law of bridge three-component aerodynamic coefficients from 35 m ahead first vehicle to 35 m behind the last vehicle was analyzed and the influence law of high speed train movement on aerodynamic characteristics of different bridge cross section was obtained.T he results indicated that effect of train on aerodynamic characteristics of railway bridge could be divided into 3 sections including the coverage area，the transition zone and the non-influence area at any time and the influence area changes dynamically with the train passing through the bridge.T his paper presented a moving window model to dynamically update the aerodynamic coefficients of different bridge parts and has realized the dynamic aerodynamic coupling of vehicle-bridge system，which could precisely simulate the dynamic wind load of wind-vehicle-bridge coupling system.

High speed train;Simple-supported box-girder bridge;Aerodynamic characteristics;Dynamic wind load

U448.21+3;U238

:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1995.2015.11.01

(责任审编 李付军)

2015-05-21;

:2015-07-13

国家自然科学基金高铁联合基金项目(U1434205);国家重点基础研究发展计划(973)项目(2013CB036301)

肖军(1987— )，男，博士研究生。

1003-1995(2015)11-0001-05