大跨度公铁两用跨海桥梁风屏障的气动机理及优化研究

Long-span road-rail sea-crossing bridge is a representative structural type for the traffic line over sea. Installing wind screen is one of important means to guarantee the safety of rail and road vehicles running on long-span sea-crossing bridges. Considering the aerodynamic interaction among wind screen, road vehicle, rail vehicle and bridge deck, the aerodynamic mechanism of wind screen for long-span road-rail sea-crossing bridges is investigated by between wind tunnel test and CFD method. The local wind fields above railway deck and roadway deck with wind screen are measured to indicate the influence of wind screen on aerodynamic forces on bridge and vehicles. At the same time, the favorable effects of wind screen on bridge stability are explored. The practical evaluation index and standard are developed to assess the wind-resistant efficiency for wind screen. The form and parameters of wind screen are compared to optimize comprehensive properties of wind screen. Finally, the transient wind load of wind screen induced by running train is simulated to predict the fatigue life of wind screen. These research findings would be widely referred for practical engineering projects in direct of in direct way.

大跨度公铁两用跨海大桥是铁路跨海通道中最典型的结构形式，设置风屏障是保障跨海大桥铁路和公路车辆运营安全的重要手段之一。针对大跨度公铁两用跨海大桥风屏障的气动机理，综合考虑风屏障、公路车辆、铁路车辆、大跨度桥梁四者间相互的气动作用，采用风洞试验与数值模拟相结合的方法，测试设风屏障情况下铁路桥面和公路桥面的局部风场结构，明确风屏障对车辆和桥梁的气动影响，探索风屏障对桥梁可能的气动稳定作用，发展实用的风屏障行车防风效率评价指标及评价标准。对比风屏障的形式及参数，优化风屏障的综合性能，揭示由列车风产生的风屏障瞬态风荷载的变化规律，预测风屏障的疲劳寿命。研究成果具有较广泛的直接或间接应用前景，对实际工程有指导或借鉴意义。

本研究针对大跨度公铁两用跨海大桥风屏障的气动机理，采用风洞试验、数值模拟及理论分析的方法开展研究，主要的研究成果包括：1） 通过足尺模型风洞试验，研究了风屏障后方的流场特性及其自身风荷载，可为日后该类风屏障的优化设计和数值模拟提供相对标准化的参考数据；2）提出了适用于典型风屏障的CFD数值模拟方法，讨论了风屏障孔型参数对其防风性能的影响，并给出了合理的参数取值；3）通过缩尺模型风洞试验，测试了双层桥梁上下桥面设置风屏障前后的局部流场结构，讨论了风屏障对CRH2列车和公路车辆气动力系数的影响。采用风-车-桥耦合振动分析方法，计算了公路车辆及列车的动态响应，发现风屏障、车速及风速对车辆动态响应影响较为明显。4）针对公铁两用双层桁架桥梁，测试了设置风屏障前后桥梁的静力三分力系数、颤振临界风速以及涡振响应，发现风屏障会导致主梁阻力系数增加，升力系数降低；风屏障会导致该类桁架桥的颤振稳定性降低，并且在一定程度上可以作为抑制该类主梁涡振的气动措施。5）针对分离式双层箱梁桥，明确了双层桥面间的气动干扰效应，发现设置风屏障会增加上下桥面间的气动干扰效应，无风屏障时，双层桥面间隔高度仅需满足基本建筑界限即可，设置风屏障以后，当间隔高度≥15m时，铁路桥面风速剖面以及迎风侧轨道处列车气动力变化趋于平缓。6）针对实际工程，建立了风屏障的有限元模型，分析了列车风作用下风屏障的疲劳特性。列车风作用下，风屏障的瞬态风荷载随距离的增加迅速减小，实际风屏障的应力幅较小。7）提出了基于NSGA-Ⅱ&DEA混合算法的高速铁路桥梁风屏障高度多目标优化方法。通过本研究加深了对跨海大桥风屏障气动机理的理解，研究成果具有较为广泛的应用前景。