一研究意义随着我国铁路系统建设规模的不断扩大，桥梁上跨铁路的情况逐渐增多。同时，车速的不断提升使得高速列车对跨线桥梁产生的气动效应愈发显著，并可能引起较大的桥梁振动响应。本文以某跨线钢箱梁斜拉桥为工程背景，基于标准

一

研究意义

随着我国铁路系统建设规模的不断扩大，桥梁上跨铁路的情况逐渐增多。同时，车速的不断提升使得高速列车对跨线桥梁产生的气动效应愈发显著，并可能引起较大的桥梁振动响应。本文以某跨线钢箱梁斜拉桥为工程背景，基于标准k~ε湍流模型对高速列车下穿斜拉桥时的流场模型及列车风特性进行了数值模拟研究。在此基础上，研究了不同影响因素下列车风的特性及变化规律。进一步地，以列车风为激励，讨论了合龙施工和运营状态下桥梁的振动响应。本文的研究方法和主要结论可为类似跨线桥的设计和施工提供参考。

二

研究内容

基本理论与模型验证

标准k~ε双方程模型由于具有高效、准确、适应性广等特点，成为目前应用最广泛的湍流模型之一。与湍流动能k、湍流耗散速率ε相对应的运动方程可以表示为：

式中：均与浮力相关，在本研究中可忽略；为空气密度，取1.225 kg/m3；ui为速度矢量，t是时间变量，xi为空间张量，μ是分子黏性，μi是黏度系数，是湍流动能增量。和是k和ε的湍流普朗特数，和是模型常数：、、

基于标准k~ε湍流模型理论，利用FLUENT软件进行数值仿真。选取某铁路站房跨线人行天桥为对象，将测量结果与仿真结果进行对比。该人行天桥总长度、桥宽、梁高分别为82m、15m和2.2m。该桥梁的数值模型和模型验证如图1所示：

(a)

(b)

图1 人行天桥模型及验证：(a)模型；(b)与Yang et al. (2015)试验对比

本文采用8节编组的CRH380列车进行列车风压数值模拟，如图2所示：

图2 列车模型（单位：m）

通过图1b风压对比可以发现，数值模拟和实测的列车风压时程基本一致，但模拟结果相对平稳。这是因为模拟结果只给出平均风压而不是波动风压。模拟的“头波”和“尾波”极值与测量值之间的绝对差值分别小于10Pa和3Pa，模拟误差约为10%，均处于工程上可接受的范围内。

钢箱梁斜拉桥的气动力模型

本文研究的钢箱梁斜拉桥与现有铁路的交角约为66°，上跨10条铁路线。桥跨布置为(40+188+55) m，如图3所示。

图3 桥梁示意图（单位：m）

采用了与前述相同的列车模型和建模参数，建立的流场模型如图4所示。

图4 流场模型（单位：m）

不同参数对气动力响应影响研究

本文研究了列车速度、桥下净空、车-桥相交角度对梁体表面风压和梁段升力的影响规律。图5分别为不同车速、桥下净空和相交角度情况下的升力时程曲线和头波升力正极值沿纵桥向衰减曲线。

(a)

(b)

(c)

图5 不同影响因素下的升力时程曲线和沿纵桥向的升力极值衰减曲线：(a)车速；(b)桥下净空；(c)相交角度

随着车速的增加，头尾波间的时间差和头尾波各正负压极值时间差均急剧缩短。在不同车速下，沿纵桥向升力极值的衰减规律基本不变，随着距离的增大而减小。车速越快，升力极值沿纵桥向衰减越快。在不同的桥下净空下，梁段的升力时程曲线及极值出现时间基本一致。但随着桥下净空减小，极值迅速增大。在不同的桥下净空下，沿纵桥向升力极值的衰减规律基本不变，极值随着桥下净空的减小而增大。相交角度的变化对升力时程曲线和极值影响不大，但在不同相交角度下，梁体两端和跨中梁段升力极值受相交角度变化影响较小，1/4跨和3/4跨处梁段受影响较大。

为了指导工程实际，以箱梁底板为例，将作用在底板上的风压曲线进行简化，如图6所示。本文求解了不同影响因素下图6(a)中风压曲线的具体数值，可用于实际工程中开展简化分析。

(a)

(b)

图6 底板风压曲线模型：(a)简化图示；(b)风压时程曲线

不同阶段下的桥梁动力响应

利用MIDAS/Civil软件分别建立了桥梁在施工阶段和运营阶段的有限元模型，分析桥梁在施工和运营阶段的动力响应，如图7所示。

图7 斜拉桥有限元模型：(a)悬臂阶段；(b)运营阶段

该桥的转体施工计划在“天窗”时间进行。转体完成后，主跨由临时墩支撑，临时墩位置如图8所示。

图8 合龙口及临时墩位置

图9显示了在施工阶段不同列车速度下的桥梁动力响应。除个别速度外，随着列车速度的增加，合龙口的梁体振动位移、加速度和临时墩反力的最大值基本呈上升趋势。论文中还讨论了不同桥下净空、车-桥相交角度情况下的桥梁动力响应。

（a)

(b)

(c)

图9 施工阶段不同列车速度下的动力响应：(a)振动位移；(b)振动加速度；(c)支撑反力

在运营阶段，列车速度、桥下净空和车-桥相交角度对梁体振动位移和振动加速度影响规律与施工阶段基本相同。相比施工阶段而言，运营阶段梁体位移和加速度更小，主要是因为全桥约束更强、整体刚度更大。且在本文所考察影响因素取值范围内，梁体竖向加速度均小于0.50m/s2，列车气动作用引起的梁体振动不会对行人舒适性造成影响。

三

研究结论

本文基于数值模拟，针对某钢箱梁斜拉桥，研究了在列车速度、桥下净空、车-桥相交角度的影响下高速列车下穿桥梁时的气动力特征，并研究了桥梁在施工和运营阶段的动力响应。主要结论是：

（1）梁体表面风压和梁段升力极值随车速的增大而增大，随桥下净空的减小而增大。不同相交角度下，梁体两端和跨中梁段升力幅值受影响程度较小，1/4跨和3/4跨处梁段受影响较大。

（2）在施工阶段内，随着列车速度的增加和桥下净空的减小，梁体振动位移、加速度和临时墩最大反力基本呈上升趋势。随着车-桥相交角度的减小，振动位移普遍增大，但临时墩的振动加速度和最大反力的变化没有明显的趋势。

（3）建立了一种简化的风压曲线模型来指导工程实际，并总结了不同列车速度和不同桥下净空下的风压模型。

（4）在不同的影响因素下，桥梁在施工和运营阶段的动态响应基本相同。由于运营阶段的刚度更大，运营阶段梁的动力响应与施工阶段相比显著降低。且在本文所考察影响因素的取值范围内，列车气动作用引起的梁体振动不会对行人舒适性造成影响。

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知识点：高速列车下穿钢箱梁斜拉桥时的气动力特征和桥梁动力响应研究