超高速列车通过跨线天桥时列车风致效应分析

郑修凯

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

高速列车具有快速、安全、舒适、环保等优势，已成为轨道交通发展的必然趋势。列车高速通过邻近结构时会出现危及行车安全、降低旅客舒适度和恶化周围环境等问题。在我国，时速300 公里的线路已广泛运营，部分线路速度恢复到350 公里，400 公里及以上的超高速铁路也正在研究，高速铁路已经形成我国铁路运输网络中的重要一环，而且是发展最活跃的一环。

近年来，我国已对轨道层结构以及站房主体结构在车致振动下的响应进行了卓有成效的研究，但对于结构刚度较小，对振动激励更为敏感的雨棚、天桥等结构在高铁正线通过时的振动响应研究比较欠缺，因而对此进行研究是十分必要且迫切的。本文结合我国高速列车实际情况，基于计算流体力学软件Fluent，数值模拟列车以400、450、500km/h 三种车速通过，研究跨线天桥表面列车风压分布规律。

1 数值模拟计算

1.1 计算原理

列车周围的空气流动受物理守恒定律支配，基本的守恒定律包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律。列车周围空气流动处于湍流状态，因此，还要满足附加的湍流输运方程。基本控制方程详见文献。

1.2 计算模型

以某火车站跨线天桥为原型建立计算模型，天桥模型的长为82m、宽为15m、高8m，分层次分区域进行网格划分，整体计算模型如图1 所示。

1.3 测点布置

天桥表面合计布置63 个测点。迎风面沿高度共12 个测点；沿垂轨向共11 个测点。背风面与迎风面相同。底面沿顺轨向共7 个测点；中部沿垂轨向共11 个测点。

图1 整体计算模型

图2 实测风压与数值模拟结果对比图

2 数值模拟验证

图2 为同一测点的数值模拟结果与实测数据对比图，从图中可以看出，天桥表面列车风的时程曲线基本重合，变化规律基本一致，验证了数值模拟的可靠性。

3 数值模拟结果及分析

3.1 迎风面沿竖向风压分布

列车以不同速度经过时，各测点的风压极值分布曲线如图3 所示。由图可以看出，不同车速沿竖向列车风压极值变化规律基本一致，风压极值随车速的增高而增大。车速为400、450、500km/h 时，正压极值分别为417.2、535.4、680.6Pa，负压极值分别为-748、-972.8、-1228.1Pa，负压高于正压，风吸作用更大。列车风压极值沿竖向基本呈线性衰减，顶部正压约为底部的37.5%，负压约为底部的31%。

图3 迎风面沿竖向风压极值分布曲线

3.2 迎风面沿垂轨向风压分布

列车以不同速度经过时，各测点风压极值分布曲线如图4 所示。由图可以看出，列车中间位置风压极值最大，随后风压极值向两侧逐渐衰减。两侧在距离中间15m 范围内极具衰减，距离中间15m 处的正压极值约为中间的15%，负压极值约为中间的11%，衰减速度负压比正压更迅速；两侧距离中间15m 以外的风压衰减逐渐变缓，风压极值较小，列车风的影响较小。

图4 迎风面沿垂轨向风压极值分布曲线

3.3 背风面沿竖向风压分布

列车以不同速度经过时，各测点风压极值分布曲线如图5 所示。由图可以看出，不同车速沿竖向列车风压极值变化规律基本一致，风压极值随车速的增高而增大。车速为400、450、500km/h 时，正压极值分别为311.5、405、519.7Pa，负压极值分别为-580.8、-769.5、-972.1Pa，负压高于正压，风吸作用更大。列车风压极值沿竖向基本呈线性衰减，顶部正压约为底部的53%，负压约为底部的34.5%。

图5 背风面沿竖向风压极值分布曲线

3.4 背风面沿垂轨向风压分布

列车以不同速度经过时各测点风压极值分布曲线如图6所示。由图可以看出，列车中间位置风压极值最大，随后风压极值向两侧逐渐衰减。两侧在距离中间15m 范围内极具衰减，距离中间15m 处的正压极值约为中间的31%，负压极值约为中间的12%，衰减速度负压比正压更迅速；两侧距离中间15m 以外的风压衰减逐渐变缓，风压极值较小，列车风的影响较小。

图6 背风面沿垂轨向风压极值分布曲线

3.5 天桥底面沿顺轨向风压分布

列车以不同速度经过时，各测点风压极值分布曲线如图7所示。

图7 天桥底面沿顺轨向风压极值分布曲线

由图可以看出，距离天桥驶入端4m 处出现正压最大值，天桥驶出端出现负压最大值。列车以400、450、500km/h 通过时，正压最大值分别为1186.5、1529.8、1923.2Pa，负压最大值分别为-1570.5、-2074、-2642.8Pa，列车气动效应显著。

3.6 天桥底面沿垂轨向风压分布

列车以不同速度经过时，各测点风压极值分布曲线如图8 所示。由图可以看出，列车中间位置风压极值最大，随后，风压极值向两侧逐渐衰减。两侧在距离中间15m 范围内极具衰减，距离中间15m 处的正压极值约为中间的13.5%，负压极值约为中间的22%，衰减速度负压比正压更迅速；两侧距离中间15m 以外的风压衰减逐渐变缓，风压极值较小，列车风的影响较小。

图8 天桥底面沿垂轨向风压极值分布曲线

4 结语

本文结合我国高速列车实际情况，基于计算流体力学软件Fluent，数值模拟列车以400、450、500km/h 三种车速通过，对跨线天桥表面列车风压分布进行研究，主要结论如下：

（1）天桥底面受到的列车风致影响最显著、风压极值最大，迎风面次之，背风面最小。

（2）天桥表面负压大于正压，风吸影响大于风压；迎风面、背风面沿高度方向风压极值逐渐递减，顶部正压极值为底部的37.5%、51%；顶部的负压极值为底部的31%、34%。

（3）天桥底面最大正压出现在距离驶入端4m 处，最大负压出现在驶出端。

（4）天桥表面列车风压从正线上方向两侧逐渐递减，列车风的主要影响范围为正线两侧各15m。