跨海长桥风致行车安全研究

基于风作用下车辆模型行驶极限状态分析获得了相应的安全行驶临界风速,应用概率统计方法建立了桥位风速统计和极值风速概率分布模型,桥面风环境测速风洞试验给出了自然风与桥面行车风环境的关系,进而评估了自然风作用下车辆不同车速条件下的桥面行驶安全性。采用上述评估方法针对杭州湾跨海大桥的研究,表明了风障措施提高桥面行车安全的有效性。     

基于风速风向联合分布的桥面侧风所致车辆事故概率性分析

采用风速概率密度函数和风向频度的乘积表示联合概率密度函数,用极大似然法和概率曲线相关系数法相结合的逐步迭代估计法估计杭州湾跨海大桥桥位处桥面高度各风向的有效最优概率分布类型及参数;利用已建立的风-汽车-桥梁系统安全性分析框架计算得到各个方向下车辆发生事故的临界风速;为了确定桥面局部风环境的状况,在同济大学TJ-3风洞中进行了杭州湾跨海大桥桥面风环境风洞试验研究,并引入等效桥面风速和影响系数以考虑桥梁结构绕流和附属构造物对行车高度处风速的影响;最后,对杭州湾跨海大桥的行车安全进行了基于风速风向的概率性分析,并研究了增设风障对行车安全的影响。结果表明:增设风障是一种非常有效的提高安全行车概率的方法;杭州湾跨海大桥全桥采用70%透风率的风障完全可以满足车辆安全行驶的要求。     

桥面侧风对行车安全性影响的概率评价方法

针对高速公路综合管理需求,研究强风天气的大跨度桥梁行车安全性问题。在考虑风速、车型、路面条件和车速的基础上,分析了4种典型车辆的安全行车临界风速,结合桥位风速观测资料统计和桥梁结构对桥面风速的影响,建立桥面行车高度的等效风速概率模型,提出了概率评估方法,并将此方法应用于杭州湾跨海大桥和苏通长江公路大桥的桥面行车安全性分析。研究结果表明:侧滑是行车安全性的主要问题,大跨度桥塔附近的侧风影响最为严重。     

风环境下高墩大跨连续刚构桥的行车安全性分析

基于风-车-桥耦合系统振动理论,建立风-车-桥耦合系统的运动方程。运用自编风-车-桥耦合程序,计算不同路面、不同车速和不同风速下车轮竖向接触力,分析路面等级、车速和风速对车辆行驶安全性的影响;以车轮折算压力为标准,采用概率统计方法建立车辆侧滑和侧倾事故模型,提高事故分析的可靠性,并结合工程实例,对风环境下车辆的动力响应进行了分析。计算了车辆行驶在不同车速下侧倾临界风速、不同风速下侧倾临界车速和4种不同路面状况下侧滑临界风速,为车辆在桥上行驶安全风速和车速确定提供依据。     

桥墩附近桥面局部风环境数值研究

桥墩的存在改变了主梁的空气绕流特征,容易使桥面形成局部风场,可能导致桥上运行车辆气动力的突然变化而直接威胁行车安全。然而,目前对于桥墩影响下桥面的局部风环境少有研究。为探明桥墩影响下桥面的局部风场特性,本研究以数值模拟方为基础开展了研究。以某跨海大桥桥墩—主梁侧风绕流为对象,采用CFD数值分析方法建立模型,探究桥墩附近桥面不同行车道上局部风环境特征,通过有无风屏障的模拟分析风屏障对桥面风环境突变效应的影响,考察了桥墩影响下桥面局部风场沿桥轴向的变化。通过与风洞试验结果进行对比,验证了所采用数值模型及计算方法的准确性。通过不同风速条件确定了雷诺数对有无风屏障下桥面风场的影响,以桥墩-主梁绕流的流线明确了局部风场特征,采用风速变化率量化桥墩影响下桥面风环境的突变效应。分析表明:对于所采用的桥墩-主梁对象与风屏障,桥面风环境对雷诺数不敏感;桥墩的出现导致了桥面出现大的漩涡与分离流动从而形成了桥面局部风场,使得车辆高度范围内迎风侧车道风速总体大于背风侧车道;桥墩沿桥轴向对桥面局部风场的影响随车道与高度的不同而存在差异,背风侧车道受影响高度大于迎风侧车道;风屏障弱化了风速在桥墩附近的突变效应,有利于桥面行车安全。     

侧风对桥面车辆转弯安全性的影响分析

针对桥面弯道处车辆的受力状况,综合考虑车辆类型、道路条件、车速和风速的影响,建立安全行车的极限平衡方程。在此基础上,结合某斜拉桥相关数据,计算不同车速下安全行车的临界风速,结果表明,安全行车临界风速随车速的增加先增加后减小,这一变化与通常认为的车速越大临界风速越小相违背。为验证悖论现象是否合理,论文研究了车速和临界风速的变化关系,并结合具体案例计算悖论现象发生时的车速分布区间,以全面理解侧风对桥面安全行车的不同影响,保障桥梁的安全运营。     

风障对平行梁桥面风环境的改善作用研究

现阶段山区公路混凝土单箱梁、平行箱梁的风障设置研究存在不足。本研究采用计算流体力学(CFD)中的三维大涡模拟(LES)方法,针对不同风障布置形式下的混凝土单箱梁、不等间距平行箱梁的桥面风环境进行了研究,建立了有限体积模型。研究了来风上下游侧风障对单箱梁桥面风环境的影响,发现在单箱梁来风上游侧布置的风障能够显著降低桥面风速,而在来风下游侧布置的风障则无法起到有效的挡风作用。因此,当平行箱梁间距过大时,来风下游侧的箱梁由于缺乏上游侧风障的保护,桥面风环境恶化。针对这一问题,研究了平行箱梁内侧未加装风障时的桥面风环境,计算了车道平均风速和风速折减系数。研究发现,下游侧箱梁桥面平均风速随着平行箱梁间距的增大而增大;当间距增大到一定程度后,下游侧箱梁由于进入了上游侧箱梁尾流的充分发展区,造成下游侧箱梁桥面平均风速增高、风场紊乱。进一步研究了平行箱梁内侧加装风障后的桥面风环境,发现下风侧箱梁桥面平均风速大幅减小,上游侧梁的尾流涡对下游侧箱梁桥面风环境造成的不利影响也受到了有效的抑制。综上所述,单箱梁下风侧安装的风障不能改善桥面风环境、当平行箱梁间距超过2倍梁宽时,应在平行箱梁内侧加装风障。     

泰州大桥桥塔区桥面风环境改善措施分析和风障研究

以泰州大桥桥塔区桥面风环境为研究对象,针对桥面横风下的原设计方案及加设不同风障的多种情况,采用数值风洞技术进行了仿真计算与分析,得出了适用于泰州大桥的风障布置方案;通过风障障条风荷载数值模拟、风障结构风荷载作用有限元建模以及风障结构风荷载响应分析,验证了所设计的风障方案的结构安全性满足相关规范要求。     

某斜拉桥桥塔区行车风环境研究

采用数值风洞的方法,对某斜拉桥桥塔区三维流场数值模拟,通过在无监控室、无风障、有风障三种情况下桥塔区行车高度风环境的研究,结果表明:无风障时,由于受到塔柱的影响,桥塔区域各车道风速影响系数变化剧烈,且桥塔附近增大效应明显;无监控室时,风速影响系数最大值变化不大,监控室对桥塔区行车风环境影响较小;在设置风障后,风速影响系数曲线变化趋缓,桥塔附近风速影响系数突变得到有效消除。设置风障能够有效保障大风环境下行车安全。     

圆环形桥塔区域行车风环境数值模拟

采用Realizable k-ε湍流模型,研究了未设置风屏障和设置50%透风率风屏障两种工况下的圆环形桥塔区域行车风环境特点。研究结果表明:桥塔周围存在明显的加速区域,最大风速系数可达1.3,使得车辆通过桥塔区域时将经历剧烈的风速变化,可能影响行车安全。设置50%透风率风屏障以后,桥塔周围未出现明显的加速区域,桥面风速变化较小,有效改善了圆环形桥塔区行车风环境。     

基于流固耦合的行车临界风速研究

为了研究风-车-桥耦合系统中车-桥系统的振动特性及车辆行车安全特性,得到车辆在大跨度桥梁上行驶时车辆的安全行驶临界风速,对车辆通过大跨斜拉桥时车辆的气动特性、车-桥系统的振动特性及车辆的行车安全特性进行研究。研究风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时车辆的行车安全临界风速,分析车辆行驶速度、路面状况及风偏角对车辆行驶安全临界风速的影响。车-桥系统的耦合振动会导致车-桥系统周围风场的特性发生变化,风场的变化会导致下一时刻车-桥系统的受力状态发生改变。考虑车辆运动及车-桥系统的振动与车-桥周围风场的相互影响,基于双向流固耦合数值模拟,建立风-汽车-桥梁空间耦合振动数值分析模型。通过风-车-桥耦合系统三维数值分析,得到了风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时不同状况下车辆的倾覆及侧滑临界风速。结果表明:基于双向流固耦合数值分析能够较精确地模拟风-车-桥耦合振动系统;风荷载作用下车辆在桥上行驶时,车辆的振动特性主要由汽车-桥梁系统决定,车-桥系统的振动特性受自然风荷载影响;侧向风荷载作用下车辆的倾覆力矩系数及侧向力系数并不一定为最大值,车辆在大跨径桥上行驶受侧向风荷载作用并不一定为行车安全分析的最不利状况。     

汽车侧风稳定性的仿真与评价

本文旨在对汽车高速行驶时遇到突发或者持续的侧风导致车辆轨迹跑偏而引发的汽车行驶稳定性问题进行研究。首先采用CFD仿真计算侧风条件下汽车的气动特性并与风洞试验结果进行对比。接着将CFD仿真得到的气动六分力加载到动力学模型中,预测侧风条件下汽车的横摆角速度和侧偏位移,最后进行实车道路试验,采用主观评价方法比较侧风下汽车稳定性的优劣。结果表明,车型A和车型B在车速100 km/h和侧风速度80 km/h的工况下,最大横摆角速度和受侧风0.5 s侧偏位移仿真结果分别为2.69°/s,265 mm和3.79°/s,374 mm,两个车型的主观驾评结果分别为"良好"和"略好"。最终建立了评价标准,以便在新车型的详细设计阶段指导侧风稳定性能的开发。     

侧向风作用下车辆荷载突变效应的CFD模拟研究

为研究车辆在突变风荷载作用下的气动特性,以大客车为研究对象,采用计算流体力学CFD(computational Fluid Dynamics)数值模拟方法,对侧向风作用下车辆风荷载突变过程中车辆的气动力特性进行了研究。采用动网格技术实现了对车辆行驶出隧道及通过桥塔区域时车辆风荷载的突变过程的动态模拟,分析了车体表面压力分布及气动力系数变化规律,讨论了车速、风速、车辆所处车道位置对车辆气动力系数变化的影响。研究结果表明:车辆行驶出隧道及车辆穿过桥塔区域时隧道及桥塔遮风效应的影响区域变长,车辆的三分力系数均有较大的突变。车辆所受风荷载突变使车辆的安全稳定系数发生较大突变,对车辆的行车安全和舒适性带来较不利的影响。     

悬索桥行车风环境研究

某悬索桥位于平原地区,为了提高其运营管理效率并且保障行车安全,对桥面行车风环境进行研究。采用数值风洞的方法,对主桥、引桥跨中截面二维流场以及桥塔区的三维流场进行了研究,并且提出了两种风障设计方案。通过对等效桥面风速计影响系数的对比研究,确定了风障方案的挡风效果,为大桥的行车安全提供保障。     

基于人车路协同的车辆弯道安全车速预测

为保证车辆弯道行驶的安全,综合考虑影响车辆行驶安全的人、车、路和环境等因素,运用层次分析法和加权最小平方法建立多层次车辆弯道行驶安全度静态因素综合评价体系。基于车辆动力学理论分析车辆弯道行驶临界车速,通过引入安全系数k,将车辆弯道行驶安全度评价模型与临界车速结合,提出基于人车路协同的车辆弯道安全车速预测模型。仿真结果分析表明,该模型可预测车辆弯道行驶安全车速,为车辆弯道车速预警提供一种方法。     

基于行车安全的侧风多发区路堤风障形式研究

路堤的阻挡作用致使路堤顶面局部出现风速过大的情况,影响行车安全.为了研究适合于侧风多发区路基的合理风障形式,分别建立了不透风风障和透风式风障的有限元模型,通过计算分析得到了不同工况下的风速场.依据风速的降低程度分析了基于行车安全的风障的合理形式.研究结果表明:不透风风障和透风式风障应高于2m∶5 m高路基可以采用65％及以下空隙率风障,而对于10 m高路基可以采用75％及以下空隙率的风障;相同空隙率条件下,风障条间距的大小对风速场影响不大.     

高速公路横风条件下安全行车速度研究

利用车辆动力学模型,分析了高速公路横风条件下车辆的侧滑问题,在综合考虑横风风速、车型、路面状况和车速的基础上,对我国4种典型汽车的行驶稳定性进行了分析;同时计算了不同类型车辆在不同横风速度下的安全行驶速度。结果表明:在横风作用下,车辆行驶速度越大,侧滑风险越大。因此,在高速公路上需要设置适当的横风限速,以保证横风条件下的行车安全。     

施工态下塔吊对钢桥塔涡激振动影响的风洞试验

施工中的钢桥塔,特别当桥塔主体工程完成,而主缆尚未架设时,易发生风致振动。为了研究施工状态下,塔吊对钢桥塔风致振动的影响,以某大跨度斜拉桥钢桥塔和塔吊组合体系为实际工程背景,采用风洞试验方法,在均匀流场中测试了裸塔状态下和桥塔与塔吊组合体系下各自的风致振动响应,并将两者的测试结果进行对比分析。研究结果表明:裸塔状态下的钢桥塔气弹模型在0°风向角下会出现较为明显的大幅顺桥向涡激振动现象,随着风速的增长,当风速达到47 m/s后,裸塔状态下的钢桥塔气弹模型会发生大幅的发散性驰振现象。另一方面,随着风向角度的增加,钢桥塔风致振动响应降低较为显著,没有发生较为明显的涡激振动和发散性驰振现象。在所有试验风向角工况下,钢桥塔和塔吊组合体系状态在均匀流场中的风致振动响应相比钢桥塔裸塔状态显著减小,并且未发生明显的涡激振动和驰振现象,这表明塔吊的存在会明显抑制钢桥塔的风致振动响应。今后在考虑施工态下风荷载对钢桥塔施工安全的影响时,不仅应考查裸塔状态钢桥塔的风致振动响应,还应考查钢桥塔和塔吊组合体系下的风致振动响应。本研究结论可为施工态下同类钢桥塔的风致施工安全提供一定的参考。     

桥塔遮风效应对移动列车气动参数及行车安全的影响

为研究桥塔遮风效应对移动列车气动参数的影响，以沪通长江大桥这一钢桁梁斜拉桥为背景，基于移动列车模型试验装置，设计了缩尺比均为1：30的桁梁、桥塔和CRH3列车模型，依托XNJD-3风洞实验室进行了一系列试验。基于测试结果，分析列车通过桥塔区域时车速、风速以及合成风向角对列车气动参数的影响，并利用风-车-线-桥耦合振动模型分析了桥塔处气动参数突变对CRH3列车行车安全的影响。研究结果表明：桥塔遮风效应对移动列车影响显著，车辆气动参数在桥塔区域呈现突变的现象，升力系数和阻力系数经历了先减小后增大的过程，力矩系数则先增大后减小；风速越低，气动参数曲线在桥塔处的突变程度越大；气动参数曲线的突变宽度远大于桥塔自身的宽度，且车速越高突变宽度越大；合成风向角越小，列车气动参数在桥塔区域的变化越显著；列车离开桥塔区域时，桥塔尾流会造成升力系数和阻力系数局部增大；在考虑桥塔遮风效应的情况下，列车车体加速度在桥塔区域急剧增大，当列车远离桥塔区域时又逐渐减小；桥塔遮风效应会威胁列车的行车安全，未考虑桥塔遮风效应的分析结果是偏不安全的。     

侧风作用下山区高速公路行车稳定性仿真分析

为研究山区高速公路在侧风作用下的行车安全问题,基于CarSim仿真软件构建特定道路模型和侧风模型,选取车辆滑移角和侧向加速度作为行车风险评价指标,将圆曲线半径、路面摩擦系数、行驶速度分别作为单一变量,系统地模拟了侧风作用下山区高速公路行车稳定性.结果表明,降低车速、增大路面摩擦系数和圆曲线半径,可以有效地减小车辆的滑移角和侧向加速度.以7级侧风为仿真条件进行定量分析可知:80 km/h设计速度对应的圆曲线半径极限值应为280 m;路面摩擦系数为0.4和0.18时,分别限速70 km/h和60 km/h可维持车辆稳定性;105 km/h是车辆危险驾驶的临界车速,如进一步考虑舒适性,则应适当减速.