公鐵兩用雙層橋梁風屏障氣動機理及優(yōu)化研究.pdf

1、隨著我國交通運輸網(wǎng)絡逐漸向強風場地區(qū)延伸，風致車輛事故頻發(fā)。公鐵雙層橋梁，由于其結構相對復雜，繞流加速效應明顯，橋上車輛的行車環(huán)境將進一步惡化。在橋面設置風屏障是提高車輛行車安全性的有效措施之一，但風屏障又會改變橋梁本身的抗風性能。本文圍繞公鐵兩用雙層橋梁風屏障的氣動機理及優(yōu)化開展了如下研究:
　　首先，通過風屏障足尺模型風洞試驗，測試了風屏障后方的流場分布特性及其自身風荷載，對比分析了風屏障開孔形式及開孔孔徑對流場特性的影響，明

2、確了不同風屏障在來流方向及豎向上的有效防風范圍，通過側(cè)向力及傾覆力矩等效原則，得到了不同風屏障后方的等效風速。進一步，提出了適用于多孔形風屏障及縱條形風屏障的數(shù)值模擬方法，基于風屏障足尺試驗結果，驗證了該模擬方法的可靠性。在此基礎上，研究了多孔形風屏障透風率分布，縱條形風屏障障條排數(shù)和障條空間形狀等孔型參數(shù)對其后方流場特性的影響，并提出了相對較優(yōu)的參數(shù)取值。
　　其次，將風屏障、車輛及雙層橋梁作為一個系統(tǒng)進行了縮尺模型風洞試驗，測

3、試了雙層橋梁上下橋面設置風屏障前后的局部風場，討論了風屏障對CRH2列車和公路大貨車氣動力系數(shù)的影響。在此基礎上，采用風-車-橋耦合振動分析方法，計算了大貨車及列車的動態(tài)響應，分析了不同車道位置、風速、車速以及風屏障對車輛的行車安全性及舒適性的影響。
　　再次，針對公鐵兩用桁架橋梁，測試了設置風屏障前后橋梁的靜力三分力系數(shù)、顫振臨界風速以及渦振響應，討論了風屏障對主梁靜動力氣動特性的影響。針對分離式雙層箱梁橋，通過對比分析單獨鐵路

4、橋梁和公鐵雙層橋梁上軌道上方的流場特性及列車氣動力，明確了雙層橋面間的氣動干擾效應。進一步，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，鐵路橋面流場特性和列車的氣動力系數(shù)變化規(guī)律，提出了設置風屏障前后，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，將風屏障防風效果的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化成了一個多目標優(yōu)化問題，并利用NSGA-Ⅱ多目標優(yōu)化算法對風屏障進行了優(yōu)化，在此基礎上，采用數(shù)據(jù)包絡分析方法對多目標優(yōu)化算法所

5、得Pareto最優(yōu)解集進行方案比選，得到了風屏障最優(yōu)方案。
　　結果表明:足尺模型風洞試驗結果可為日后該類風屏障的優(yōu)化設計和數(shù)值模擬提供相對標準化的參考數(shù)據(jù)。本文提出的適用于多孔形風屏障的二維模擬方法可較好地模擬該類風屏障。風屏障的透風率分布、障條排數(shù)及障條空間形狀對其后方一定范圍內(nèi)的流場影響較為明顯，在今后的風屏障優(yōu)化設計研究中應該予以一定的重視。對雙層桁架橋梁的研究結果表明，風屏障會導致車橋組合狀態(tài)下，主梁阻力系數(shù)增加，升力系

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