跨线天桥表面列车风压主要影响参数研究

杨　娜，郑修凯,3，张　建，滕东宇,4

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京　100044;2.北京交通大学 结构风工程与城市风环境北京市重点实验室，北京　100044；3.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142；4.中国建筑科学研究院，北京　100044)

当列车在轨道上高速行驶时，列车周围的气体因为空气的黏性被列车带动并随之一起运动，产生列车风致效应[1-2]。近年来随着经济的发展，列车运行速度不断提高，列车风也随之增强。高速行驶的列车产生的列车风会对铁路沿线邻近建筑物产生显著影响，铁路邻近结构的设计需要考虑列车风荷载的影响。跨线天桥是一种典型的铁路邻近结构，高速列车经过时跨线天桥表面会受到列车风致效应的影响。

文献[3—7]分别采用理论分析、数值模拟、风洞试验等方法对高速列车通过时跨线结构的风压分布基本特征、结构振动以及控制列车风压的方法进行了研究。其中文献[3]和文献[4]基于高速列车通过时跨线天桥表面的实测风压数据，采用小波变换技术分析天桥表面实测风压的气动特性，识别了列车风压在不同频率区间的分布情况，采用数值模拟方法得到了高速列车经过时跨线天桥迎风面、背风面、底面风压极值沿不同方向的分布规律。但上述研究均未涉及跨线结构自身参数对列车风压的影响。

为了确定跨线结构自身参数对列车在其表面形成风压的影响，本文以德州东站为工程背景，确定所分析跨线结构的主要参数，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，对高速列车通过跨线天桥时作用在结构表面上的列车风压进行数值模拟，通过对比分析不同高度、宽度跨线结构的数值模拟结果，研究高度和宽度对跨线结构表面风压的影响；并结合现行规范[8]中关于列车风荷载计算的不足提出有针对性的建议和补充。

1　计算模型

数值分析模型包括跨线天桥、列车及其周围流场域。跨线天桥足尺分析模型源自德州东站。高速列车是一个具有复杂外形且长细比很大的几何体，因此建模时对其进行了一些简化。列车外型参考CRH380型动车组。简化后的列车模型则参考文献[4]取用。跨线天桥长82 m、宽15 m、高8 m。计算域尺寸为400 m×200 m×30 m，分层次划分计算域网格，如图1所示，列车表面、跨线天桥网格划分较细，使用结构化网格；其他区域网格尺寸较大，网格划分较粗。采用滑移网格模拟列车的移动，移动区域采用六面体结构化与四面体非结构化混合网格，整个计算域网格总数量约200万个。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 Pa)。列车壁面、地面、跨线天桥表面均采用无滑移壁面条件。文献[4]中，现场实测风压与数值模拟结果的对比验证了上述模型的可靠性。本文在此模型的基础上，主要变化跨线天桥的结构参数，进行其对跨线天桥表面列车风压的影响规律分析。

图1　计算模型

2　跨线天桥结构参数对其表面列车风压影响分析

2.1　天桥表面风压的特点

采用数值模拟方法，对250，300，350 km·h-1共3种列车运行速度工况下的跨线天桥表面列车风压分布进行分析。高速列车经过时正线上方跨线天桥迎风面的典型列车风压时程如图2所示，沿列车纵向对称剖面的风压场如图3所示。

图2　天桥表面典型测点的列车风压时程

图3　列车周围风压场

由图2可以看出：天桥表面的列车风压与列车所处的位置有关，车头和车尾经过时风压会有明显的波动；车头经过时风压会先达到正压极值，随后迅速达到负压极值，产生先正后负的“头波”；车尾经过时风压会先达到负压极值，随后迅速达到正压极值，产生先负后正的“尾波”；车头、车尾经过时从风压开始上升到最后趋于平缓，风压周期约为0.75 s，相邻正、负风压极值之间的时间间隔为0.13 s，风压周期及风压极值之间的时间间隔均与车速无关。车头、车尾经过时，正负风压极值迅速交替出现，天桥受到瞬时冲击荷载。

由图3可见：在列车头部鼻锥点处，列车对气流产生挤压作用，因此在车头鼻锥点处形成气流强正压区；在列车头部后方，绕流在此分离形成气流的强负压区；车头经过时正压区在前、负压区在后，跨线天桥表面会先受到正压极值作用，随后受到负压极值作用；车尾经过时负压区在前、正压区在后，跨线天桥表面会先受到负压极值作用，随后受到正压极值作用(列车表面风压以垂直列车表面向外为负压，反之为正)。

2.2　跨线天桥表面列车风压的影响参数

跨线天桥表面列车风压主要受到高速列车和跨线天桥自身参数的影响。高速列车的影响主要包括列车外形及列车运行速度。列车外形包括车头形状、车身外形、车体表面外轮廓、列车编组方式以及车体表面情况等。研究表明：流线型的车头、车尾，车体表面光滑平整没有凸出外表面的物件以及鼓形断面的车身有利于减小列车风的气动效应[5-7]；列车运行速度越高，列车风所产生的气动力越大，列车风压与列车运行速度的平方成正比[9]。跨线结构的影响包括高度、宽度、长度等。本文主要研究跨线天桥高度、宽度对其表面列车风压的影响。为更好地研究跨线天桥自身参数对其表面列车风压的影响，本文定义用跨线天桥表面列车风压力系数CP,T表征跨线天桥自身参数对其表面列车风压的影响，则跨线天桥表面列车风压P可表示为

(1)

式中：ρ为空气密度，取1.225 kg·m-3；vT为列车运行速度，m·s-1。

2.3　天桥高度对其表面列车风压的影响

高速列车高度一般在3.5～4 m间，再加上上部受电弓，总高度在5 m左右，又根据文献[4]的研究可知，当跨线天桥高度超过10 m时，列车风的影响比较小，因此本文选取5 m作为天桥高度下限，选取10 m作为天桥高度上限，分别建立天桥底高分别为5，6，7，8，9和10 m，其他尺寸相同的6个模型(天桥底高为天桥底面至轨道顶面的垂直距离)，进行天桥高度对天桥迎风面和底面列车风压的影响分析。分析中下穿跨线天桥的列车运行速度选取250，300和350 km·h-1共3种。

2.3.1天桥迎风面列车风压

根据文献[4]的研究可知，正线上方迎风面底部为跨线天桥迎风面风压极值最大的部位，受列车风的影响最显著，因此选取该部位分析天桥高度的影响。车头、车尾经过时天桥迎风面列车风压会有明显波动，因此分别对车头、车尾经过天桥进行分析。列车经过时风压极值随高度的变化曲线如图4所示。由图4可以看出:不同运行速度列车经过时迎风面风压极值随高度的变化规律基本一致，风压极值随着天桥高度的升高而降低，但下降速度逐渐变缓，且列车运行速度越高风压极值下降得越快；列车车头经过天桥时负压极值大于正压极值，6，7，8，9和10 m高天桥的正压极值分别降为5 m高天桥的63%，45%，35%，27%和22%，负压极值分别降为62%，35%，24%，16%和12%，负压极值比正压极值的衰减速度更快；列车车尾经过天桥时负压极值也大于正压极值，6，7，8，9和10 m高天桥的正压极值分别降为5 m高天桥的65%，45%，32%，24%和20%，负压极值分别降为53%，35%，25%，19%和15%，同样是负压极值比正压极值的衰减速度更快。

利用式(1)将天桥迎风面的列车风压极值转换为列车风压力系数绘于图5。由图5可以看出，不同列车运行速度下天桥迎风面的列车风压力系数变化规律基本一致，即列车运行速度不对列车风压力系数产生影响；而不同天桥高度下天桥迎风面的列车风压力系数均呈指数衰减，其拟合公式为

车头正压：CP,T=0.441 1e-3 423h

(2)

车头负压：CP,T=-1.674e-0.478 9h

(3)

图4　天桥迎风面列车风压极值随天桥高度的变化

车尾正压：CP,T=0.213 6e-0.375 7h

(4)

车尾负压：CP,T=-1.229e-0.467 3h

(5)

式中：h为跨线天桥底面高度。

2.3.2天桥底面列车风压

根据文献[4]的研究可知，天桥底面正线上方顺轨道方向距离入口4 m处的风压极值最大，受到列车风的影响最为显著，因此选取该部位分析天桥高度的影响。不同列车运行速度下车头、车尾经过时天桥底面列车风压极值随高度的变化曲线如图6所示。由图6可以看出：不同运行速度列车经过时天桥底面列车风压极值随高度的变化规律基本一致，风压极值随着天桥高度的升高而降低，但下降速度逐渐变缓，且列车运行速度越高，风压极值下降的速度越快；列车车头经过天桥时负压极值大于正压极值，6，7，8，9和10 m高天桥的正压极值分别降为5 m高天桥的77%，58%，41%，30%和23%，负压极值分别降为47%，33%，24%，18%和15%，负压极值比正压极值衰减的速度更快；列车车尾经过天桥时负压极值也大于正压极值，6，7，8，9和10 m高天桥的正压极值分别降为5 m高天桥的80%，67%，55%，44%和35%，负压极值分别降为61%，43%，29%，21%和16%，负压极值比正压极值衰减的速度更快。

图5　天桥迎风面列车风压力系数随天桥高度的变化

利用式(1)将天桥底面的列车风压极值转换为列车风压力系数绘于图7。由图7可以看出：不同列车运行速度下天桥底面的列车风压力系数变化规律基本一致，即列车运行速度不对列车风压力系数产生影响；不同天桥高度下天桥底面的列车风压力系数也均呈指数衰减，其拟合公式为

图6　天桥底面列车风压极值随天桥高度的变化

车头正压：CP,T=0.696 8e-0.283 9h

(6)

车头负压：CP,T=-2.611e-0.507 5h

(7)

车尾正压：CP,T=0.137 4e-0.211 9h

(8)

车尾负压：CP,T=-1.687e-0.405 6h

(9)

图7　天桥底面列车风压力系数随天桥高度的变化

2.4　天桥宽度对其表面列车风压的影响

为了分析天桥宽度对其表面列车风压的影响，建立天桥宽度分别为11，13，15，17和19 m其他尺寸相同的5个模型，研究天桥宽度对其迎风面、底面列车风压的影响。高速列车经过时，不同宽度天桥表面列车风压时程如图8所示。由图8可以看出，不同宽度天桥迎风面、底面列车风压的时程基本重合，即天桥宽度对天桥表面列车风压的影响很小。

图8　不同列车运行速度时不同宽度天桥表面列车风压时程曲线

3　对现行规范的修订建议

目前关于跨线结构设计中列车风荷载计算的规范主要是TB 10621—2014《高速铁路设计规范》(简称高铁规范)。但高铁规范存在以下2个不足：

(2)在列车侧面沿垂直轨道方向每隔1 m布置1个测点，数值模拟得到沿垂直轨道方向风压极值分布规律与高铁规范对比(图中实线为数值模拟结果，虚线为规范规定)，如图9所示，图中横坐标代表到列车表面的距离。由图9可见，规范中规定的风压值偏小，规范中的风压值约为数值模拟风压值的75%。

图9　规范与数值模拟风压对比图

第2节的分析表明，列车风压力系数CP,T不仅可以描述跨线结构表面风压极值的变化，同时在其表达式中消除了列车运行速度项。因此，针对现行规范中存在的不足，参考高铁规范，分别给出不同高度跨线结构表面列车风压随其到列车中心线的水平距离变化曲线，并将风压极值转化为列车风压力系数CP,T进行表述。结合文献[4]和本文第2节的分析，将列车风压转换为列车风压力系数后，可以绘制出不同高度跨线结构表面列车风压力系数随其到列车中心线水平距离的变化情况，如图10所示。进行结构设计时，列车风荷载计算可以根据跨线结构高度直接由图中曲线查得列车风压力系数，然后代入列车风压力系数公式即可得出结构表面受到的列车气动力。中间高度可以采用线性插值得到，高于10 m时可按高10 m取值。

图10　不同高度跨线结构沿垂直轨道方向列车风压力系数分布

4　结　论

(1)车头和车尾经过时天桥表面列车风压会有明显波动：车头经过时跨线天桥表面会先受到正压极值作用，随后受到负压极值作用；车尾经过时跨线天桥表面会先受到负压极值作用，随后受到正压极值作用。

(2)天桥宽度对天桥表面列车风压的影响很小。天桥高度对天桥表面列车风压产生显著影响。风压随着天桥高度的升高呈指数降低，但下降速度逐渐变缓，且列车运行速度越高风压下降的速度越快。列车车头经过天桥时负压极值大于正压极值，6，7，8，9和10 m高天桥的迎风面正压极值分别降为5 m高天桥的63%，45%，35%，27%和22%，负压极值分别降为62%，35%，24%，16%和12%。列车车尾经过天桥时负压极值大于正压极值，6，7，8，9和10 m高天桥的迎风面正压极值分别降为5 m高天桥的65%，45%，32%，24%和20%，负压极值分别降为53%，35%，25%，19%和15%。负压极值比正压极值衰减的速度更快。天桥底面的列车风压变化规律与迎风面类似。

(3)定义了列车风压力系数CP,T，并得出CP,T随天桥高度的变化规律。

(4)针对现行规范中存在的不足，参考高铁规范分别给出不同高度跨线结构列车风压随其到列车中心线水平距离的变化曲线，并将列车压力极值转化为列车风压力系数，为跨线结构设计提供参考。

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