山区复杂来流作用下桥上行车安全性研究

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随着“一带一路”倡议的提出,我国西部逐渐成为经济建设的重心,交通运输网络逐渐向西部地区延伸。在我国西部地区,山区峡谷较为常见,其地形复杂多变,沟谷纵横,现有的文献与规范对山区复杂风特性的描述较少,为了确保车辆的风致行车安全性,亟需确定桥址区风特性及其对车辆风致行车安全的影响。本文采用现场实测、风洞试验等方法,对山区复杂风特性及车辆行车安全性进行了研究。首先,以现场实测为观测手段,建立了50m高的风速观测塔,观测塔10m、30m以及50m高度处分别安装了一套三维超声风速仪,基于实测数据分析了复杂山区桥位处特定点位的平均风特性和脉动风特性。研究结果表明:地形对风特性的影响不容忽视,与平坦地区有较大差异。桥址区处的风向主要受局部地形影响,与峡谷走向一致,尽管主导风向对应的风速较大,但是非主导风向对应的风速也是不可忽视的。实测风攻角符合高斯概率分布,且以负攻角为主导。此外,风攻角与风向具有较强的关联性,负攻角多出现于南风中,正攻角多出现于北风中。随着测点高度的增加,水平方向的湍流强度逐渐减小,竖向湍流强度则逐渐增大。依据实测数据,复杂山区风谱更加符合von Kármán模型。Davenport相干函数可适用于山区环境,随着距离的增大,衰减因子增大,在测点间距相同时,低空区域的衰减因子更大。其次,以某西部山区桁架桥为对象,采用现场实测的手段,分析了桥面不同位置的局部风特性,并探讨了桥面风特性与来流风之间的关系。研究结果表明:桥面附属结构会增大桥面上方的风速,且随着车道向背风侧移动,其风速增幅也逐渐增大,就风速而言,桥面风速与来流风速呈现较强的相关性。桥面上方的风向主导性显著,以东南风为主,与来流风的主导风向一致。桥面局部风场的湍流强度随着风速的增大而逐渐减小。桥面附属结构会增大桥面局部风场的湍流强度,尤其是水平方向的湍流强度。桁架桥的横桥向、纵桥向以及竖向的湍流强度比值基本在1:1.4:0.8左右波动,与现有桥梁规范有较大的差异。传统的指数分布或对数分布并不能较好地反映桥面风剖面的分布情况,桥面局部风场的风剖面更符合多项式分布。依据所拟合的多项式风剖面,计算得到了车辆高度内的等效风速及风荷载等效作用点,风荷载等效作用高度远高于车辆重心所在高度。桥面实测所得的功率谱密度函数与常用风谱存在较大差异,针对桁架桥和双幅箱梁断面,分别给出了拟合功率谱。再次,通过大比尺风洞试验,测试了风屏障参数(风屏障透风率、高度、开孔形式)对桁架桥和双幅箱梁桥桥面局部风场的影响,分析了风屏障参数对桥面局部风场的影响。研究结果表明:风屏障透风率对桥面局部风场影响显著,无论是哪种截面形式,风屏障在有效降低风屏障后方的风速的同时也会增大桥面的湍流强度。由于风屏障的透风率与栏杆并不相同且小于栏杆,栏杆后方的风速会因风屏障的安装而在一定程度上增大。总体来看,透风率越低,其防风效果越好,桥面等效风速越低。风屏障开孔形式对其防风效果的影响有限,且与主梁截面形式有关,当桥梁采用桁架形式时,圆孔型风屏障更优,当桥梁采用双幅箱梁时,条带型风屏障更优。此外,风屏障越高,防风范围越大。再次,采用大比尺风洞试验的方法,探究了路堤-路堑道路连接段和高架桥-路堑连接段的局部风场分布情况。试验结果表明:道路交界处道路形式变化复杂,道路连接段附近的气流十分紊乱,道路不同位置的风剖面差异较大;对于路堤-路堑道路连接段,不同高度处的风速由不同的道路类型主导,高度低于150mm时,道路交界处的风速主要由路堑形式主导;当高度大于150mm时,道路交界处的风速主要由路堤形式主导。对于高架桥-路堑道路连接段而言,当未安装风屏障时,道路交界处风剖面变化复杂,风速增速梯度较大,对行车安全不利,当安装风屏障之后,风屏障可以有效改善道路交界处的局部风场,降低风速的增速梯度和最大风速。最后,通过风—车—桥耦合振动分析的方法,探讨了山区复杂来流对车辆行车安全性的影响。研究结果表明:风荷载作用位置会直接影响车辆的侧滑安全性和侧倾安全性。当风荷载等效作用高度高于车辆重心时,车辆的侧滑安全指标和侧倾安全指标均会较之前有所增大,且随着路面条件的恶化,其影响更加显著。车速是影响车辆竖向响应的主要原因,风速是影响车辆横向响应的主要因素,且车辆的横向动力响应的覆盖范围随着风速的增大而扩大。考虑不同来流的影响时,可以发现不同风谱下的车辆响应是存在一定差异的。通过建立车辆整体安全评价指标,采用GA-BP组合评价模型,评价了旅行巴士和集装箱货车行车安全性。
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