城市高架道路声屏障受行驶汽车扰动的机理及其风荷载特性研究

行驶汽车扰动风导致城市高架道路声屏障屏体振动过大、连接部件及锚固结构破坏的现象日益凸显。美国、欧盟和日本等国颁布的公路声屏障结构设计规范均未提及途经汽车对声屏障结构产生的扰动风荷载，我国则没有相关规范，文献检索也未发现有相关研究的报道。本项目拟采用数值模拟结合试验研究的手段，首先，现场实测获得声屏障结构自振及阻尼特性、以及受行驶汽车扰动的声屏障脉动风压和结构风振响应的基础数据。而后，通过实测数据验证，基于移动网格技术和湍流模型对比研究，建立适合于城市高架道路声屏障受汽车扰动风作用的数值模拟方法。进一步应用此法模拟典型汽车以不同车速经不同车道位置驶过声屏障，获得声屏障和汽车周围流场风压分布的基本特征；通过声屏障动力模型脉动风荷载加载模式研究获得声屏障汽车脉动风致动力响应的一般规律。最后，基于所获数据的拟合分析提出城市高架道路声屏障受行驶汽车扰动的风荷载理论公式。

城市高架道路声屏障屏体振动过大、连接部件及锚固结构破坏的现象日益凸显，因而汽车产生的气流扰动作用成为声屏障结构设计必须要考虑的重要因素之一。美国、欧盟和日本等国颁布的公路声屏障结构设计规范均未提及途经汽车对声屏障结构产生的扰动风荷载，我国尚没有相关的国家标准和规范。本项目主要研究的是行驶汽车产生的气流扰动对城市高架道路声屏障的风荷载作用问题，通过现场实验、数值模拟和理论分析相结合的手段，研究了高速行驶汽车对路侧声屏障的风荷载作用的机理及风荷载特性。.首先，设计和实施了高速行驶汽车对路侧声屏障风荷载作用的现场实验，在几种类型汽车以不同速度和侧向距离驶过声屏障路段的情况下，采用试验流体测压技术测试了声屏障表面风压，采用加速度传感器测振技术获得了屏体和立柱关键部位的位移响应，为数值模拟和理论分析积累了第一手验证数据。其次，基于移动网格技术和湍流模型对比研究，建立了高速移动汽车与路侧声屏障气流扰动作用的计算流体力学数值模拟方法，并与现场实验进行了对比，规律性和准确性都吻合很好，此外，应用数值模拟方法重复性好和其在流场显示方面的突出优势，模拟了典型汽车以不同车速和侧向距离驶过声屏障路段的情况，揭示了声屏障和汽车周围流场风压分布的基本特征，获得了声屏障受汽车扰动气流作用风荷载的主要影响因素和影响规律。再次，基于势流理论及非稳态的伯努利方程，对汽车扰动气流作用下的声屏障表面风荷载进行了理论分析，具体地，假设车辆由一个移动点源与点汇模拟，声屏障为壁面边界条件，推导出了流场的势函数，进而通过势函数求解出关注点的速度时程，由伯努利方程解出该点的风压时程。与数值模拟结果对比后，在解析解中引入了车辆形状修正系数，并最终给出了汽车气流扰动作用下的声屏障表面风荷载理论公式。最后，考虑声屏障设置在路中和路侧的不同情况，通过声屏障风荷载加载模式研究，获得了其在汽车脉动风作用下的动力响应一般规律。通过车致风荷载和自然风荷载作用下声屏障立柱钢结构响应对比分析可知，某些情况下的车致风荷载响应较大，考虑实际车辆扰动气流作用下的声屏障立柱钢结构设计建议采用变幅疲劳设计理论。