公路桥梁声屏障脉动风压的分析与研究①

刘海涛， 康 焯

(天津市市政工程设计研究院，天津 300051)

在桥梁附属设施的设计中，行驶的汽车对桥面附属的脉动风压作用是不可忽视的.然而公路桥梁规范中没有相关脉动风压荷载的规定，国内外的相关研究大都集中在对汽车车身压力的分析[1～3]，对桥面附属设施承受的脉动风压分布和数值的关注较少，因此在对公路桥梁桥面附属设施设计中脉动风压荷载的取值缺少相应的参考.

本文采用计算流体力学方法，借助动网格分析技术模拟了大型客车在声屏障区段内行驶的三维不可压缩湍流模型，分析了大客车在运行中对流场的扰动所引起的声屏障表面脉动风压分布情况和脉动风压数值，得到了脉动风压的公式，可供桥梁附属设施设计中参考.

1 CFD数值分析模型

1.1 大客车几何模型

由于汽车的车身外形尺寸越大，运行中对空气的挤压越严重，相应的脉动风压也越大，因此本次分析中汽车模型选用外形尺寸较大的大型客车，客车车身长度为12m，宽度为2.5m，高度为3.5m，为了控制网格数量，节约计算时间，将大客车车身进行平滑处理，模型中不考虑客车后视镜等挂件和车轮突出车底部分[4]，平滑处理后的大客车车身几何模型如图2所示.

图1 驶过列车对建筑物和构件的气动力

图2 大客车几何模型

1.2 桥面布置及计算域选取

模型中取桥面净宽为8m，客车侧面距离防撞护栏内边缘最小距离为0.5m，客车车底距离桥梁顶面距离为0.4m，声屏障厚度为0.2m，高度为3m，客车车长中点位于坐标Z=0处，声屏障区域纵向坐标范围为Z=－15m～25m，客车沿Z轴正向行驶.模型的尺寸及位置关系见图3～图4所示.

为了满足计算精度要求，计算域长度边界距离车头取5.4倍车高度，距车尾取2.6倍车高度，宽度为3.5倍车宽，高度为2.6倍车高，计算域尺寸取为:长40m×宽8.8m×高9m.车身网格尺寸为0.2m，采用四面体非结构化网格进行计算域离散［5］，计算域离散网格数量共622637个.

图3 桥面断面布置图(单位:m)

图4 桥面平面布置图(单位:m)

2 脉动风压的分布

2.1 脉动风压分布云图

采用动网格技术模拟大客车以160km/h的速度运行时声屏障表面的脉动风压分布情况，以声屏障靠近客车一侧表面为内表面，桥梁外侧表面为外表面，内外表面的脉动风压分布如图5～图6所示.

图5 声屏障内表面脉动风压云图

图6 声屏障外表面脉动风压云图

由云图可见，客车表面距离防撞护栏0.5m并以160km/h的速度运行时，在声屏障内侧产生的最大脉动正风压为569Pa，最大负风压为－720Pa;在外侧产生的最大脉动正风压为17.6Pa，最大负风压为－249Pa.

作用于桥梁声屏障等附属设施上的压力为内表面和外表面压力同时作用的有效风压效应，有效风压是声屏障内表面一点的风压与对应位置外表面风压的差值，声屏障有效脉动风压云图如图7所示.

图7 声屏障有效风压云图

作用于声屏障上最大有效正风压为569Pa，最大有效负风压为－720Pa.车头和车尾处的有效风压作用范围约为10m.上述云图中，大客车车头位于Z=6.67m处，车尾位于Z=－5.33m处.

2.2 有效脉动风压纵向分布

声屏障表面间隔为0.5m的各高度处有效风压沿桥纵向的分布曲线如下图8所示.

图8 声屏障有效风压纵向分布曲线

由图8可见，沿桥梁纵向有效脉动风压曲线主要由客车车头的“头波”效应和车尾的“尾波”效应两部分组成，头波效应和尾波效应的负压值均大于正压值，头波效应风压峰值大于尾波效应风压峰值.客车车头前方5m范围为头波的正压区，车头后方5m范围为头波的负压区，尾波的负压区和正压区分别出现在车尾的前方5m和后方5m范围内.

2.3 有效脉动风压竖向分布

对应图8中声屏障有效风压峰值各位置处的有效脉动风压沿高度方向的分布曲线如图9所示.

由图9可见，头波有效正压、有效负压值在沿声屏障高度方向先增大后减小，在声屏障底部达到最大，而尾波有效风压在高度为2.8m处有突变，声屏障上的最大有效风压峰值为头波的负风压，最大风压位于声屏障的底部.

图9 声屏障有效风压竖向分布曲线

3 不同车速的脉动风压对比

客车以不同速度行驶时声屏障表面的最大有效风压数值如表1所示.

表1 不同速度下最大有效风压

由表1可见，随着客车运行速度的增加，声屏障有效风压数值成非线性增大.两者间的关系曲线见图10.

图10 客车不同速度行驶时声屏障最大有效风压曲线

4 不同距离的脉动风压对比

客车距离防撞护栏内边缘不同距离运行时，声屏障表面的脉动风压值如下表2所示，客车的行驶速度为100km/h.

表2 客车距防撞护栏不同距离时最大有效脉动风压数值

148－175 1.5 107－125 2 82－95 1 2.5 64－75

由表2可见，随着客车与声屏障间距离的增大，作用于声屏障的有效正压和有效负压均逐渐降低，两者间的关系曲线见图11.当客车与声屏障净距为桥梁规范规定的最小距离0.5m时，有效脉动风压的数值最大.

图11 客车与声屏障不同净距时最大有效风压曲线

5 大客车有效脉动风压的公式

对分析得到的声屏障表面有效脉动风压数值与客车行驶速度、客车距防撞护栏边线的距离间的关系进行曲线拟合，拟合曲线如图12和图13所示.

图12 有效风压与速度的关系拟合

图13 有效风压与距离的关系拟合

由图12和图13可以得到大客车有效脉动风压的近似公式形式如下:

将表1和表2中数据带入上式(1)(2)并检验可以得到:k1=0.0132;k2=0.0174

上式中:P为有效风压值(Pa);v为客车的行驶速度(km/h);d为客车与防撞护栏内边线的距离(m).

6 结语

采用动网格技术对客车－声屏障流场进行CFD数值仿真分析，得到以下结论:

1)客车的脉动风压由头波风压和尾波风压组成，头波正压大于负压，尾波负压大于正压，尾波的最大负压大于头波的最大正压值.

2)脉动风压的影响范围为车头和车尾前、后各5m长度范围内，正负压交替位置出现在车头和车尾处.

3)客车作用于声屏障的有效风压随着客车行驶速度的增加而增大，其数值近似与速度的平方成正比.

4)客车作用于声屏障的有效风压随着客车与声屏障间净距的增大而减小.

5)采用曲线拟合得到了大客车作用于声屏障表面的有效风压公式，可供桥面附属设施设计荷载的取值采用.

[1]上海道路声屏障结构技术研究小组.上海市道路声屏障结构调研报告[R].2010.

[2]道第三勘察设计院集团有限公司.高速铁路设计规范(TB10621－2009).2009.

[3]王树孝，张东，马金胜.LCK6122大客车空气动力性仿真分析[J].客车技术与研究，2007，(2):14－19.

[4]陈景秋，樊雪峰，胡韩飞.小轿车绕流流场的三维数值模拟[J].重庆大学学报，2004，27(10):134－137.

[5]高利，陈斌.国产客车车身周围流场数值模拟的空间离散[J].中国公路学报，2001，14(1):119－122.