复杂风场条件下高速铁路桥梁风屏障气动效应及列车运行安全性研究

This project studies aerodynamic characteristics of high-speed railway bridges and running safety control of train vehicles through bridges in complicated wind aera, which is the frontier research project in bridge engineering field. The dynamic interaction between sustained strong winds and bridge structures, dynamic interaction between train vehicles and railway bridges, and the influences of wind barriers on aerodynamic characteristics of vehicle-bridge system and the flow field around are analyzed by regarding natural winds, train vehicles and railway bridges as a coupled whole system and considering the characteristics of valley wind, over-hill wind and Gobi sand-drift. The windbreak effect and the effective protection area of wind barriers on bridges are also analyzed based on aerodynamics, as well as the running safety problem due to sudden change of the fluctuating forces on vehicles when the train enters and leaves the wind barriers. The aim of this study is to establish the dynamic relation between the key parameters of wind barriers and the running safety indices of vehicle, to decide whether necessary to limit train speed or close rail traffic on the bridge temporarily under strong winds, and to propose a rational design method for wind barriers based on train running safety assurance. The completion of this project will improve the dynamic catastrophe theory of high-speed railway bridges and enhance the running safety of train vehicles on bridges, and also provide theoretical basis for further research and engineering application of this subject.

研究复杂风场条件下高速铁路桥梁的空气动力性能及行车安全控制这一桥梁工程领域的前沿课题。把自然风、列车和桥梁作为一个整体系统进行分析，考虑山区峡谷风、越山风以及沙漠戈壁地区风沙流特性，研究持续强风与桥梁结构的动力相互作用、车桥动力相互作用、挡风屏障对桥梁和车辆气动特性以及周围流场特性的影响。从空气动力学角度研究桥上挡风屏障的防风效果及有效防护区域，以及列车进出挡风屏障引起的突变脉动气压所导致的行车安全问题等。目的是建立挡风屏障设计参数与行车安全性指标之间的动态关系，确定强风发生时桥梁是否需要限制列车运行速度或是采取临时封闭等措施，为风区桥梁提出基于保障行车安全的挡风屏障设计方法和准则。项目的完成将对完善高速铁路桥梁动力灾变理论、提高列车在桥上的运行安全做出贡献，并为进一步的研究和工程应用提供理论基础。

本项目基于风-车-桥系统耦合振动机理，采用理论分析、数值模拟、现场试验和实验室模型试验相结合的方法，系统地研究了复杂风场条件下高速铁路桥梁的空气动力性能及行车安全控制这一桥梁工程领域的前沿课题。在总结国内外研究工作的基础上，分析了持续强风作用下车桥系统的振动特点，通过风洞试验和数值计算研究了各种形式、高度、透风率的风屏障对车桥系统风速场及气动性能的影响，对风屏障的防风效果及有效防护区域进行了定量分析。建立了考虑风屏障效应的风-车-桥系统动力分析模型，并编制了相应的计算分析软件，实现了强侧风作用下高速列车通过桥梁的全过程动力仿真。以新建兰新高速铁路风区常用跨度简支梁桥为工程背景，对桥址区的强风特性进行了观测分析，通过风洞试验测试了有、无风屏障时车辆、桥梁的三分力系数，计算了自然风和列车风共同作用下桥梁和车辆的动力响应，建立了风屏障结构设计参数与行车安全性指标之间的动态关系，分析了列车进出风屏障时引起的突变脉动气压力对行车安全性和舒适性的影响。对作用在风屏障上的脉动气压力进行了数值模拟，研究其对风屏障结构的静、动力性能的影响。与比利时鲁汶大学、瑞典皇家理工大学进行了有效的合作，通过完成国际合作项目、学术互访、联合培养研究生等方式，合作研究了强风作用下不同形式铁路桥梁的动力性能及桥上列车的运行安全。在国内外发表论文9篇，其中SCI检索3篇，EI检索3篇，核心期刊论文1篇，国际会议论文2篇；发表学术专著1部；培养博士3名、硕士6名。研究成果进一步丰富了桥梁抗风和车桥耦合动力学的研究领域，扩展了其基础理论和工程应用。