高速列车经过时作用在跨线天桥风压力数值模拟①

郑修凯，杨娜，张建

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

列车在地面上行驶时，由于空气黏性作用使周围的空气被列车表面带动并随之一起运动，形成列车风［1－2］。列车风使列车周围环境空气压力波动，在临近线路建筑物上产生波动压力。随着列车运行速度提高，列车风压随之迅速增强，强烈的列车风压会对沿线建筑物产生很大甚至破坏性影响。设计者在对临近高速铁路的建筑物进行设计时，应充分考虑列车风压对临近建筑物的影响，以保证这些建筑物的安全。跨线天桥是典型的高速铁路临近建筑物，目前国内外对于跨线天桥的研究主要集中在列车通过时所引起的天桥振动以及减振措施［3］，对于列车通过时跨线天桥表面的气动压力研究主要集中在天桥底面［4］。高速列车经过时列车风对跨线天桥迎风面、背风面也会产生显著影响，但国内外对于天桥迎风面、背风面气动压力分布规律研究较少。本文结合我国高速列车和跨线天桥的情况，采用三维非定常可压缩k－ε二方程湍流模型［4－5］，对高速列车通过跨线天桥时作用在跨线天桥表面上的气动压力进行数值模拟，确定天桥迎风面、背风面和底面所受到的气动压力分布规律。

1 几何模型和网格划分

列车外型参考CRH380型动车组［6］，CRH380型动车组采用流线化外型，具有良好的气动特性，其中CRH380头部结构由纵向双曲拱面、纵向五曲拱面设计而成。为控制计算规模，列车由流线化车头、车身和车尾组成，头车和尾车长度为25 m，车身长60 m，模型总长110 m，列车宽度3.38 m，列车高度3.7 m，如图1所示。

图1 CRH380动车组模型外貌Fig.1 CRH380 EMUmodel appearance

火车站共设5台7线，其中2条正线、5条到发线。人行天桥位于站房中心线处，左右对称，长为81.765 m，宽为64.3 m，高为8.2 m，桥面净宽15 m，结构形式为钢结构，采用钢筋混凝土组合桥面板。

计算区域尺寸为400 m×200 m×30 m［7－8］，将整个计算区域分层次划分网格。列车表面及跨线天桥附近网格划分较细，外部流域尺寸较大网格划分较粗。列车通过部分采用滑移网格［9－10］，滑移区域采用四面体非结构化与六面体结构化混合网格，网格总数量在180万左右。

2 边界条件和计算方法

流场入口与出口位置采用压力远场边界条件，相对总压为101.325 kPa(工作环境压力为0);结构物表面及地面采用无滑移壁面条件。

利用Fluent软件求解非定常、可压缩流动的Reynolds Averaged Navier－Stokes(RANS)方程和标准k－ε二方程湍流模型，对跨线天桥的列车风流场进行数值模拟。用有限体积法离散方程，动量方程、能量方程、k和ε方程中的对流项采用二阶迎风格式离散，扩散项采用中心差分格式离散，压力速度耦合采用SIMPLEC算法［11－13］。计算时间步长设为0.003 s，共计算2 000步［14］，模拟了自列车车头位于跨线天桥前60 m至车尾穿过天桥的整个过程，同时在跨线天桥特定位置布置若干个监测点和监测面，以取得测点的压力时程数据。

3 数值模拟方法的验证

本文主要是通过将现场实测数据与数值模拟结果进行对比来验证数值模拟方法的准确性［15］。将数值模拟得到的列车风压值与实测值进行对比，如图2所示，通过对比发现本文数值模拟结果与实测结果基本一致，验证了本文数值计算方法的可靠性，为下文数值模拟结果分析奠定了基础。

图2 实测值与数值模拟结果对比图Fig.2 Comparison ofmeasured values and numerical results

4 数值模拟结果及分析

4.1 迎风面垂直于轨道方向列车风压分布

天桥迎风面玻璃板高度约2.2 m，分别在8.2 m(迎风面底部)和10.4 m(迎风面顶部)沿水平方向布置多个监测点，其中测点位置15.75 m为正线。不同列车运行速度下8.2 m和10.4 m处各测点列车风压极值如表1和表2所示，列车风压分布曲线如图3和图4所示。从迎风面不同标高处沿水平方向最大、最小列车风压分布曲线可知:在天桥迎风面沿水平方向最大、最小列车风压的分布从正线上方向两侧逐渐递减，车速为250、300和350 km/h时，高度8.2 m距离正线22 m处的最大列车风压分别衰减为正线的60.3%，53.2%和49.5%，高度10.4 m距离正线22 m处的最大列车风压分别衰减为正线的98%，96.7%和94.6%。由此可以看出:不同车速同一高度处，列车风压由正线向两侧逐渐递减，速度越大递减越快。

图3 8.2 m处列车风压极值分布曲线Fig.3 Extreme pressure distribution curves at8.2m height

表1 8.2 m处各测点列车风压极值Table 1 Extreme pressure values at8.2 m height

表2 10.4 m处各测点列车风压极值Table 2 Extreme pressure values at10.4 m height

图4 10.4 m处列车风压极值分布曲线Fig.4 Extreme pressure distribution curves at 10.4 m height

4.2 迎风面正线上方沿高度方向列车风压分布

天桥迎风面玻璃板高度为2.2 m，从正线上方8.2m(迎风面底部)开始沿高度方向布置监测点，共布置8个监测点，作用在各监测点的列车风压极值如表3所示，不同速度下的列车风压极值分布曲线如图5所示。由高速列车通过正线时上方各点最大、最小列车风压分布曲线可知:不同速度下，迎风面玻璃板沿高度方向最大、最小列车风压由下至上均逐渐递减，车速为250，300和350 km/h时，高度10.4m处的最大列车风压值分别衰减为8.2m处的57.1%，50.3%和47.5%，最小列车风压值分别衰减为8.2m处的18.5%，26.9%和31.3%，衰减规律与列车速度有关，最大列车风压在速度越大时衰减越快，最小列车风压在速度越小时衰减越快。

图5 迎风面沿高度方向列车风压极值分布曲线Fig.5 Extreme pressure values of windward side along the height direction

4.3 背风面正线上方沿高度方向列车风压分布

跨线天桥背风面高2.2 m，从正线上方8.2 m (背风面底部)开始沿竖向布置监测点，共布置8个监测点，作用在各监测点的列车风压极值如表4所示，不同速度下列车风压极值分布情况如图6所示。由图6可知:不同列车速度下，背风面玻璃板上沿高度方向最大、最小列车风压由下至上均逐渐递减，车速为250、300和350 km/h时，高度10.4m处的最大列车风压值分别衰减为8.2 m处的61.8%，59.5%和58.6%，最小列车风压值分别衰减为8.2 m处的20.1%，31.5%和36.8%，衰减规律与列车速度有关，最大列车风压在列车速度越大时衰减越快，最小列车风压在速度越小时衰减越快。对比图5和图6可以看出:背风面与迎风面列车风压衰减规律基本一致。

表3 迎风面沿高度方向各点列车风压极值Table 3 Extreme pressure values of windward side along the height direction

表4 背风面沿高度方向各点列车风压极值Table 4 The extreme pressure values of leeward side along the height direction

4.4 天桥底面正线上方顺轨道方向列车风压分布

跨线天桥净宽15 m，在天桥底面沿列车前进方向共布置了6个监测点，不同速度下各监测点列车风压极值如表5所示，底面顺轨道方向不同速度下列车风压分布曲线如图7所示。由风压分布曲线可知:在天桥底面(标高8.1 m)正线上方沿列车前进方向，最大列车风压并不在天桥的正中央，而是在天桥高速列车驶入的端口;最小列车风压也不在天桥的正中央，而是发生在天桥列车驶出的端口，这主要是由列车头部进入跨线天桥挤压空气产生的气流以及列车尾部离开天桥时捲吸带起的空气流动所造成。

图6 背风面沿高度方向列车风压极值分布曲线Fig.6 Extreme pressure values of leeward side along the height direction

表5 天桥底面顺轨道方向列车风压极值Table 5 The extreme pressure values of the bottom surface along the track direction

图7 天桥底面顺轨道方向列车风压极值分布曲线Fig.7 The extreme pressure values of the bottom surface along the track direction

4.5 天桥底面正线上方垂直轨道方向列车风压分布

跨线天桥长81.765 m，在天桥底面正中央沿垂直轨道方向每隔一定距离布置一监测点，共布置7个监测点，不同速度下各监测点列车风压极值如表6所示，列车风压极值分布曲线如图8所示。由图8可以看出:跨线天桥底面从正线上方向两侧列车风压逐渐递减;250，300和350 km/h距离正线30 m处最大列车风压分别衰减为正线的28.1%，23.1%和20.3%;最小列车风压分别衰减为正线的1.2%，1.7%和2.1%;不同速度下最大列车风压在速度越大时衰减越快，最小列车风压在速度越大时衰减越慢;距离正线30 m处列车风压极值已衰减到很小，其中最小列车风压接近0。

表6 天桥底面垂直轨道方向列车风压极值Table 6 Extreme pressure values of the bottom surface perpendicular to track direction

图8 天桥底面垂直轨道方向列车风压极值分布曲线Fig.8 The extreme pressure values of the bottom surface perpendicular to track direction

5 结论

(1)高速列车通过跨线天桥时产生的列车压力波幅值与运行速度有关，列车速度越高，产生的列车压力波幅值越大。

(2)同一高度处，列车风压由正线向两侧逐渐递减，速度越大递减越快。车速为250，300和350 km/h，高度8.2 m距离正线22 m处的最大列车风压分别衰减为正线的60.3%，53.2%和49.5%，高度10.4 m距离正线22 m处的最大列车风压分别衰减为正线的98%，96.7%和94.6%。随着高度的增加，衰减越来越慢。

(3)迎风面、背风面沿竖向最大、最小列车风压由下至上均逐渐递减，衰减规律与列车速度有关，最大列车风压在速度越大时衰减越快，最小列车风压在速度越小时衰减越快。

(4)跨线天桥底部顺轨道方向最大列车风压并不在天桥的正中央，而是在天桥列车驶入端;最小列车风压也不在天桥的正中央，而是发生在天桥列车驶出的端口，这主要是由列车头部进入跨线天桥挤压空气产生的气流以及列车尾部离开天桥时捲吸带起的空气流动所造成。

(5)跨线天桥底部从正线上方向两侧列车风压逐渐递减，250，300和350 km/h距离正线30 m处最大列车风压分别衰减为正线的 28.1%，23.1%和20.3%，最小列车风压分别衰减为正线的1.2%，1.7%和2.1%，不同速度下最大列车风压在速度越大时衰减越快，最小列车风压在速度越大时衰减越慢。

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