CN111896218A - 一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，涉及桥梁工程技术领域，所述校验方法包含以下步骤：根据多孔风障结构等比例建立风障模型；对所述风障模型进行风洞试验，确定多孔风障结构的气动力参数和周围的流场分布；结合实际桥梁和列车参数，建立风车桥耦合系统，基于特定的界限列车车速和界限桥梁桥面风速，进行风车桥耦合分析，结合所述多孔风障结构的气动力参数和周围的流场分布，得出车辆的实际响应结果，并判定所述实际响应结果是否符合动力响应评定标准。本申请的校验方法对多孔风障结构建立等比例的风障模型，进行风车桥耦合系统计算，使得风洞试验的结果更加准确，校验结果更加真实且可靠。

Description

一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法

技术领域

本申请涉及桥梁工程技术领域，特别涉及一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法。

背景技术

目前，随着我国国民经济的发展，桥梁跨度越来越大，列车运行速度也越来越高。大跨度桥梁对风力的作用更为敏感，列车的高速运行速度使风、列车与桥梁之间的耦合作用更为显著，而风、列车与桥梁之间的耦合作用会影响高速列车的行车速度以及行车稳定性；因此研究铁路桥梁风-车-桥耦合系统是非常有必要的。

相关技术中，为了增强列车在侧向风作用下的行车安全性，在桥梁上设置风障，抑制和降低桥面的等效风速，从侧向风产生的源头入手，是目前解决列车行车安全最有效的方法。

但是，在进行风障设计时，需要进行风洞试验，通常风洞试验都是采用缩尺模型试验；而对风障进行缩尺模型风洞试验时，需要通过等效透风率的方法，简化风障的整体外形和局部外形，此时风障不能完全满足几何相似性；这会导致风洞试验结果的准确性降低，不能准确反映风障结构，改变了风、车和桥之间的耦合效应，对于设置风障后铁路桥梁的风车桥耦合系统计算分析误差较大。

发明内容

本申请实施例提供一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，对多孔风障结构建立等比例的风障模型，进行风车桥耦合系统计算，使得风洞试验的结果更加准确，校验结果更加真实且可靠。

本申请提供了一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，多孔风障结构包括若干竖直设置的风障立柱以及水平设置于两根风障立柱之间的若干个风障条，每个风障条上开设若干大小不等的多个圆形孔，其特征在于，所述校验方法包含以下步骤：

根据多孔风障结构等比例建立风障模型；

对所述风障模型进行风洞试验，确定多孔风障结构的气动力参数和周围的流场分布；

结合实际桥梁和列车参数，建立风车桥耦合系统，基于特定的界限列车车速和界限桥梁桥面风速，进行风车桥耦合分析，结合所述多孔风障结构的气动力参数和周围的流场分布，得出车辆的实际响应结果，并判定所述实际响应结果是否符合动力响应评定标准。

一些实施例中，所述风障条的阻力系数为：

其中，α为来流攻角，

为气流动压，ρ为空气密度，U为风速，H、L分别为风障条模型的高度和长度，F_H(α)为来流攻角α情况下的侧向阻力，所述F_H(α)通过试验测得。

一些实施例中，对第i个风障条2分别采用三种不同的风速U，进行垂直吹风测试，得出三个风障条阻力系数值，取平均值为C_Hi，其中3≤i≤N，N为风障条的总个数。

一些实施例中，所述多孔风障结构的气动力参数包含整根风障受到的阻力F_HZ及其阻力系数C_HZ，所述F_HZ和C_HZ的计算方法为：

F_Hi＝0.5ρU²C_HiHL，

其中，F_Hi为第i个风障条所受到的阻力，H和H_Z分别为风障条的高度及整个风障的高度。

一些实施例中，确定所述多孔风障结构周围流场分布的方法包含：

沿多孔风障结构高度方向设置多个测点，分别测得特定风速下迎风侧平均风速和背风侧平均风速，并进行风速等效。

一些实施例中，风速等效基于侧向力等效的公式如下：

其中，V_eqS为侧向力等效风速，Z_r为车辆高度，U(z)为高度z处的风速。

一些实施例中，测量平均风速的仪器为眼镜蛇脉动风速测试仪。

一些实施例中，所述风-车-桥耦合系统包含风子系统、车辆子系统、轨道子系统和桥梁子系统；所述车辆子系统和轨道子系统具有轮轨相互作用力；所述轨道子系统和桥梁子系统具有桥轨相互作用力；所述风子系统的风荷载作用于所述桥梁子系统和车辆子系统。

一些实施例中，所述风-车-桥耦合系统表示为：

M_V、C_V、K_V—分别为所述车辆子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

M_T、C_T、K_T—分别为所述轨道子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

M_B、C_B、K_B—分别为所述桥梁子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

X_V、

—分别为所述车辆子系统位移、速度、加速度向量；

X_T、

—分别为所述轨道子系统位移、速度、加速度向量；

X_B、

—分别为所述桥梁子系统位移、速度、加速度向量；

F_V-T、F_T-V—为车辆与轨道间相互作用力；

F_B-T、F_T-B—为轨道与桥梁间相互作用力；

F_W-V、F_W-B—所述风子系统分别作用于车辆、桥梁上的风荷载。

一些实施例中，当判定所述实际响应结果符合动力响应评定标准时，说明所述多孔风障结构能够适应实际场景，可直接生产安装；

当判定所述实际响应结果不符合动力响应评定标准时，说明所述多孔风障结构不能适应实际场景，需重新设计。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：

本申请实施例提供了一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，针对设计的多孔风障结构等比例建立模型，并进行风洞试验，得到多孔风障结构的气动力参数和周围的流场分布，建立风车桥耦合系统，得到车辆的实际响应结果，并判定实际响应结果是否符合动力响应评定标准；相对常规的采用缩尺模型的风洞试验，本申请的风洞试验的结果更加准确，校验结果更加真实且可靠，能够精准判断设计的多孔风障结构是否适合安装在当前工程环境，具有较强的实用意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的多孔风障结构的简化示意图(风障条不含圆孔)；

图2为图1的左视图；

图3为本申请实施例提供的风障条的主视图；

图4为本申请实施例提供的多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法的流程图；

图5为本申请实施例提供的流场分布测点示意图；

图6为本申请实施例提供的风车桥有限元求解模型；

附图标记：100、多孔风障结构；1、风障立柱；2、风障条；3、风障拉索；4、紧固螺栓；5、预埋件。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本申请公开了一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法的实施例，该校验方法主要应用于校验多孔风障模型在安装到桥梁上之后，列车行车安全性能是否符合要求，进而判断多孔风障结构100是否需要重新设计。

如图1、图2和图3所示，本申请校验方法针对的多孔风障结构100主要结构形式如下：多孔风障结构100包括若干竖直设置的风障立柱1以及水平设置于两根风障立柱1之间的若干个风障条2，每个风障条2上开设若干大小不等的多个圆形孔。

进一步地，减风装置100还包含风障拉索3，风障立柱1通过预埋件5固定于桥梁结构，每个风障条2的两端通过紧固螺栓4安装在两个风障立柱1上。每个风障条2上开设多种大小不等的圆形孔，呈现多孔组合的形式，多种大小不等的圆形孔通过排列组合设计成不同风速折减系数的减风装置100。

如图4所示，本申请的校验方法包含以下步骤：

S1：根据多孔风障结构100等比例建立风障模型；等比例的风障模型能够使得校验的结果更加准确，相对于等比例缩小建立风障模型的方法，不会出现局部变形的情形。

S2：对风障模型进行风洞试验，确定多孔风障结构100的气动力参数和周围的流场分布；气动力参数和周围的流场分布为多孔风障结构100的校验提供了重要的依据。

S3：结合实际桥梁和列车参数(包含但是不限于结构参数、外形参数和力学参数)，建立风车桥耦合系统，基于界限列车车速和界限桥梁桥面风速，进行风车桥耦合分析，结合多孔风障结构100的气动力参数和周围的流场分布，得出桥梁及车辆的实际响应结果，并判定实际响应结果是否符合动力响应评定标准。

进一步地，气动力参数主要包含阻力F_HZ及其阻力系数C_HZ，先从最小单位的风障条2开始分析。

风障条2的阻力系数为：

其中，α为来流攻角，

为气流动压，ρ为空气密度，U为风速，H、L分别为风障条模型的高度和长度，F_H(α)为来流攻角α情况下的侧向阻力，F_H(α)通过试验测得。

在实际试验的过程中，α为90度，即来流风速一直垂直风障。

在一个实施例中，对每个风障条2分别采用三种不同的风速U，进行垂直吹风测试，得出三个风障条阻力系数值。第i个风障条采用三种不同的风速U，进行垂直吹风测试之后，得出三个风障条阻力系数值，求平均值为C_Hi，其中3≤i≤N，N为风障条的总个数。利用三种不同的风速测试，并求平均值的形式，使得C_Hi更加真实可靠。

具体地，在甲工程实例中，三种不同的风速U分别为6m/s、8m/s、10m/s。每级风速下测试时间50s，采样频率400Hz，得到表1.1所示的风障条阻力系数。

表1.1风障障条阻力系数汇总

通过计算得到风障整体的阻力系数C_HZ＝0.840。

进一步地，通过风障条2的C_Hi求得整个多孔风障结构100的阻力F_HZ及其阻力系数C_HZ，F_HZ和C_HZ的计算方法为：

F_Hi＝0.5ρU²C_HiHL；

其中，F_Hi为第i个风障条所受到的阻力，H和H_Z分别为风障条2的高度及整个风障的高度，每个风障条2的高度均相同。

如图5，进一步地，在确定了多孔风障结构100的气动力参数之后，需要进一步确定多孔风障结构100周围的流场分布；确定多孔风障结构100周围流场分布的方法如下：

沿多孔风障结构100高度方向设置多个测点，分别测得特定风速下迎风侧平均风速和背风侧平均风速，并对测量的数据进行风速等效。

多个测点还测量迎风侧踹流强度和背风侧踹流强度。

具体地，侧向风在经过桥面时，不仅受到主梁绕流的影响，同时由于桥面附属结构物(如栏杆、水管、风障等)的影响，侧向风在流经桥面时会形成一定厚度的附面层，即距离桥面一定高度范围内，不同高度的风速是不同的。采用风剖面分析很难直观评价风障的防风效果。因此，可以将一定高度的侧向风进行风速等效。

风速等效主要分为两种方法，一种是基于侧向力的风速等效，另一种是基于倾覆力矩的风速等效。

基于侧向力的风速等效公式如下：

基于倾覆力矩的风速等效公式如下：

其中，V_eqS为侧向力等效风速，V_eqR为倾覆力矩等效风速，Z_r为车辆高度，U(z)为高度z处的风速。。

进一步地，风速折减系数与等效风速之间的关系如下：

U₀表示来流风速，取10m/s风速下的实验数据，V_eq表示等效风速，λ_s表示风速折减系数，该值越大，即表示风速降低的越多，防风效果越好。

在甲工程实例中，沿多孔风障结构100高度方向设置16个测点，在10m/s风速下的迎风侧平均风速、背风侧平均风速、迎风侧踹流强度和背风侧踹流强度见表1.2。

表1.2风障周围流场分布

根据表1.2，分别进行侧向力的风速等效，和倾覆力矩的风速等效，分别得到表1.3中的四个等效风速的数据(表1.3左半边的四个数据)。

表1.3轨道中心处的等效风速与折减系数

根据特定风速和等效风速计算多孔风障结构100的实际折减系数。进一步根据公式

且已知U₀＝10m/s，计算出各个等效风速对应的折减系数，得出表1.3右半边的四个折减系数数据，求取平均值，即多孔风障结构100的实际折减系数λ_s＝0.73。

表1.2中的湍流强度是表征风速随时间和空间变化程度最基本的参数，是风子系统中模拟三维脉动风场的重要参数，作为后续风车桥耦合系统的已知参数。

具体地，测量平均风速仪器为眼镜蛇脉动风速测试仪。眼镜蛇脉动风速测试仪还同时测量踹流强度。

进一步地，建立风车桥耦合系统，风车桥耦合系统包含风子系统、车辆子系统、轨道子系统和桥梁子系统；车辆子系统和轨道子系统具有轮轨相互作用力；轨道子系统和桥梁子系统具有桥轨相互作用力；风子系统的风荷载作用于桥梁子系统和车辆子系统。

风车桥耦合系统可以以各个子系统(风子系统、车辆子系统、轨道子系统和桥梁子系统)作为独立的个体，风子系统根据已知的风观测数据建立而成，车辆子系统根据已知的车辆参数建立而成，轨道子系统根据轨道设计参数(包含结构参数和力学参数)建立而成，桥梁子系统根据桥梁设计参数(包含结构参数和力学参数)建立而成。通过各个子系统之间的轮轨相互作用、桥轨相互作用、风桥相互作用和风车相互作用而耦合求解。

轮轨相互作用力对车辆、轨道两个子系统而言均是外力；桥轨相互作用力对轨道、桥梁两个子系统而言也均是外力；风荷载对桥梁、车辆两个子系统而言均是外力；经过这种处理后，车辆、轨道、桥梁子系统的运动微分方程就可采用逐步积分法分别求解。

具体地，风车桥耦合系统表示为：

M_V、C_V、K_V—分别为车辆子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

M_T、C_T、K_T—分别为轨道子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

M_B、C_B、K_B—分别为桥梁子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

X_V、

—分别为车辆子系统位移、速度、加速度向量；

X_T、

—分别为轨道子系统位移、速度、加速度向量；

X_B、

—分别为桥梁子系统位移、速度、加速度向量；

F_V-T、F_T-V—为车辆与轨道间相互作用力；

F_B-T、F_T-B—为轨道与桥梁间相互作用力；

F_W-V、F_W-B—风子系统分别作用于车辆、桥梁上的风荷载。

如图6所示，根据各子系统动力特征的特点，建立风车桥耦合系统的有限元模型，采用显式积分法和隐式积分法相结合的方法对各子系统进行求解。对于车辆子系统和轨道子系统，采用显式积分法求解其动力响应；该方法只要质量矩阵为对角阵，则不管阻尼矩阵的形式如何，都不需要求解高阶线性代数方程组，从而大幅度地提高了数值计算效率。对于桥梁子系统，则采用隐式积分法中的Newmark-β积分法求解其动力响应。显式积分法和隐式积分法是本领域技术人员所熟知的技术。

在求解的过程中，其中，风子系统中作用于车辆的风荷载，是根据多孔足尺风障模型风洞试验风障折减系数，按照下列公式进行计算得到的：

式中：C_车辆为车辆阻力系数，H_车辆为车辆高度，λ_s为风障折减系数，按不同轨道中心位置选取，ρ为空气密度，U为桥梁来流风速。

同时，F_W-B＝F_主梁+F_风障

式中：C_风障为风障整体阻力系数，H_风障为风障整体高度，ρ为空气密度，U为桥梁来流风速，C_主梁为主梁阻力系数，H_主梁为主梁高度。

风车桥耦合系统中的其余各个部分均是本领域技术人员所熟知的技术，在本申请中不作详细介绍。

在上述各个条件的基础上，基于风车桥耦合系统，建立风车桥有限元求解模型，对风车桥耦合系统进行分离迭代分析，得到桥梁和列车的动力响应，此处的动力响应为实际响应结果；得出桥梁及车辆的实际响应结果，并判定所述实际响应结果是否符合动力响应评定标准。

当判定实际响应结果符合动力响应评定标准时，说明多孔风障结构100能够适应实际场景，可直接生产安装；

当判定实际响应结果不符合动力响应评定标准时，说明多孔风障结构100不能适应实际场景，需重新设计。

本发明限于篇幅，只给出控制性动力响应指标，未给出的动力响应指标均始终正常。选取有代表性的动车和拖车，动车和拖车安全、舒适且稳定的行驶，已知的动力响应评定标准见表1.4。

表1.4动力响应评定标准

在甲工程实例中，选取界限列车车速为200km/h和界限桥梁桥面风速为30km/h。其中，列车车速200km/h是具有代表性的界限列车车速。在中国高速动车组中，G字头列车，时速在250～350km/h，D字头列车普通动车组，时速在160～250km/h，以200km/h为主。本实施例中，选取200km/h为例，进行计算。在其余实施例中，还可以根据实际工程需求，选取250km/h或者350km/h作为代表性的界限列车车速。在实际铁路运输过程中，30km/h为一个临界点，一般大于30km/h会要求列车停运。基于界限列车车速为200km/h和界限桥梁桥面风速为30km/h，风车桥耦合分析结果见表1.5。

表1.5设置风障后动车及拖车的响应对比

由表1.5，动车和拖车的竖向加速度和轮重减载率均符合动力响应评定标准(见表1.4)，设计的多孔风障结构100满足列车行车安全的要求，即校验结论为多孔风障结构100校验合格，能够直接生产安装。

本申请的风车桥耦合系统校验方法，针对设计的多孔风障结构等比例建立模型，并进行风洞试验，得到多孔风障结构的气动力参数和周围的流场分布，建立风车桥耦合系统，得到车辆的实际响应结果，并判定实际响应结果是否符合动力响应评定标准；相对常规的采用缩尺模型的风洞试验，本申请的风洞试验的结果更加准确，校验结果更加真实且可靠，能够精准判断设计的多孔风障结构是否适合安装在当前工程环境，具有较强的实用意义。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，多孔风障结构(100)包括若干竖直设置的风障立柱(1)以及水平设置于两根风障立柱(1)之间的若干个风障条(2)，每个风障条(2)上开设若干大小不等的多个圆形孔，其特征在于，所述校验方法包含以下步骤：

根据多孔风障结构(100)等比例建立风障模型；

对所述风障模型进行风洞试验，确定多孔风障结构(100)的气动力参数和周围的流场分布；

结合实际桥梁和列车参数，建立风车桥耦合系统，基于特定的界限列车车速和界限桥梁桥面风速，进行风车桥耦合分析，结合所述多孔风障结构(100)的气动力参数和周围的流场分布，得出车辆的实际响应结果，并判定所述实际响应结果是否符合动力响应评定标准。

2.如权利要求1所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于，所述风障条(2)的阻力系数为：

其中，α为来流攻角，

为气流动压，ρ为空气密度，U为风速，H、L分别为风障条模型的高度和长度，F_H(α)为来流攻角α情况下的侧向阻力，所述F_H(α)通过试验测得。

3.如权利要求2所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于：对第i个风障条2分别采用三种不同的风速U，进行垂直吹风测试，得出三个风障条阻力系数值，取平均值为C_Hi，其中3≤i≤N，N为风障条的总根数。

4.如权利要求3所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于，所述多孔风障结构(100)的气动力参数包含整根风障受到的阻力F_HZ及其阻力系数C_HZ，所述F_HZ和C_HZ的计算方法为：

F_Hi＝0.5ρU²C_HiHL，

其中，F_Hi为第i个风障条所受到的阻力，H和H_Z分别为风障条的高度及整个风障的高度。

5.如权利要求1所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于，确定所述多孔风障结构(100)周围流场分布的方法包含：

沿多孔风障结构(100)高度方向设置多个测点，分别测得特定风速下迎风侧平均风速和背风侧平均风速，并进行风速等效。

6.如权利要求5所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于，风速等效基于侧向力等效的公式如下：

其中，V_eqS为侧向力等效风速，Z_r为车辆高度，U(z)为高度z处的风速。

7.如权利要求5所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于，测量平均风速的仪器为眼镜蛇脉动风速测试仪。

8.如权利要求1所述的一种大跨度铁路桥梁行车安全防风设计方法，其特征在于：所述风-车-桥耦合系统包含风子系统、车辆子系统、轨道子系统和桥梁子系统；所述车辆子系统和轨道子系统具有轮轨相互作用力；所述轨道子系统和桥梁子系统具有桥轨相互作用力；所述风子系统的风荷载作用于所述桥梁子系统和车辆子系统。

9.如权利要求6所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于，所述风-车-桥耦合系统表示为：

M_V、C_V、K_V—分别为所述车辆子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

M_T、C_T、K_T—分别为所述轨道子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

M_B、C_B、K_B—分别为所述桥梁子系统质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；

X_V、

—分别为所述车辆子系统位移、速度、加速度向量；

X_T、

—分别为所述轨道子系统位移、速度、加速度向量；

X_B、

—分别为所述桥梁子系统位移、速度、加速度向量；

F_V-T、F_T-V—为车辆与轨道间相互作用力；

F_B-T、F_T-B—为轨道与桥梁间相互作用力；

F_W-V、F_W-B—所述风子系统分别作用于车辆、桥梁上的风荷载。

10.如权利要求1-9任意一项所述的一种多孔足尺风障模型的风车桥耦合系统校验方法，其特征在于：

当判定所述实际响应结果符合动力响应评定标准时，说明所述多孔风障结构(100)能够适应实际场景，可直接生产安装；

当判定所述实际响应结果不符合动力响应评定标准时，说明所述多孔风障结构(100)不能适应实际场景，需重新设计。

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