CN113512933A - 一种大跨度桥梁抗风围护结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及屏障设计领域，具体涉及一种大跨度桥梁抗风围护结构，该抗风围护结构采用蜂巢体风屏障，通过流体动力学中的突扩回流和洞塞消能原理，使得风能得到有效耗散，从而降低风荷载对列车的动力效应。本发明改变原有风屏障不降低风能总影响，仅对风力作用在桥上或列车上的比例进行分配的现状。真正实现对风荷载能量的消散，采用蜂巢状结构，通过几乎100%的开孔率，降低风屏障对桥梁气动性能的影响；同时，六边形孔道通过流体动力学中的突扩回流和洞塞消能原理，使得风能得到有效耗散，从而降低风荷载对列车的动力效应。
Description
技术领域
本发明涉及屏障设计领域，具体涉及一种大跨度桥梁抗风围护结构。
背景技术
建于大风区或强风区的桥梁，受到风力的激扰会产生强烈的振动，这不仅会影响到桥上运行列车的振动特性，桥梁自身增大的风荷载和由列车传递给桥梁的侧向力也使得桥梁受到的侧向力明显增大。当列车运行在桥上线路时，整个主梁所受到的风荷载不仅随着列车的运行而发生动态变化，列车质量沿桥跨的动态分布也会改变桥梁结构的振动特性。此外，风对结构产生作用的同时也受结构运动的影响。
在某些特殊的风环境，如长大桥梁、隧道、路堤、丘陵及山区，列车的气动力不同于位于平地上，气流流经列车时流场明显变化，导致列车气动力显著变化，大大增加了运行列车脱轨和倾覆的可能性。
为了确保强风场中列车在桥上的安全运营和乘车的舒适性，需要在桥梁上设置一定的挡风结构。在桥上设置的风屏障会对桥梁风场产生影响。风屏障能阻挡部分来流风，改变原有风场的流线分布，降低作用在列车上风荷载的影响。当列车驶过时，作用于列车上的风荷载与未设置风屏障时有明显区别，尤其是在列车的背风侧。
评价风屏障性能的标准，应当考虑风屏障对车桥系统气动性能的综合影响。桥梁上的风屏障设计既要考虑其对列车的有利作用，又要考虑其对桥梁的不利作用，二者是相互影响的。
目前，现有的屏障主要包括无孔式屏障和开孔式风屏障，其中，无孔式屏障采用无孔设计，可以视为风荷载全部作用于风屏障上，以此来减弱对背风面车辆侧面受到的风荷载的影响。该结构形式的主要不足为：对于受风荷载影响比较敏感的大跨度桥梁而言，风屏障不但改变了桥梁原有的气动外形，同时在强风所用下，原有应该作用于列车的激励，变为了对桥体的激励。对桥梁的启动稳定性产生明显的不利影响。
同时，在列车进出风屏障时，产生的脉动气压不仅作用于风屏障结构，而且也作用于列车本身，对列车运行安全产生威胁。列车进出风屏障时引起车辆风荷载发生突变，所产生的脉动压力值一般远大于列车运行平稳后作用于车体的脉动压力值。容易出现由于风屏障的存在引起车体脉冲气动力突变导致的行车安全问题。
开孔式风屏障基本采用局部开孔的设计，通过开孔率的调整，改变作用域桥身和车身的风荷载的比例，可以视为风荷载部分作用于风屏障上，局部减弱风荷载对风屏障背风面车身的影响。其风屏障透风率的变化对迎风工况下车辆动力响应的影响较大，这是由于列车处于桥梁迎风侧时所受风荷载较大。当风屏障透风率由10%增大至20%时，车辆的脱轨系数、轮重减载率和横向摇摆力基本无变化，而当风屏障透风率由30%增大至40%，车辆的脱轨系数、轮重减载率和横向摇摆力增幅较为明显。
综上所述，目前的大跨度桥梁上的风屏障设计既要考虑其对列车的有利作用，又要考虑其对桥梁的不利作用，二者是相互影响的。如果把车桥看作整体系统，那么作用在系统上的风荷载释放的能量是一定的，通过调整风屏障开孔率，可以实现的只是在车桥系统内部，车辆和桥梁上风荷载能量释放的比例如何调整的问题。换言之，现有技术仅仅解决了风荷载的分配比例的问题，并未真正实现对风荷载的削弱。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种大跨度桥梁抗风围护结构。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种大跨度桥梁抗风围护结构，该抗风围护结构采用蜂巢体风屏障，通过流体动力学中的突扩回流和洞塞消能原理，使得风能得到有效耗散，从而降低风荷载对列车的动力效应。
优选地，该抗风围护结构采用正六边形的蜂巢体风屏障。
优选地，该抗风围护结构采用矩形的蜂巢体风屏障。
优选地，该抗风围护结构采用等边三角形的蜂巢体风屏障。
本发明改变原有风屏障不降低风能总影响，仅对风力作用在桥上或列车上的比例进行分配的现状。真正实现对风荷载能量的消散，采用蜂巢状结构，通过几乎100%的开孔率，降低风屏障对桥梁气动性能的影响；同时，六边形孔道/等边三角形孔道/矩形孔道通过流体动力学中的突扩回流和洞塞消能原理，使得风能得到有效耗散，从而降低风荷载对列车的动力效应。
附图说明
图1为屏障立面示意图。
图2为图1中1-1的剖面图。
图3为核心区域三维模型图；
图4为单孔道大样图；
图5为突扩回流及洞塞消能原理图；
图6为突缩处涡线示意图；
图7为涡旋形成动能损失示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1-图4所示，一种大跨度桥梁抗风围护结构，该抗风围护结构采用正六边形的蜂巢体风屏障，通过流体动力学中的突扩回流和洞塞消能原理，使得风能得到有效耗散，从而降低风荷载对列车的动力效应。
实施例2
一种大跨度桥梁抗风围护结构，该抗风围护结构采用矩形的蜂巢体风屏障。
实施例3
一种大跨度桥梁抗风围护结构，该抗风围护结构采用等边三角形的蜂巢体风屏障。
如图5-图7所示，本具体实施的工作原理为：突扩比增大时，涡旋尺度增大。由于涡旋的存在，必然要消耗主流的能量，涡旋尺度及强度越大，所消耗的主流的能量也就越多，通过突扩的能量损失也就越大。多重突扩构造设计是形成流体能量消耗的有效构造。
洞塞消能的基本原理就是利用气流在洞中突然收缩和突然扩散来达到消能的目的。
局部摩阻损失是发生在流体的局部范围内，断面急剧改变使流体流速的大小和方向产生剧烈的变化，出现了旋涡区和速度分布的重新改变，流动阻力大大增加，形成比较集中的能量损失或者产生了额外的能量损失。管道几何条件变化，使得流体速度的分布改变，流体微团撞击，造成主流与漩涡的质量交换所致。
无论是改变流速的大小，还是改变其方向，局部损失总是和漩涡区的形式有关。漩涡加剧了流体的湍动，加大了能量损失；同时漩涡区和主流区不断进行质量交换，漩涡运动质点被主流带向下游，加剧了下游一定范围内主流的湍动强度，进一步加大能量损失；此外，局部阻碍附近，流速分布的重新调整，加大了流速梯度和流层之间的切应力，也会造成一定的能量损失。如果壁面的变化仅造成了流速分布的一些变化，不出现漩涡区，一般局部损失会比较小。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
Claims (5)
1.一种大跨度桥梁抗风围护结构，其特征在于：该抗风围护结构采用蜂巢体风屏障。
2.如权利要求1所述的一种大跨度桥梁抗风围护结构，其特征在于：通过流体动力学中的突扩回流和洞塞消能原理，使得风能得到有效耗散，从而降低风荷载对列车的动力效应。
3.如权利要求1所述的一种大跨度桥梁抗风围护结构，其特征在于：该抗风围护结构采用正六边形的蜂巢体风屏障。
4.如权利要求1所述的一种大跨度桥梁抗风围护结构，其特征在于：该抗风围护结构采用矩形的蜂巢体风屏障。
5.如权利要求1所述的一种大跨度桥梁抗风围护结构，其特征在于：该抗风围护结构采用等边三角形的蜂巢体风屏障。
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