桥面紊流对公路车辆气动力及行车安全影响研究

The turbulence above bridge decks is a fundamental factor to the aerodynamic interference between vehicles and bridges. This study will focus on the effects of the turbulence above bridge decks on the aerodynamics forces and safety of road vehicles. Wind tunnel tests and numerical analysis using CFD will be combined as two basic measures. Typical deck figures of long-span and middle/short-span bridges will be accepted as the targets. The characteristics of the signature turbulence above these decks will be analyzed. The relation between the upcoming turbulence and the turbulence above decks will be expressed. The influences of the signature turbulence and upcoming turbulence will be further discovered. The evolutionary process of the turbulence above the decks will also be presented. Furthermore, the effects of the signature turbulence, motion together with signature turbulence, upcoming turbulence together with signature turbulence on the aerodynamic forces of vehicles will be studied. And the relation between the turbulence above the decks and the aerodynamic forces of vehicles will be formed. Finally, the highway wind-vehicle-bridge coupling analysis method considering the unsteady aerodynamic forces of vehicles will be developed. Based on the method, the safety of road vehicles considering the turbulence wind above bridge decks will be analyzed. These research findings would be referred for the safety study of road vehicles on bridges and engineering application.

桥面紊流是车桥气动相互干扰的重要因素之一。本研究针对桥面紊流对公路车辆气动力及行车安全的影响，结合风洞试验与CFD数值分析两种研究手段，就大跨度与中小跨度桥梁典型的主梁断面形式，确定均匀流下桥面车道上方特征紊流的特性，建立紊流情况下来流脉动特性和桥面紊流特性的相关关系，明确桥面特征紊流和来流紊流各自的影响，揭示桥面紊流特性的演化规律，明确主梁特征紊流对车辆气动力的影响，明确车辆运动与主梁特征紊流共同作用对车辆气动力的影响，探明来流紊流与主梁特征紊流对车辆气动力的共同影响，建立车辆气动力与桥面紊流的关系，发展考虑车辆非定常效应的公路风—车—桥耦合分析方法，确定考虑桥面紊流情况下公路车辆的行车安全性，明确桥面紊流对桥上公路行车安全的影响。研究成果为公路桥梁行车安全性研究及工程应用提供参考。

本研究针对桥面紊流对公路车辆气动力及行车安全的影响开展工作，主要内容包括：1）建立并论证了主梁桥面风场数值分析模型，研究了典型箱形主梁桥面风速分布特征，探讨了雷诺数、桥墩、风屏障的影响，确定了特征漩涡的贡献，研究了典型扁平钢箱梁桥面漩涡运动对桥面风场的影响。2）试验模拟了平均风与紊流风场，测试了典型箱形主梁车道上风速分布特征与桥上车辆模型的气动力,明确了来流紊流对桥面风场与气动力的影响，明确了车辆气动导纳特征。3）提出了一种车辆轮胎与路面侧向摩擦力测试装置，建立了考虑车辆纵向运动特性的耦合分析系统，计入来流紊流风随机因素的影响，提出了随机体系下行车安全的动力可靠性分析方法与单参数可靠度模型，提出了基于支持向量机方法的风致行车安全可靠性分析方法。得出以下主要结论：建立的数值模型可以获得较为可靠的计算结果；所研究主梁桥面风速的分布对雷诺数不敏感，主漩涡在桥面的发展导致桥面车道风场的变化；风屏障弱化了桥墩对桥面风速的影响，扁平箱梁漩涡特征受风嘴角度影响较大；来流紊流对桥面风场及车辆平均气动力有明显影响，对不同车辆影响规律不同，桥上车辆升力气动导纳有大于1的状况；紊流风作用下侧滑安全评价首超概率方法较为保守，侧翻安全评价泊松近似方法较为保守；提出的单参数模型可以方便的进行可靠性判断，提出的支持向量机方法较高地提高了可靠性计算效率，计算获得了基于可靠度的桥面行车安全参考条件。研究成果具有一定的学术意义和实用价值。