高墩桥梁上栅栏式防风屏挡风效果分析

朱占猛,闫亚光

(河北工程大学 土木工程学院,河北 邯郸 056107)

0 引言

近年来，我国高速公路桥梁网络处于快速发展阶段，而在公路交通运输中，商用货运汽车发挥着越来越重要的作用。汽车在高墩桥梁上行驶，经常会受到环境侧风的作用。车辆在高速行驶过程中遇到横风时，会导致车辆的气动六分力迅速增加，尤其是对高速行驶时车辆的行驶稳定性产生了巨大的威胁。由强横风所导致的行驶车辆倾覆事故在世界各地时常发生，给桥梁、公路运输安全、驾驶员生命安全造成严重威胁。与此同时，在特殊的风环境下，如高墩桥梁上，车辆车身周围流场发生明显改变，致使车辆所受气动荷载显著增大，车辆倾覆的可能性也大大增加。因此对高墩桥梁上车辆防风措施的研究迫在眉睫。

国内外学者对此进行了一些研究，石家庄铁道大学赵俊娜[1]等改变全封闭型防风屏结构进行研究，将防风屏设置在高速铁路梁式桥上对其防风性能进行研究。西南交通大学向活跃[2]等对设置在高速铁路上的防风屏的防风效果进行研究，并对设置风屏障的自身所受荷载进行了研究。史康[3]等通过数值模拟技术对百叶窗类型防风屏防风效果进行了研究。苏洋[4]等通过数值模拟和风洞实验分析了风屏障对列车气动效应的降低效果，同时对车体周围流场环境特性规律进行了分析。安桂萍[5]对风区铁路沿线防风屏障结构静动力分析。胡博[6]等通过数值模拟方法对扁平钢箱梁风屏障防风效果进行了研究。

研究依托韩城跨黄河接万荣大桥工程，针对在高墩桥梁上这种复杂风环境下不同形式栅栏式防风屏的挡风效果进行分析。由于数值模拟可以克服试验的局限性，易于模拟复杂工况且更加经济，故研究基于数值模拟以对风敏感性较大的货运汽车作为受力对象，对栅栏式防风屏对货运汽车气动效应的减缓效果进行了分析。

1 数值模拟

1.1 重叠网格技术

为了更好地模拟货运汽车和设置防风屏桥梁的相对运动，在简化车辆细部构造的基础上，采用重叠网格技术对货运车辆在设置防风屏桥梁上的行驶进行模拟。

1.2 湍流模型

对于车辆和桥梁部件的气动效应研究中，RNG k-ε模型对汽车和防风屏外流场的模拟效果较好，因此研究使用数值模拟仿真软件Starccm+，采用k-ε两方程模型，对在侧风作用下车辆-桥梁-防风屏系统的流场和货运汽车的气动荷载进行数值模拟。

2 数值模型

研究选取沃尔沃重型货运汽车（Globetrotter XL）作为车辆模型，模型长宽高尺寸为16.5 m×2.7 m×3.7 m。桥梁模型为双向4车道桥梁，车辆位于靠近桥梁边缘的第一车道，车辆中心距离防风屏3.375 m。桥梁断面长宽高尺寸为115 m×18 m×3 m，单车道宽3.75 m。车速90 km/h，风速25 m/s，防风屏设置在桥梁两侧。将栅栏式防风屏简化为几个等间距的横条。简化后的车辆、防风屏、桥梁模型如图1所示。

计算模型采用四面体网格和棱柱层网格，对车辆、防风屏、桥梁周围分别进行加密处理。最小网格尺寸为0.01 m，时间步长为0.001 s。不同类型的栅栏式防风屏挡风效果有所差别，其中防风屏的孔隙形式对实际挡风效果的影响较小，决定防风屏挡风效果的最主要因素是其防风屏高度和透风率。因此对栅栏式防风屏这两种因素进行变动，对其挡风效果进行研究。

3 数值模拟结果分析

对栅栏式防风屏模型进行适当简化后，取高度分别为2 m、2.5 m、3 m、3.5 m、4 m的栅栏式防风屏，设置厚度为80 mm，同时通过改变栅栏式防风屏矩形板间距，变动其透风率分别为20%、30%、40%的不同结构参数栅栏式防风屏的结构尺寸工况。对不同高度、不同透风率的栅栏式防风屏的挡风效果进行了研究。经过数值模拟计算得到高墩桥梁上行驶货运汽车所受气动六分力，绘制成折线图，如图2、图3所示。

图3 不同防风屏高度、透风率下货运车辆的力矩系数

由图2可知：设置三种透风率防风屏下，货运汽车的阻力系数随着防风屏高度的增加逐渐减小，特别是防风屏从3 m增加到3.5 m高度后，三种透风率防风屏阻力系数下降均超过15%。在防风屏高度一定的情况下，货运汽车的阻力系数随着防风屏透风率的增大而逐渐减小，这是因为货运车辆在行驶中车头会挤压行进方向的空气，此时部分被挤压空气会向两侧流动，而防风屏透风率的增大加快了被挤压空气的流出速度，从而减小了车辆受到的阻力，进而使车辆阻力系数降低。同时在防风屏高度达到3.5 m后，继续增大防风屏高度对车辆阻力系数的降低幅度明显降低。

图2 不同防风屏高度、透风率下货运汽车的气动力系数

三种透风率防风屏下货运汽车的升力系数随着防风屏高度的增加逐渐减小，平均降低幅度为46.3%，与车辆阻力系数相反，在防风屏高度一定的情况下，货运汽车的升力系数随着防风屏透风率的增大而随之增大。这是因为防风屏透风率的增大会导致更多的侧风穿过栅栏式防风屏，导致车辆升力系数增加。

三种透风率防风屏下货运汽车的侧向力系数随着防风屏高度的增加逐渐减小，在防风屏高度达到3 m时，防风屏对车辆侧向力系数的降低幅度明显降低。随着防风屏透风率的增大，车辆侧向力系数逐渐增加。同时透风率从40%减小到30%，车辆六分力系数平均降低幅度达到26%。

由图3可知：三种透风率防风屏下货运汽车的侧倾力矩系数随着防风屏高度的增加逐渐减小。防风屏高度从2 m增加到3 m，车辆侧倾力系数降低效果显著，尤其是透风率20%工况下降低幅度达到58.6%，在防风屏高度达到3 m时，防风屏对车辆侧倾力系数的降低幅度明显降低。随着防风屏透风率的增大，车辆侧倾力矩系数逐渐增加，同时防风屏透风率30%时再增加防风屏透风率，对侧倾力矩系数的降低幅度下降。

三种透风率防风屏下货运汽车的纵倾力矩系数随着防风屏高度的增加逐渐减小，在防风屏高度达到3 m时，防风屏对车辆纵倾力矩系数的降低幅度明显降低。随着防风屏透风率的增大，车辆纵倾力矩系数逐渐增加。

三种透风率防风屏下货运汽车的横摆力矩系数随着防风屏高度的增加逐渐减小，在防风屏高度达到3 m时，防风屏对车辆横摆力矩系数的降低幅度明显降低。随着防风屏透风率的增大，车辆横摆力矩系数逐渐增加，同时防风屏高度从2 m增加到3.5 m，车辆六分力系数平均降低幅度达到57%。

综上可知，防风屏高度从2 m增加到3.5 m，车辆六分力系数降低效果显著，超过3.5 m后，随着防风屏高度的增加，降低幅度明显减小。随着防风屏透风率的减小，车辆六分力系数逐渐减小，而透风率的减小又会导致防风屏自身受到较大静力荷载。

4 结论

（1）通过建立货运汽车、防风屏和高墩桥梁的数值简化模型，计算栅栏式防风屏不同高度、透风率下货运汽车的气动特性。随着栅栏式防风屏高度的增加，防风屏的挡风效果逐渐增加，但栅栏式防风屏高度到达3.5 m后，防风屏对桥上车辆气动效应降低效果明显降低。

（2）栅栏式防风屏透风率的增大加快了被挤压空气的流出速度，从而减小了货运汽车受到的气动阻力。而货运汽车所受其他气动力随着透风率的增加而增大。但当透风率达到40%时，防风效果明显降低。

（3）经过数值模拟，结合不同形式的栅栏式防风屏的挡风效果以及防风屏自身的稳定性，可以得知栅栏式防风屏具有良好的挡风效果，并且设置3.5 m高度和30%透风率的栅栏式防风屏最经济合理。