作用在车桥系统上风荷载的风洞试验研究

1、文章编号:025822724(20010620612205作用在车2桥系统上风荷载的风洞试验研究3葛玉梅1,李永乐2,何向东2(1.西南交通大学应用力学与工程系,四川成都610031;2.西南交通大学土木工程学院,四川成都610031摘要:以芜湖长江大桥及高速列车为例,对车2桥系统进行了节段模型风洞试验研究。通过试验确定了桥上有车时,桥本身的气动力参数,以及列车在桥上时,列车本身的气动力参数,用计算机模拟了列车与桥梁所受的风荷载。所得的风荷载加到车2桥系统动力学方程中,可以计算风荷载对车2桥系统的动力作用。关键词:风洞试验;车辆;桥梁;脉动风荷载中图分类号:U441.2;TU311.3文献标识

2、码:AStudy on Wind 2Induced Loadsof T rain 2Bridge System by Wind Tunnel T estGE Y u 2mei 1,L I Yong 2le 2,H E Xiang 2dong 2(1.Dept.of Appl.Mechanics and Eng.,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China ;2.School of Civil Eng.,S outhwest Jiaotong University ,Chengdu 610031,China Abstract :The

3、 aerodynamic parameters of Wuhu Bridge over the Yangtze River and a high speed running on it were measured respectively by wind tunnel tests.The natural wind loads acting on the train and the bridge were simulated.The calculated wind loads are added into the dynamic equations of train and bridge to

4、calculate dynamic effects of wind loads on train and bridge.K ey w ords :wind tunnel tests ;vehicles ;bridges ;fluctuating wind load研究风荷载对车2桥系统的作用主要是为了分析列车在桥上运行的安全性、旅客乘座舒适度等问题,从而使设计者全面估算风对列车和桥梁的影响。在分析中需要确定作用在列车和桥梁上的风荷载,即将风速数据结合由风洞试验所得气动力参数(三分力系数转换为作用力与力矩的数据;模拟出车2桥系统所受的风荷载,从而计算出车2桥系统由于风荷载及轨道不平顺等产生的动力

5、响应。风荷载包括作用在顺着平均气流方向的推力(“阻力”及垂直作用于平均气流方向的升力(横风向力。一般而言,总的风力的作用点、结构的弹性中心及质量中心不重合,因此结构也受到横桥向力矩的作用。即使处在对称气流中的对称结构也是如此,因为脉动风的随机性使瞬时气流流动在通常情况下是不对称的1。文中以芜湖长江大桥及高速列车为例,对车2桥系统进行了风洞试验研究。通过风洞试验测定了桥上列车的和桥上有车时桥的三分力系数(阻力系数、升力系数和力矩系数,其中包含了车与桥梁对风场的相互影响,在考虑风速(风压脉动的情况下,模拟了作用在车和桥上各自的3个气动力(阻力、升力和力矩。此项试验对于在车2桥耦合振动分析中准确考虑

6、风的影响具有重要作用,在笔者所见的文献中尚未见有相关报导。收稿日期:2001206201作者简介:葛玉梅(1965-,女,副教授,硕士.3参加本试验的还有西南交通大学风工程中心的徐义国、谢淑琼等.第36卷第6期2001年12月西南交通大学学报J OU RNAL OF SOU THWEST J IAO TON G UN IV ERSIT YVol.36No.6Dec.20011试验方案1.1试验模型及装备芜湖长江大桥由铁道部大桥工程局勘测设计院设计,是我国第一座公铁两用斜拉桥。该桥公路桥面宽21.9m ,铁路桥面宽12.5m ,为双线铁路明桥面,跨度672m ,主梁采用钢桁梁,桁高13.5m ,

7、桁架间距12.5m ,节间长12m 。桥塔及公路桥面均为钢筋混凝土结构。根据已有的研究结果可知,列车中间各节车厢所受空气动力是基本相同的,可将列车简化为几节车编组进行试验。车2桥系统风洞试验的节段模型采用147的几何缩尺比,桥梁主梁节段模型长L b =2.1m ,宽B b =0.466m (指桥面板宽,高H b =0.287m 。列车节段模型长L t =2.0m ,宽B t =0.065m ,高H t =0.079m 。模型为木制,表面涂有油漆。在几何相似方面,除模拟了主梁的主要构件之外,对节点板、钢轨等细节也做了模拟。桥梁模型含有栏杆(透风率为60%。试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业

8、风洞(XNJD -1第二试验段中进行。1.2试验方法与数据处理(1试验方法。根据已有的研究资料,强风时风的倾角往往很小2,而重点考虑的正是强风下的车2桥耦合振动,因此本试验中,模型与来流之间的有效攻角在-3°3°之间变化。试验设计了5种工况(见表1,每种工况下试验风速为10m/s ,15m/s ,20m/s ,25m/s 和30m/s ,以检查Re 的影响。试验攻角=-3°,0°,+3°。在均匀流条件下测量静力三分力系数。表1车2桥系统风洞试验的5种工况工况测试对象连接方式备注1主梁主梁形心与测力天平相联2列车列车与测力天平相联3车2桥系统中的

9、主梁主梁形心与测力天平相联列车与侧壁支撑相联列车在迎风侧桁架处轨道上4车2桥系统中的列车列车与测力天平相联主梁与侧壁支撑相联列车在迎风侧桁架处轨道上5车2桥系统整体列车连在主梁上主梁形心与测力天平相联列车在迎风侧桁架处轨道上(2数据处理。作用于模型上的静力三分力按所取坐标系不同,有两种表示方法,即按体轴坐标系(坐标系沿截面形心主轴建立表示和按风轴坐标系(坐标系沿风向建立表示。为了方便使用,按两种表示方法给出静力三分力系数数据列表3。风轴坐标系的静力三分力系数按下式定义:阻力系数C D (=2F D (U 2HL升力系数C L (=2F L (U 2BL力矩系数C M (=2M Z (U 2B

10、2L式中:(U 2/2为气流动压;H ,B 和L 分别为桥梁(或列车节段模型的高度、宽度和长度(上述工况5中的H ,B 和L 为桥梁节段模型的尺寸;F D (,F L (和M Z (分别为攻角情况下采用风轴坐标系时的阻力、升力和俯仰力矩。将上式中F D (和F L (分别换成体轴坐标系下的阻力F H (和升力F V (,得体轴坐标系时的阻316第6期葛玉梅等:作用在车2桥系统上风荷载的风洞试验研究力系数C H(和升力系数C V(的计算式。两种坐标下的C M(相同。2试验结果分析试验所得数据见下列表2表5,由于篇幅所限只列出部分试验数据。表2桥梁主梁静力三分力系数(工况1攻角/(°风速

11、/(m/sC DC D的均值C LC L的均值C MC M的均值C HC H的均值C VC V的均值-310152025301.22151.13481.14961.10231.06311.13710.12510.15330.16670.16900.17690.1580.13100.13770.13190.12400.11940.1291.20921.12031.13381.08641.04661.1190.16430.18970.20350.20430.21090.195010152025301.16321.09741.12461.06631.01961.09400.47570.42250.4

12、4100.41030.41690.4330.15900.15690.14940.13740.12490.1461.16321.09741.12461.06631.01961.0940.47570.42250.44100.41030.41690.433310152025301.14401.08161.10491.04731.00761.09700.52430.51240.52410.49300.45530.5020.12520.12110.11980.11630.10610.1181.18691.12371.14791.08771.04491.1180.48670.47690.48770.458

13、60.42220.466表3车2桥系统中主梁的静力三分力系数(工况3攻角/(°风速/(m/sC DC D的均值C LC L的均值C MC M的均值C HC H的均值C VC V的均值-310152025301.25581.17841.22421.07241.03291.1330.98180.79160.68540.59700.53550.7180.02190.10760.16600.16690.16430.1251.25581.17841.12421.07241.03291.1330.98160.79160.68540.59700.53550.718010152025301.0548

14、1.04981.04191.02831.00611.0360.69060.66820.64600.59490.53170.6260.09590.08940.12010.13400.12460.1131.05481.04981.04191.02831.00611.0360.69060.66820.64600.59490.53170.626310152025301.12081.06821.04941.01401.00431.0510.59970.55560.54340.47990.44500.5250.00650.07110.11500.12650.13220.0901.12081.06821.0

15、4941.01401.00431.0510.59970.55560.54340.47990.44500.525表4工况2及工况4列车的三分力系数对比(各种风速的均值攻角/(°C D C L C M C H C V2424242424-31.1331.1220.5740.7400.1960.7281.1061.0870.6450.810 01.1321.4660.4950.7070.7950.7081.1321.4660.4830.707 31.1781.5290.1580.8330.4030.7671.1831.5630.0830.735416西南交通大学学报第36卷表5风速u p

16、=30m/s 时工况15的三分力系数对比攻角/(°C DC LC M123451234512345-31.0630.8781.0331.0391.3270.1770.5590.5360.8910.6580.1200.4460.1640.7370.16501.0200.8051.0061.2821.3120.4170.6220.5320.9900.7250.1250.5910.1250.8250.14131.0080.4841.0041.3571.3220.4550.4250.4450.9450.6430.1060.5300.1320.8080.123从上述结果看,主梁在各风速下的三分

17、力系数值较接近,说明粘性参数对主梁影响不大。列车由于是流线型,其阻力系数随风速的变化较明显。此外,车在桥上时,车所受的力增大了,说明车在桥上时,流场的改变影响了列车所受风荷载。车在桥上时桥的阻力系数及力矩系数比桥上无车时的小,而桥上有车时的升力系数比桥上无车时的大。在强风下,例如u p =30m/s 时,各种工况的C D 变化不大。3作用在列车和桥梁上的脉动风荷载对于由自然风引起的风荷载,可以假设风速脉动量u ,v 和w 的平方及相互乘积相对于平均风速u p的平方可以略去不计,且在所关心的频率范围内,三分力系数与频率无关。这样,风荷载可表示成准定常的形式,即升力、阻力和力矩按下列各式计算。考虑

18、风速沿桥横向的脉动特性,不考虑风速沿桥纵向的跨向相关特性,并忽略沿桥纵向的脉动风及气动导纳的影响。作用于每节车车体迎风面形心处的脉动力为4L T (t =12u 2p B T L T C L T (02u (x ,t u p +C L T (0+L T H T B T C D T (0v (x ,t u pD T (t =12u 2p L T H T C D T (02u (x ,t u p M T (t =12u 2p B T L T C M T (0+L T H T B 2TC D T (0r 2u (x ,t u p +C M T (0v (x ,t u p (1作用于主梁迎风面形心处沿

19、桥纵向单位长度的脉动力为L B (t =12u 2p B B C LB (02u (x ,t u p +C LB (0+A B B C DB (0v (x ,t u p D B (t =12u 2p H B C DB (02u (x ,t u p M B (t =12u 2p B 2BC MB (0+A B 2B C DB(0r 2u (x ,t u p +C MB (0v (x ,t u p (2图1列车在桥上时每节车所受的升力式中:A 为在垂直于平均风速u 平面上的单位长度横风向投影面积;u (x ,t 和v (x ,t 分别为沿桥横向和竖向的脉动风速;r 为截面质量中心到转动中心的距离;0为风的平均攻角。C L (0和C M (0为攻角0处升力曲线及力矩曲线的斜率。若不考虑沿x 向(桥纵向风速的相关性,则上式中u (x