桥下高速行驶列车对桥梁主梁位置风环境的影响研究

高速列车行驶时对周围的压力场和速度场产生强烈的变化,激烈的空气动力效应对周围环境产生一定作用,从而影响周围建筑和结构的抗风安全性。由于采用风洞试验测试手段研究此类问题在技术上尚存在难以克服的困难,因此,以计算流体力学Fluent软件为仿真平台,采用"动网格"技术,编写UDF列车行驶路线程序,对无侧风、微小侧风以及桥梁设计侧风速作用下高速列车以不同列车速度通过桥底的数值模拟,并对行车路线方向的桥梁主梁断面进行布点监测,给出高速列车通过桥底区域时的速度和压力空间分布规律,计算各侧风速、不同列车速度情况下列车风对桥梁主梁局部位置的冲击载荷,从而研究各工况下列车风对桥梁主梁的气动作用,为桥梁设计单位提供具有参考价值的结论和建议。     

侧向风作用下车桥系统气动性能及风屏障的影响研究

采用计算流体力学软件建立桥梁单体、车辆单体以及车桥组合体模型,湍流模型取标准κ-ε模型,计算各模型在不同风攻角时侧向风作用下的气动力系数.考虑风屏障对车辆、桥梁气动性能影响,建立风屏障、桥梁与车辆组合体模型,分析风屏障不同开孔率时车辆、桥梁气动力系数变化规律.结果表明:车辆位于桥上时,桥梁阻力和车辆侧力会增大;桥上车辆侧滚力矩系数明显大于车辆单独存在的情况,且车辆位于桥上迎风侧大于背风侧的情况;安装风屏障后,桥梁阻力和力矩系数随开孔率增大而降低,车辆侧力系数和力矩系数随开孔率增大而增大;为保证风屏障有效性,风屏障开孔率应小于40％.     

南京大胜关长江大桥地铁列车运行气动性能研究

以南京大胜关长江大桥地铁搭载段为研究背景，通过风洞试验，探究不同风攻角、列车位置及附属设施状态下地铁列车气动力系数变化规律，进而揭示地铁列车气动特性对列车运行稳定性影响的规律。研究结果表明：风攻角对双线在轨列车稳定性影响更大；当桥梁无附属设施，风攻角的增大不利于迎风侧列车稳定性，双线在轨列车比单线在轨列车更稳定；当桥梁有附属设施，且列车位于边跨时，风攻角越大迎风侧列车越稳定，而背风侧列车则相反，当列车在中跨运行时，列车侧向力及侧向倾覆力矩系数大于边跨，而升力系数小于边跨，表明桥梁桁架改善了列车的抗倾覆性能；桥上增加附属设施后，列车的侧向力及侧向倾覆力矩系数降低，表明附属设施有一定的格挡作用。     

典型车-桥系统气动力的雷诺数效应

既有高铁动车组愈加流线的外形可能会使列车气动力的雷诺数效应进一步加剧,因此有必要在大雷诺数范围内对车-桥系统气动力的雷诺数效应进行系统研究.风洞试验采用测压形式对简支梁单桥、列车和典型车桥组合等工况的气动力的雷诺数效应进行了研究,同时考虑风攻角对气动力雷诺数效应的影响,并分析迎风侧与背风侧各工况下列车气动力的雷诺效应....     

侧风下高铁列车交会运行时车—桥耦合振动

采用流体力学计算软件FLUENT和动网格技术建立侧风下2列3节列车交会的气动力计算模型,通过自编UDF程序实现列车交会运动,分析列车交会过程中的气动力。根据列车中间车厢气动力的相似性扩展得到2列8节列车交会的气动力时程,将列车真实非定常的气动力以力元的方式加载到由有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK联合建立的高速列车—多跨简支梁三维动力分析模型中,进行侧风下高速列车交会运行时车—桥耦合振动研究。结果表明:列车交会气动力对列车轮轴横向力、脱轨系数以及竖向加速度的影响较小,但会增大列车的轮重减载率,并显著增大列车的横向加速度;侧风显著增大列车的轮重减载率、轮轴横向力和脱轨系数;列车轮重减载率是控制列车车速阈值的控制因素;列车交会气动力对列车运行安全性的影响不应忽视,在[0,15),[15,20)和[20,25) m·s~(-1)风速的侧风下,列车车速阈值分别为350,275和200 km·h~(-1)。     

高速列车在桥梁上行驶时空气动力特性的数值模拟研究

利用国际上通用的流体力学计算软件FLUENT作为研究工具,对高速列车在地面和桥梁两种行驶状态下的外部流场进行了数值模拟,分析桥梁的存在及其特征尺寸对列车气动力的重要影响。通过比较列车在不同高度、不同宽度及不同横截面形状桥梁上行驶时的气动力情况,得出针对本文选定的桥梁设计方案,桥梁的存在增大了列车倾覆危险性的结论;同时发现存在一个最危险桥梁宽度,此时列车尾部抬升和倾覆的危险最大,而当桥梁宽度增大到一定数值后,桥梁的存在将不影响列车受力;另外肯定了桥梁横截面形状接近流线型对改善列车受力有积极作用。     

高速列车与跨线斜拉桥耦合气动效应研究

将空气流场视为黏性、可压缩的非定常流,对高速列车和跨线桥梁模型进行适当简化,以沪昆线上某（112＋80＋32）m预应力混凝土独塔斜拉桥为例,基于大型计算流体力学软件Fluent,采用滑移网格法建立高速列车和跨线斜拉桥流场计算模型。分析了列车以350km／h速度从斜交跨线斜拉桥下穿过时,桥梁底面压强分布情况。通过积分换算出列车气动效应对桥梁产生升力、阻力和扭矩时程。将该气动力时程施加至斜拉桥空间动力模型,研究运营阶段斜拉桥动力响应。研究表明,高速列车尾流对斜拉桥的气动力作用大于列车头,列车正上方梁体所受气动力最大;列车风对运营阶段斜拉桥影响极小,可忽略不计;若跨线桥为质量惯性较小的钢桥,列车气动力对其影响仍需进行相应研究。     

风屏障对公铁两用桥上车辆气动特性的影响

以某公铁两用桥为研究背景,通过大比尺节段模型风洞试验,使用天平测试有无风屏障时公路和铁路车辆气动特性,采用风速仪测试了桥面的风剖面分布,研究了车道和车辆类型对公路桥面车辆气动特性的影响。结果表明:设置风屏障有效降低了公路和铁路桥面的局部风速和车辆的气动力系数;公路桥面车辆气动力系数总体上随车道距风屏障距离的增加而减小,相同风屏障对大货车气动特性的降低程度相对于小货车和客车更为明显;设置风屏障后铁路桥面迎风侧和背风侧列车阻力系数的折减率基本接近,但升力系数的折减率差异较大。     

不同风向角和地面条件下的列车空气动力性能分析

高速列车大都采用电动车组的方式,轴重越来越轻,在强横风中极有可能造成车辆的倾覆。而在不同风向角和地面条件下列车的气动性能也会发生变化。采用大型流场计算软件FLUENT6．0 对列车在不同风向角下的气动力系数进行了计算,分别对列车在平坦路面上、路堤上以及桥梁上3种情况进行了数值模拟。计算结果表明:头车在平地上受到的侧滚力矩较大,而中间车在桥梁上受到的侧滚力矩较大。     

风沙环境下路堤上列车的气动性能分析

利用CFD软件研究风沙环境下列车在路堤上运行的横风气动性能,计算分析了列车横风气动力与沙尘浓度和横风速度之间的关系。计算结果表明,随着风沙环境强度的提高,车体表面的正压区及负压区增大,且列车的气动性能变差;随着沙尘浓度的增加,侧力增幅最大;在同一沙尘浓度环境下,随着横风速度的增加,列车气动力变化剧烈,且与对应的不同强度风沙环境下列车气动力的变化趋势相似。风沙环境下列车气动性能对横风更为敏感,而沙尘仅加剧了列车气动力值的增幅,增加了列车的运行危险性。     

南京大胜关长江大桥主梁加速度响应的长期监测与分析

针对现有规范对铁路桥梁的振动加速度限值不适用于大跨度高速铁路桥梁的情况,本文通过分析南京大胜关长江大桥桥梁结构健康监测系统长期监测得到的桥梁结构响应数据,研究列车过桥工况下主梁振动加速度峰值的变化规律,并与车速、轴重进行相关性分析。研究结果表明:在单一列车过桥工况下,主梁加速度峰值集中在固定的变化区间,且服从正态分布;桥梁振动加速度峰值与车速不存在线性相关性,与列车轴重存在线性相关性;动应变响应有叠加交汇工况下,加速度峰值约为单一列车过桥工况的1.4倍;现有运营条件下,大胜关桥梁振动加速度响应正常,能保证列车的行车安全。     

高速铁路大跨度斜拉桥箱梁涡振响应及气动优化

无砟轨道高速铁路斜拉桥跨度较大，常采用箱形断面主梁，在桥梁建设和运营过程中涡激振动问题不可忽视。以阜淮高速铁路颍河斜拉桥为工程背景，对主梁断面绕流进行数值模拟以及流固耦合求解，研究主梁断面的气动力参数以及竖向涡振响应。针对可能出现的明显涡振进行气动优化，并分析涡振响应对列车行车稳定性的影响。结果表明：在0°、±3°和±5°五种攻角下主梁原始断面均出现了竖向涡振，最大竖向涡振振幅均较小；在+5°攻角下主梁原始断面出现明显的竖向涡振，在检修车轨道内侧加设导流板，可显著减小主梁断面的涡振响应；涡振时最大振幅对应列车行车安全性满足要求。     

双层桁架桥上列车气动特性风洞试验研究

为研究双层桁架桥上列车位于主梁断面上、下层的气动特性,通过节段模型风洞试验对双层桁架主梁断面上列车进行测力、测压。以某大跨度公铁两用悬索桥和CRH2列车为背景,研究双层桁架主梁断面上列车在迎、背风侧时,列车位于上、下层时的三分力系数、平均风压系数以及脉动风压系数,并且分析风攻角对上、下层列车气动特性的影响。研究结果表明：1)上层列车的阻力系数要显著小于下层列车,当列车位于迎风侧时,下层列车的阻力系数可达到上层列车阻力系数的1.6倍,上、下层列车的力矩系数大小基本相同,但是上层列车的升力系数大于下层列车;上、下层列车的阻力系数随风攻角的增加逐渐减小并且两者的差值也逐渐减小。2)上层列车的迎风面、背风面的压差明显小于下层列车的情况,使得上层列车的总体阻力小于下层列车,并且上层列车的顶面、底面的压差要大于下层列车的情况,使得上层列车的总体升力大于下层列车;上层列车迎风面的平均风压随风攻角的增加而减小,下层列车则无明显变化。3)上层列车圆弧过渡段顶部和底部脉动风压系数小于下层列车,并且随着风攻角的增加,下层列车脉动风压系数减小,而上层列车无明显变化,风攻角对上层列车风压系数的脉动性影响较小。研...     

侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性

以CRH3型高速列车为研究对象,采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟方法和动网格技术,通过局部动态层变法实现对侧向风作用下桥上列车交会过程的动态模拟,研究侧向风作用下桥上列车交会过程的空气动力特性。结果表明:无侧风情况下桥上列车交会时所产生的交会压力波是导致列车气动力波动的主要原因;在侧向风的作用下车-桥耦合系统的空气动力特性表现出明显的三维时空特性;与无侧向风作用相比,在侧向风的作用下,两交会列车车体表面的整体压力分布已不再具有对称性,其中迎风侧列车所受风荷载较背风侧列车的大;在列车交会过程中,由于迎风侧列车对侧向风的遮挡效应,使得背风侧列车的风荷载突变更加剧烈,这对背风侧列车过桥的安全性和舒适性更为不利;随着列车运行速度的提高,列车的侧向力系数、倾覆力矩系数逐渐增大,而且其气动力系数在列车交会瞬间的突变更加剧烈。     

横风定常空气动力作用下的铁道列车曲线行驶安全性分析

应用计算流体动力学仿真获得了高速列车在3种典型横风环境下车体所受定常气动力,然后运用车辆多体动力学分析软件,对高速列车在通过曲线过程中所受横风下具有定常特性的气动力作用对其行驶安全性的影响进行了研究,确定了典型大风环境下处于危险状态的车轮,并通过试验设计方法,得出气动力6分力中气动升力和侧滚力矩对高速列车行驶安全性的影响最大.     

路堤上运行的高速列车在侧风下的流场结构及气动性能

强侧风产生的气动力时高速列车的运行安全性有显著的影响。基于三维、定常、不可压N-S方程以及k-ε双方程湍流模型,采用有限体积法,对侧风作用下路堤上运行的高速列车进行数值模拟计算,所模拟的列车时速达350 km。通过分析侧风条件下列车周围的流场结构,得到了风速、车速与气动力之间的变化关系。研究结果表明,尽管所计算的列车外表几何形状简单,但其流场仍然非常复杂,列车背风侧将产生数个漩涡,漩涡的位置随车速、风速发生变化。车辆气动力随风速、车速的增加而逐渐增大。头车所受倾覆力矩最大,且其增长率也最大。     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。     

横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验研究

在风洞试验室建立2种大气紊流场,并以某钢桁梁和1列高速列车为例建立1∶29.7的车桥节段模型,进行横向紊流风作用下桁架梁上列车气动特性的试验。采用同步测压法得到静止列车上的气动力分布,研究列车在不同位置、不同风攻角以及不同紊流场下的侧向力系数和气动导纳函数。结果表明:两车交汇时位于迎风侧列车的侧向力系数最大,列车单车位于背风侧时的侧向力系数相对最小,在-3°风攻角时的列车侧向力系数比+3°风攻角时大,紊流场对列车的侧向力系数有一定的影响,高紊流场中的列车侧向力系数相对更大;列车位于迎风侧(单车迎风侧和双车迎风侧)时,其侧向力气动导纳相对较小,而升力气动导纳相对较大;当折减频率小于0.1时,列车侧向力气动导纳在+3°风攻角时最大,升力气动导纳在-3°风攻角时最大;紊流积分尺度越大,列车气动导纳相对越大。在对试验影响因素总结的基础上,提出列车侧向力和升力的气动导纳函数拟合公式。     

基于测压方法的CRH2列车气动特性风洞试验研究

针对风洞试验中通过天平测量列车气动力存在的缺陷,尝试通过测压积分获得列车气动力以提高脉动气动力测试精度,并对来流均匀的侧风作用下的CRH2列车非定常空气动力特性进行分析。研究结果表明,当列车表面风压测点数量适当时,测压积分可获得与天平测力精度相当的定常气动力;即使是在均匀来流作用下,列车受到的气动力也表现出明显的非定常特性,极大气动力约为均值的1.7倍;0~10 Hz低频段最大谱值发生在90°风向角,最小谱值则发生在0°风向角,10 Hz以上高频段谱值分布情况则恰好相反,当风向角小于60°时,0~10 Hz低频段能量占总能量的比重小于50%。     

新建桥梁与邻近既有桥梁主梁涡振气动干扰效应风洞试验研究

新建甬州铁路桃夭门大桥为主跨666 m的分离式三箱梁斜拉桥,与既有桃夭门公路大桥并列布置且距离较近,两桥主梁间的气动干扰是大桥抗风设计中必须考虑的关键因素。基于节段模型风洞试验方法,研究新桥单独存在和新桥和既有桥梁同时存在时新桥和既有桥梁的涡振性能,分析分离式三箱梁新桥与单箱梁既有桥梁之间气动干扰效应对主梁涡振性能的影响。在新桥单独存在时,分离式三箱梁新桥产生了大幅涡振,在开槽处设置格栅板能显著降低涡振响应;此外采用CFD仿真结果显示,开槽处设置格栅板后漩涡脱落明显降低而抑制了涡振。气动干扰研究结果表明：在不同风向下,新桥和既有桥梁之间的气动干扰效应对主梁的涡振性能影响不同。新桥位于迎风侧时,新桥的涡振性能与新桥单独存在时基本一致,下游既有桥梁对其涡振性能影响很小;迎风侧新桥的存在减小了低风速下既有桥梁的涡振响应,对既有桥梁的涡振控制有利。既有桥梁在迎风侧时,背风侧新桥会增大迎风侧既有桥梁的涡振振幅,同时,受既有桥梁尾流影响,新桥的涡振性能也更为不利。提高新桥和既有桥梁的阻尼比,可以有效地抑制其涡振响应,以满足规范限值的要求。