DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2015.08.052

桥梁对高速列车气动特性影响的风洞试验研究

郭文华^{1, 2}，张佳文¹，项超群¹

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙，410075;

2. 中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙，410075)

摘要：为考虑侧风作用下桥梁对高速列车气动特性的影响，以高速列车与双线简支箱梁桥为原型，自主研制缩尺比为1:20的车-桥模型风洞试验模型装置，该装置可改变风偏角、测试对象以及列车与桥梁的相对位置等。测试高速列车的头车、中车及尾车各自的气动力，建立天平坐标系下测试数据转换到整体坐标系的转换关系，讨论雷诺数、车辆在桥面横向相对位置、风偏角对高速列车气动系数的影响。研究结果表明：基于自主研制车-桥模型的风洞试验测试是可行的；雷诺数对车-桥系统的气动性能影响有限；列车位于迎风侧线路时气动影响显著；随风偏角的增大，高速列车的侧力系数、升力系数、侧倾力矩系数存在减小的趋势。测试所得的高速列车气动参数可用于进一步开展风-车-桥耦合振动分析。

关键词：风-车-桥系统；侧风；气动特性；风洞试验；气动力系数

中图分类号：TU393.3             文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2015)08-3151-09

Wind tunnel test of aerodynamic characteristics of high-speed train on bridge

GUO Wenhua^{1, 2}, ZHANG Jiawen¹, XIANG Chaoqun¹

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction,

Central South University, Changsha 410075, China)

Abstract: In order to investigate the aerodynamic characteristics of vehicles on bridge under crosswind, a high-speed train model and simple support box bridge were designed to measure the aerodynamic forces acting on the vehicles by a self-developed wind tunnel test model with a scale of 1:20. In the wind tunnel test model, yaw angle, test objects and relative position of vehicle and bridge were easy to change. The aerodynamic force coefficients of head train, middle train and rear train of high-speed train were tested with the established method to transform test data from balance coordinate system to the global coordinate system. Reynolds number, laterally relative position of vehicle and bridge and yaw angle were investigated to demonstrate their effects on aerodynamic force coefficients of vehicles on bridge. The results show that the model wind tunnel test is practicable for aerodynamic force measurement of the vehicle-bridge system, and the impact of Reynolds number on vehicle-bridge system is limited. Train side force, lift force and roll moment coefficients tend to decrease with the increase of yaw angle, while other coefficients are insensitive to yaw angle. The measured aerodynamic parameters of train can be utilized for coupling vibration analysis of wind-vehicle-bridge systems.

Key words: wind-vehicle-bridge system; cross wind; aerodynamic characteristic; wind tunnel test; aerodynamic force coefficients

桥梁的风环境决定了桥上高速列车的真实气动特性。在侧向风作用下，紧贴桥面运行的高速列车改变了桥梁的气动绕流，同时，桥梁的几何外形会对桥上高速列车的气动荷载产生影响。研究表明，车辆与桥梁间存在着明显的相互气动作用，单独进行车辆风荷载测试或单独进行桥梁气动参数的测试都将导致较大的误差^[1]。由于桥上高速列车风荷载机理复杂，其气动参数主要通过CFD数值模拟和风洞试验得到。国内外学者^[2-5]对CFD数值模拟车桥相互气动的影响进行了大量研究。CFD数值模拟可方便改变风速、风偏角等系统参数，但数值模拟难以反映车-桥之间真实复杂的三维绕流特性且精度有待验证。风洞试验可主动控制试验条件，更适合开展机理性研究。Suzuki等^[6]在风洞中通过改变车-桥组合模型的风向角模拟车辆运动的影响，并分析了车辆阻力系数与桥梁梁高的关系。Cheli等^[7]研究了列车位于路堤和桥梁上时气动力的差异。Schober等^[8]测试了ICE3列车在3种不同路况(即一般平地、含有道砟与轨道的平地、路堤)下的气动力系数，指出气动力系数与路况有很大的关系，故应考虑路况对高速列车的气动影响。葛玉梅等^[9]采用节段模型风洞试验研究了车-桥系统的气动特性，通过改变测力天平与车辆或桥梁模型的连接来测量各自的气动力。Li等^[10]考虑车辆和桥梁之间的相互气动作用，采用组合节段模型进行风洞试验，利用交叉滑槽系统较方便地实现了车辆和桥梁各自的气动力测试。李永乐等^[11-12]采用自主研制比例为1:45的车-桥组合整体模型进行风洞试验，轨道交通车辆采用三车模型，测试了中车的气动参数，头车和尾车仅为气动补偿段。目前的车桥模型风洞试验多采用常规尺度(1:45左右)的节段模型。节段模型仍无法真实反映车桥间的三维绕流特性，忽略风沿结构展向变化的影响，只能得到单位长度桥梁或者车辆所受风荷载。其次，常用尺度较小对车辆与桥梁细节模拟得不够精细，可能导致试验结果与实际车-桥系统所受风荷载差别较大，从而导致对真实高速列车气动性能产生误判，造成防风措施无效或经济上浪费。因此，应开展大尺度车-桥整体模型(通常为1:15~1:20)风洞试验，并考虑车辆在不同编组位置时的影响。本文作者自主研制缩尺比为1:20的车-桥整体模型风洞试验装置，桥梁模型以三跨双线简支箱梁桥为原型，高速列车采用三车模型，严格模拟高速列车外型，分别测试桥上高速列车头车、中车及尾车的气动参数，研究风速、车辆在桥面横向相对位置、风偏角对高速列车气动特性的影响，以便为桥上高速列车所受气动力的确定提供参考依据。

1  试验概况

风洞试验在中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室进行。整套风洞试验系统主要由车-桥整体模型与测试仪器组成。

1.1  风洞简介

中南大学高速铁路风洞分为高速试验段与低速试验段。高速试验段风速范围为0~90 m/s，该试验段宽为3 m，高为3 m，长为15 m，中间是直径为2.5 m、可旋转360°的转盘；低速试验段风速范围为0~18 m/s，该试验段宽为12 m，高为3.5 m，长为18 m，中间是直径为5 m、可旋转360°的转盘。转盘中心距试验段来流方向前缘12 m，距来流方向后缘6 m，如图1所示。风洞流场品质直接影响试验结果的精度和准度，其主要流场指标如下：动压稳定性不大于1%；轴向静压梯度不大于0.01/m；湍流度不大于0.3%(高速试验段)、不大于1.5%(低速试验段)；速度场不大于0.5%(高速试验段)、不大于2.0%(低速试验段)；方向场|Δα|≤0.5°，|Δβ|≤0.5°。

1.2  车桥模型试验装置

为考察桥上高速列车的气动特性，根据风洞试验段尺寸、模型制作加工、模拟试验的复杂性及解释试验结果的困难等问题，自主研制车-桥组合整体模型风洞试验装置。综合考虑风洞阻塞比的影响及车辆和桥梁间的气动相互作用，试验模型采用1:20的几何缩尺比例加工制作，车-桥组合整体模型试验装置总长度为4.96 m。

一组高速列车通常由多节车厢组成。由于列车中部截面不变，缩短模型不改变列车流场结构的基本特征，列车简化为头车、中车、尾车的3节车模型。车体模型总长3.775 m，其中头(尾)车长1.225 m，中车长1.250 m，模型截面尺寸见图2。中车分别为头、尾车气动补偿段；头、尾车亦为中车的气动补偿段。为尽可能真实反映高速列车几何外形特征，应严格按照头尾车、中车(包括裙板等细节)外形加工制作(图2~4)。车辆外部采用空心轻质木材模拟流线型外形，内部采用轻型角钢制作的车体骨架，可满足高风速作用下模型强度、刚度要求，并减小了列车模型的整体质量。每节车体内的中间顶部位置设置连接件，其中间设置4个螺栓孔，可方便与测力天平的上顶面直接相连。为确保列车整体性，在3节车体内设置1根通长的槽钢，两侧分别设置1根插销，通过插销与边跨桥面固定，该插销可方便调节桥面与车体的间距，使列车与桥面始终分离。在每节车的连接件对应下方的钢梁处各设置1个天平支座。其一侧与钢梁通过螺栓可靠固定，另一侧与测力天平的下底面直接相连(图5)。在列车模型安装及整个测试过程中，还应确保车体外表面及骨架与钢梁之间、车体与车体之间不能直接接触，以确保所测气动力仅为作用在测试车桥上的气动力。当该节车体为非测试车体时，则采用与测力天平外形相似的圆钢环代替即可。

图1  风洞平面图

Fig. 1  Schematic of wind tunnel

图2  头部形状与车体横截面(数据单位：mm)

Fig. 2  Headtrain gemoetry and train section

图3  头(尾)车构造(剖面图)

Fig. 3  Structure of head (rear) train

图4  中车构造(剖面图)

Fig. 4  Middel train structure

桥梁几何模型采用京沪(北京—上海)高速铁路中32 m双线简支箱梁桥，桥墩采用10 m高的等截面圆端形墩。为了给高速列车更好地提供气动补偿，桥梁采用三跨简支箱梁，其模型长为4.8 m，截面尺寸见图6。其中只有中跨分为3节段，可测试中跨主梁不同节段的气动系数，为进一步研究桥墩、列车对主梁气动系数的影响打下基础。边跨作为1节整体的辅助梁段，其刚度足够大，可为列车提供稳固支撑。主梁与桥墩采用空心轻质钢材，桥上轨道板、砂浆垫层、混凝土支承层及栏杆均采用轻质木材制作，可满足风洞试验模型强度、刚度要求。主梁体内设置1根通长的槽钢，其工作原理与车体内槽钢的相同(图7~8)，以保证桥梁模型的整体性。中跨每个节段梁内的中间顶部位置设置连接件，其与测力天平及槽钢的连接方式与车体内的设置方式相同。测试主梁节段气动力时，应确保梁段与槽钢之间、梁段与梁段之间、梁段与墩体之间不能直接接触。当该主梁节段为非测试节段时，则采用与测力天平外形相似的圆钢环代替即可。主梁两端用木板封住，以防漏风对测试结果产生影响。3个桥墩通过1根槽钢固定在风洞转盘上，可方便模拟风偏角的影响。

1.3  测试系统

天平测试系统包括测力天平和数据采集软件。试验采用JR3动态六分量应变天平测试列车模型各节段气动力和力矩，其量程F_x和F_y为0~100 N，F_z为0~200 N，M_x，M_y和M_z均为0~7 N·m。天平坐标系xyz以接线口向外为x轴方向，竖直向上为z方向，如图5所示。在转盘转动过程中，测力天平不会与车体发生相对转动。

图5  天平安装细节

Fig. 5  Installation of balance

图6  主梁断面(数据单位：mm)

Fig. 6  Beam section

图7  桥梁中跨构造(剖面图)

Fig. 7  Profile of middle span structure

图8  天平安装(剖面图)

Fig. 8  Profile of installation of balance

天平信号经放大后由计算机数据分析软件采集。为提高测试数据的稳定性与可靠性、尽量消除外界干扰的影响，每次测试之间时间间隔为1 min。采集系统由1个通道组成，设定每次数据采集时间为30 s，采样频率为2 kHz。为了保证试验数据的准确性及提高试验效率，对每一工况进行2次测试，将2次试验结果的平均值作为该工况的最终取值。

2  测试方法

列车在桥上运行时，除受自然风以外，还与大气产生相对运动，将受到由于列车运动而产生的风荷载。侧风作用下列车沿桥梁轴向以一定速度行驶时，其实际来流速度矢量是自然风速度矢量w与列车运行速度矢量v的速度差。由于模型中列车在桥上静止不动，试验中采用相对运动模拟桥上高速列车的外流场，通过转盘转动来模拟风偏角α的变化(图9)。图9中：α为风偏角，即来流速度矢量与桥梁横向之间的夹角；圆形虚线对应风洞转盘，与风洞侧壁垂直的虚线对应模型装置的起始位置；β为转盘转动角度，即模型起始位置与模型纵轴线(指向测力天平一侧)之间的夹角。

本文风洞试验中只采用1个测力天平进行测试。当测试端部车体时，由于列车模型是对称结构，测力天平可放在任意一端。以图1所示车体为例，模型随转盘转动360°，可无需变换天平位置分别测试头车、尾车的气动力，模型每转动10°测试1次气动力。列车模型在桥上横向位置与天平坐标系xoy(表示测力天平所受风荷载读数的正向)随转盘转动将发生变化。模型在初始位置时，天平接线口朝着来流方向为x轴，其天平坐标系中y轴与车体轴向平行并指向靠近来流方向(图9(a))，原点分别设在各测试车体天平上表面形心。在测试过程中，风偏角α、转盘转动角度β与测试车体工况存在如下关系：

  (1)

当测试中间车体时，根据体系对称性，车桥模型只需转动180°，且每10°测试1次气动力。中车天平坐标系xoy与头车的坐标系一致(见图9(a)和9(b))。α与β存在如下关系：

   (2)

图9  转动过程中状态变换

Fig. 9  State transition during rotation processes

3  数据处理

3.1  气动系数定义

高速列车在侧向风作用下主要受6个气动力的作用，即侧力f_x、阻力f_y、升力f_z、仰俯力矩m_x、侧倾力矩m_y、侧偏力矩m_z。在体轴坐标系下，列车六分力系数定义如下^[13]：

         (3)

其中：α为风偏角；ρ为空气的密度；U为空气来流流速；H，B和L 分别为列车模型的高度、宽度和长度，计算头(尾)车的气动力系数时L即为L₁，而中车时L即为L₂；C_x，C_y，C_z，C_Mx，C_My和C_Mz分别为侧力系数、阻力系数、升力系数、仰俯力矩系数、侧倾力矩系数和侧偏力矩系数。

3.2  气动力处理方法

当测试端部车体时，车桥模型在转动过程中，测试车体将分别经历迎风侧头车、背风侧头车、背风侧尾车、迎风侧尾车4种工况；而当测试中间车体时，测试车体将经历迎风侧中车、背风侧中车2种工况。由于天平坐标系xoy发生变化，导致直接测试结果的方向不一致，需要建立整体坐标系XYZ来表示气动力测试结果。Y轴与车体轴向平行并指向远离来流方向，X轴与Y轴垂直并指向远离来流方向，Z轴垂直向上(见图10，其中，1为头车，2为中车，3为尾车)，原点分别设在各测试车体天平上表面形心。各工况测试车体的天平读数与整体坐标系XOY的列车气动力转换关系如下。

1)当测试车体为迎风侧头车、迎风侧中车时，

     (4)

2) 当测试车体为迎风侧尾车时，

      (5)

3) 当测试车体为背风侧头车、背风侧中车时，

      (6)

图10  整体坐标系中列车气动力

Fig. 10  Aerodynamic forces of train in global coordinate system

4) 当测试车体为背风侧尾车时，

       (7)

式中：F_X， F_Y， F_Z， M_X ，M_Y 和M_Z 分别为在整体坐标系中的侧力、阻力、升力、仰俯力矩、侧倾力矩、侧偏力矩； f_x，f_y，f_z，m_x，m_y和m_z分别为天平坐标系中的侧力、升力、阻力、仰俯力矩、侧倾力矩、侧偏力矩。

4  计算结果及分析

4.1  雷诺数的影响

风洞试验中简支箱梁断面较钝化，可忽略雷诺数的影响，但列车断面周边均进行圆滑过渡处理，其绕流分离点与雷诺数有关。考虑到车桥之间存在相互气动作用，其作用对雷诺数可能较敏感。表1~3所示为10.0，12.5和15.0 m/s这3种风速下，列车模型分别位于迎风侧线路与背风侧线路时各车的六分力系数。由表1~3可见：高速列车的各气动系数在不同风速下存在一定差异且规律不显著，当风速为12.5 m/s与15.0 m/s时除个别气动系数存在较大差异，但大部分气动系数差异不明显。这表明雷诺数对试验系统的气动性能有一定影响。考虑到较低风速时模型上的风荷载相对较小、测试误差略大，故取风速为15.0 m/s时测试结果作为相应工况的实测值。

4.2  不同线路对车辆的影响

为了考查列车位于桥面横桥向不同线路时的气动特性，给出当风偏角为30°和50°时列车位于迎风侧线路与背风侧线路时的气动系数，分别如表4和表5所示。

由表4和表5可知：列车头、中、尾车在迎风侧线路时六分力系数一般比位于背风侧线路时的大，即列车位于迎风侧线路时气动特性影响显著。在列车各车中，头车的气动系数比中车与尾车的大，即头车对风较敏感。

4.3  风偏角的影响

列车位于迎风侧线路时气动特性比背风侧线路时影响显著。图11所示为不同风偏角下列车位于不同线路时的气动系数曲线。通过分析图11可知：

1) 对于侧力系数，头车所受侧力系数最大，中车的侧力系数居中，尾车的最小；头车的侧力系数先增大，后逐渐减小。头车侧力系数在风偏角20°左右时达到最大，因为列车对侧风的有效阻挡面积最大；中、尾车的侧力系数随风偏角的增大而减小。当风偏角为90°时，列车模型与来流方向一致，头车、中车、尾车的所受侧力接近于0。

表1  迎风侧线路头车气动系数

Table 1  Aerodynamic coefficients of head train in windward side

表2  迎风侧中车气动系数

Table 2  Aerodynamic coefficients of middle train in windward side

2) 对于阻力系数，中车阻力系数受风偏角影响较小，随着风偏角增大，接近于0°。迎风侧线路头车和尾车的阻力系数都随风偏角增加先增大、后减小，当风偏角为40°左右时达到最大。背风侧线路头车和尾车的阻力系数基本上随风偏角增大而减小。当风偏角为0°时，头车与尾车的所受阻力大小相等，方向相反；当风偏角为30°左右时，头车与尾车阻力系数均达到最大；当风偏角为90°时，头车与尾车的所受阻力系数接近于0，因为头车与尾车的流线型外形改善列车的空气动力学性能，大大减小了车体的阻力。

3) 对于升力系数，迎风侧线路头车和中车升力系数随着风偏角增加先增大、后减小，当风偏角为40°左右时达到最大。而背风侧线路头车、中车、尾车升力系数随着风偏角增加而减小。当风偏角为90°时，头、中、尾车的所受升力为0。

4) 列车的仰俯力矩、侧偏力矩和侧倾力矩与安放测力天平位置以及侧力、升力和阻力有关。头车的仰俯力矩先增大，后减小，其在风偏角为40°左右时达到最大。头、中、尾所受的侧倾力矩随着风偏角的增大而减小，其中头车最大、中车居中，尾车最小。对于侧偏力矩，头车的最大、中车的居中，尾车的最小。

表3  迎风侧线路尾车气动系数

Table 3  Aerodynamic coefficients of rear train in windward side

表4  位于不同线路时列车气动系数(风偏角为30°)

Table 4  Aerodynamic coefficients of train in different lines (yaw angle is 30°)

表5  位于不同线路时列车气动系数(风偏角为50°)

Table 5  Aerodynamic coefficients of e train in different lines (yaw angle is 50°)

图11  列车分力系数随风偏角变化曲线

Fig. 11  Aerodynamic coefficients with yaw angle of train

当风偏角为90°时，头、中、尾车所受仰俯力矩、侧倾力矩、侧偏力矩系数都接近于0。

5  结论

1) 综合考虑列车与桥梁间的相互气动影响，自主研制了车桥模型试验装置，该系统可改变风速、风偏角、测试对象及车辆和桥梁的相对位置等。

2) 由于列车模型是对称结构，将模型转动360°或者180°，可分别测试不同线路上的头车、尾车或中车的气动力，无需变换天平位置，可减少试验工作量，提高试验效率。

3) 雷诺数效应对桥上高速列车气动力系数的影响有限，其规律不明显。考虑到较低风速时模型上的风荷载相对较小、测试误差略大，故取较高风速的测试结果较合理。

4) 高速列车位于横桥向的不同位置时存在明显不同的气动干扰，其中迎风侧线路时车辆气动系数变化幅度较大，对桥上高速列车的气动特性影响显著；而背风侧线路时车辆风荷载变化幅度较平稳，对其气动特性影响不明显。高速列车位于迎风侧线路时所受气动力比背风侧线路时的大。

5) 高速列车头车的六分力系数随风偏角变化幅度最大且波动幅度较大，即头车对风偏角最敏感。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2014-09-11；修回日期：2014-11-20

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51078356)；铁道部科技研究开发计划重大项目(2008G031-Q)(Project (51078356) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2008G031-Q) supported by the Major Project of Science and Technology Research and Development Plan of Ministry of Railway)

通信作者：郭文华，教授，博士生导师，从事桥梁风工程研究；E-mail：whguo@126.com