高速列车运行对铁路简支箱梁空气动力特性的影响.pdf

2 0 1 5年第 1 1 期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n ee r i n g 文 章编 号 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 2 0 1 5 1 1 ． 0 0 0 1 ． 0 5 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6 1 0 0 3 1 摘 要 列车一 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 3 2 m 简 支梁桥 为例 ， 分 析 头 车前 3 5 m 至 尾 车后 3 5 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 车一桥 梁 系统 的动 态气动耦合 ， 能够更为精确地模拟风一车一桥 系统耦合分析中的动 态风荷载。 关键 词 高速 列 车 简 支箱 梁桥 气动 特性 动 态风荷 载 中图分 类号 U 4 4 8 ． 2 1 3 ； U 2 3 8文献 标 识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ． 2 0 1 5 ． 1 1 ． 0 1 风一车一桥系统耦合分 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 。 在建立风一 车一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 。针 对 车桥 系 统 风 荷 载 的模 拟 ， 通 常依 据 风 洞 试验或者 C F D C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s 数值风 洞 模 拟 得 到 在 车 、 桥 相 互 影 响 情 况 下 的 气 动 力 系 数 一 ， 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 ， 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 ， 且从头车人桥到尾车出桥 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 5 - 2 1 ； 修回 日期 2 0 1 5 - 0 7 1 3 基金项 目 国家 自然科学基金高铁联合基金项 目 U 1 4 3 4 2 0 5 ； 国家重点 基础研究发展计划 9 7 3 项 目 2 0 1 3 C B 0 3 6 3 0 1 作者简介 肖军 1 9 8 7 一 ， 男 ， 博士研究生 。 的总时间较短 ， 此种简化分析不会对风一车一桥 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 采用 C F D软件分析 了 C R H 2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 ， 也未将其应用于风一车一桥耦合分析。 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 一车一 桥 耦 合 分析 的文 献均未 对此 加 以考虑 。 本文 以 C R H 3 型 高 速列 车及 铁 路 双线 3 2 m 简 支 箱梁为例 ， 分析 了桥上有车时， 从 头车 以前 3 5 m至尾 车以后 3 5 m范 围内的桥梁三分力系数变化规律 ， 得到 了 C R H 3 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 模拟风一车一桥耦合系统 中的动态风荷载。该方法对 于风一车一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一车一桥系统耦 合 分析 具有 重要 的意 义 ⋯。 2 0 1 5年第 1 1 期 肖 军等 高速列车运行对铁 路简支箱 梁空气动力特性的影响 3 A N S Y S ／ F L U E N T 1 4 ． 5 。 网格数 量 为7 8 6 8 6 8 6 ， 均为 四 面体 网格 ； F L U E N T求 解 采 用 V i s c o u s S t a n d a r d k - e ， S t a n d a r d Wa l l F n模 型 ， 人 口采 用 V e l o c i t y i n l e t ， 出 口采 用 o u t f l o w边 界 。为监 测 桥 梁断 面不 同位置 的气 动 力 ， 在从头车前 3 5 m至尾车后 3 5 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 。 ■■■ ； 霹圜 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 3 5 m至尾 车 后 3 5 I l l 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 断面位置 ， m a 1 侧向力系数 籁 0 5 索 图 5 桥梁三分力正方 向示 意 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。 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 。 一玉 ～ 一⋯⋯⋯⋯ 一无 一 有 0 35 0 3 0 o 2 5 O 2 0 0． 1 5 擎 0 1 0 0 0 5 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 HH T理 论 的 E MD 方 法 经 验 模 态 分 析 法 对 C F D仿 真结果进行 E MD分解 ， 提取 出主要 分量 ， 同时认为其他模态是 由于 C F D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 E MD分解后 的结 1 0 o - s -R 0 ． 6 。 -0 2 断面位置， m a 侧向力系数E MD 分解 。 fff ⋯⋯⋯⋯一 J ． 。 一 7 一 有车 一一无车 ⋯ - 8 0- 6 0 - 4 0 - 2 0 0 2 O 4 O 6 0 8 O 断 面位置 ， m c 侧向力矩系数 果 。 图 中 ， I MF指 的 是 本 征 模 函 数 I n t r i n s i c Mo d e F u n c t i o n 。受 监测 断面 数 量 的 限制 ， 对各 监 测 断 面 共 分解 出 4阶 I MF以及 一 个趋 势 项 。 由图 7可 知 ， 桥 梁 断 面气 动力 的 前 4阶 I MF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 C F D数值求 解带来的波动成分 ， 忽略其影响。而 E MD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 。 断面位置， m b 升力系数E MD 分解 图 7 桥梁 断面气动特性 参数 E MD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 断面位置， m c 侧向力矩系数E MD分解 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。 ∞ 加 O c 籁 墩 匣晕 _童 项 黼 群 4 铁道建筑 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 ， A B段及 F段为列车对桥梁气动特性无 影 响 区 ， B C段 和 D E段为 过 渡 区 ， C D段 为 覆 盖 区。 过 渡 区约 有 2 0～3 0 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 ， 在风一 车一 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 。 断 面位置 图 8 高速列车对桥梁的气动影响 3 列车一桥 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 ， 风一 车一 桥 系 统 的响应需要考虑列车一桥梁系统的气动耦合 ， 这主要 体现在 首先 ， 列车一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。风一车一桥系统耦 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 了列车一桥梁组 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 糕 c 一 简化模型1- - - 简化模型2 简化模型3 图 9 车桥 系统气动特性 简化模 型 断面位置 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 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 C F D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 1 0所 示 。 列车上桥 判断当前 时刻列车在 桥上 的位置 二二二 二二 桥梁不 同部位受列车 的气动 影响 二二二工二二 更新桥梁及 列车所受 的气动力 二二二]二二 车桥耦合分析 l 下一时刻 判 断列车是否 出桥 ‘ 是 l 结束 l 否 图 l 0 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 C F D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 对于风一车一桥系统耦合振 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 C R H 3 型 列 车通 过 双线 铁 路 3 2 m 简支 梁 的 C F D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 釜 2 0 1 5年第 1 1期 肖 军等 高速列车运行对铁路简支箱梁空气动力特性 的影 响 5 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 。C R H3型列 车 和 3 2 I n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。该方法使得风一车一桥耦合系 统中列车一桥梁 的气动力真正实现了动态耦合。 参 考 文 献 [1] 刘德 军． 风一列 车一 线路～桥 梁系 统耦合 振动 研究 [ D] ． 成都 西南交 通大学 ， 2 0 1 0 ． [ 2] L I Y L ， Q I A N G S Z ， L I A O H L ， e t a 1 ． D y n a mi c s o f Wi n d r a i l V e h i c l e b r i d g e S y s t e ms [ J ] ． J o u r n a l o f Wi n d E n g i n e e r i n g a n d I n d u s t r i a l A e r o d y n a mi c s ， 2 0 0 5， 9 3 6 4 8 3 5 0 7 ． [ 3] C A I C S ， C HE N S R． F r a m e w o r k o f V e h i c l e b r i d g e w i n d D y n a m i c A n a l y s i s [ J ] ． J o u r n a l o f Wi n d E n g i n e e r i n g a n d I n d u s t r i a l Ae r o d y n a mi c s ， 2 0 0 4， 9 2 7 ／ 8 5 7 9 6 0 7 ． [4] X U Y L ， D I N G Q s ． I n t e r a c t i o n o f R a i l w a y V e h i c l e s w i t h T r a c k i n C r o s s wi n d s 『 J 1 ． J o u r n a l o f F l u i d s a n d S t r u c t u r e s ． 2 0 0 6， 2 2 3 2 9 5 3 1 4． [ 5] B A K E R C J ， J O N E S J ， L O P E Z C A L L E J A F ， e t a 1 ． Me a s u r e me n t s o f t h e C r o s s Wi n d F o r c e s o n T r a i n s『 J ] ．J o u r n a l o f W i nd En g i n e e r i ng a nd I nd us t r i a l Ae r o d y n a mi c s，20 0 4，92 7 ／ 8 5 4 7 5 6 3 ． [6] S U Z U K I M， T A N E MO T O K， MA E D A T ． A e r o d y n a m i c C h a r a c t e r i s t i c s o f T r a i n ／ v e h i c l e s u n d e r C r o s s Wi n d s [ J ] ． J o u r n a l o f W i nd En g i ne e r i n g a nd I nd u s t r i a l Ae r o dy n a mi c s ，2 00 3，9 1 1 ／ 2 2 0 9 ． 2 1 8 ． [ 7] 李永乐 ， 廖海黎 ， 强士中． 车桥 系统气 动特性 的节段 模型风 洞试验研究 [ J ] ． 铁 道学报 ， 2 0 0 4 ， 2 6 3 7 1 7 5 ． [ 8] 丁泉顺 ， 陈艾荣 ， 项海帆． 大跨度桥梁 空间脉动 风场 的计算 机模拟[ J ] ． 力学季 刊 ， 2 0 0 6 ， 2 7 2 1 8 4 1 8 9 ． [ 9] 冉 瑞飞． 侧风下 C R H一 2列 车一简支 梁桥 风洞模 型设计 及 数值模 拟研究 [ D] ． 长沙 中南 大学 ， 2 0 1 3 ． [ 1 O ] 夏禾 ， 徐幼麟 ， 阎全胜． 大跨度悬索桥在风 与列 车荷 载 同时 作 用下的动力 响应 分析 [ J ] ． 铁 道 学报 ， 2 0 0 2 ， 2 4 4 8 3 91． [ 1 1 ] 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 ， 2 0 1 2 ． [ 1 2 ] H U A N G N E， wu z H． A n A d a p t i v e D a t a A n a l y s i s Me t h o d f o r No nl i ne a r a nd No n s t a t i o n a r y Ti me S e r i e s The Empi r i c a l Mod e D e c o m p o s i t i o n a n d H i l b e a S p e c t r a l A n a l y s i s[ E B ／ O L] ． [ 2 0 1 5 0 5 2 0] h t t p ／ ／ c o u r s e s ．s e a s ． h a r v a r d ． e d u ／ c l i m a t e ／ pd f ／z h a o h u a． p df ． I n f l u e nc e o f h i g h s pe e d t r a i n r u n n i n g o n a e r o d y na mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f r a i l wa y s i mp l e s u p p o r t e d b o x- g i r d e r X I A O J u n ， L I X i a o z h e n ， L I U D e j u n S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ， C h i n a Abs t r a c t The a e r o d yna mi c c ha r a c t e r i s t i c s of t r a i n br i d g e s ys t e m a r e a ffe c t e d by t he a e r od yn a mi c f l o w o n a hy br i d c r o s s s e c ti o n a nd t h e e ffe c t o f ve hi c l e o n bridg e pr e s e nt s a no n ho mog e ne o us a nd dy na m i c v a r i a t i on a l o ng t h e b r i dg e di r e c tio n． Ta ki ng the hi g h s pe e d t r a in pa s s ing t hr o ug h r a i l wa y do u bl e l i ne 3 2 m s i mp l e 。 s u pp o r t e d bo x 一 r de r b r i d g e a s a n e x a mpl e， t he va r i a t i o n l a w of br i dg e thr e e c o mpo ne nt a e r o d yna mi c c o e ffi c i e nt s f r om 3 5 m a he a d f i r s t ve h i c l e t o 3 5 m be h i nd t he l a s t ve hi c l e wa s a naly z e d a n d the i nf l ue nc e l a w o f hi g h s pe e d tra in m o v e m e nt o n a e r od y na mi c c ha r a c t e r i s ti c s of di ffe r e nt b rid g e c r o s s s e c t i o n wa s o bt a in e d． The r e s ul t s i nd i c a t e d t ha t e ffe c t of tra i n o n a e r od y na mi c c ha r a c t e r i s t i c s o f r a i l wa y b r i d g e c o ul d be di vi de d int o 3 s e c t i on s i nc l u di ng the c o v e r a g e a r e a， the t r a n s i ti o n z o ne a n d the non i n f l u e n c e a r e a a t a ny ti m e a nd t he i n f l ue nc e a r e a c ha ng e s d yn a mi c a l l y wi th t he tra in p a s s i ng thr o ug h t he b r i d g e ． Th i s pa pe r pr e s e nt e d a mov ing wi nd ow m o de l t o d y na m i c a l l y u pd a t e the a e r o d yn a mi c c o e ffi c i e nts o f d i ffe r e n t b r i dg e pa r ts a n d ha s r e a l i z e d t he d yn a mi c a e r o d yn a mi c c o u pl in g o f v e h i c l e - b r i d g e s ys t e m ， wh i c h c o ul d p r e c i s e l y s i mul a t e the dy na m i c wi n d l oa d of wi n d ve hi c l e - br i dg e c o up l i ng s ys t e m ． Ke y wo r d s H i g h s pe e d t r a i n； S im pl e s up po r t e d bo x g i r d e r br i dg e； Ae r o dy na m i c c ha r a c t e r i s ti c s ； Dy nam i c wi nd l o a d 责任审编李付军