風(fēng)荷載作用下橋上車輛行駛安全研究

謝佳桃， 吳明荃

(廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣東廣州 510665)

車輛行車安全是大跨度橋梁的關(guān)鍵問題，尤其是在風(fēng)速較高的環(huán)境中。一般情況下，流線型箱梁的氣動(dòng)穩(wěn)定性較好。但是其對來流的擾動(dòng)更小，強(qiáng)風(fēng)徑直穿過橋面，將車輛置于危險(xiǎn)的風(fēng)環(huán)境中。一直以來，橋上車輛在橫風(fēng)作用下的側(cè)翻事故屢見不鮮[1]。隨著交通運(yùn)輸不斷延伸，修建的大跨度橋梁也越來越多。因此，有必要對車輛在橋上行駛過程中的安全性進(jìn)行研究。韓艷等[2-3]通過CFD數(shù)值模擬計(jì)算了車輛在不同車道上的氣動(dòng)特性，研究了車輛間相對位置對擋風(fēng)效應(yīng)的影響，并通過速度云圖進(jìn)行了機(jī)理分析。同時(shí)提出了一種風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析方法，并編寫成軟件程序。韓萬水等[4-5]建立了大跨度桁架橋風(fēng)-車-橋耦合系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了可視化分析。王少欽等[6]計(jì)算了懸索橋在列車及風(fēng)荷載作用下的振動(dòng)響應(yīng)，對車輛的響應(yīng)極值進(jìn)行了分析。此外，還有許多學(xué)者對橋上車輛行車安全進(jìn)行了研究[7-8]。本文以風(fēng)荷載作用下在橋上行駛的大貨車為研究對象，采用CFD數(shù)值模擬的方法，研究了各項(xiàng)氣動(dòng)力系數(shù)對行車安全性的影響。

1 工程背景

某橋梁斷面為扁平箱梁形式，如圖1所示，寬度為32.0m，高度為3.0m。一輛大貨車在橋上迎風(fēng)側(cè)車道行駛，車輛高度為3.78m，寬度為2.5m，長度為15.42m。為降低數(shù)值模型的建立難度，對大貨車的氣動(dòng)外形進(jìn)行了一定程度的簡化，忽略車輛的細(xì)部構(gòu)造，保留車輛的主體外形，簡化后的車輛幾何模型如圖2所示。

圖1 主梁斷面

圖2 車輛幾何模型

2 車輛氣動(dòng)力系數(shù)

在側(cè)風(fēng)作用下，影響車輛行駛安全性的氣動(dòng)力主要包括側(cè)向力FS、升力FL、阻力FD、側(cè)翻力矩MR、俯仰力矩MP和橫擺力矩MY，車輛受力示意如圖3所示。

圖3 車輛氣動(dòng)力系數(shù)

車輛的氣動(dòng)力系數(shù)可定義為下式，其中CS、CL、CR、CP和CY分別代表車輛的側(cè)力系數(shù)、升力系數(shù)、側(cè)翻力矩系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和橫擺力矩系數(shù)，U0為來流風(fēng)速，Af代表車輛正投影面積，L為車輛的長度，ρ為空氣密度，本文中取1.225kg/m3。

(1)

建立數(shù)值模型，計(jì)算區(qū)域如圖4所示，尺寸為25B×15B，其中B為加勁梁寬度。主梁和車輛壁面設(shè)置多層貼壁層網(wǎng)格，首層網(wǎng)格高度為0.001m，遠(yuǎn)離壁面的網(wǎng)格尺寸逐漸增大，網(wǎng)格總數(shù)300萬，細(xì)部網(wǎng)格如圖5所示。迎風(fēng)側(cè)邊界設(shè)為速度入口；背風(fēng)側(cè)邊界設(shè)為壓力出口；上下邊界設(shè)置為對稱邊界；前后邊界視來流風(fēng)偏角而定；主梁表面和車輛表面設(shè)為壁面。選用SSTk-ω湍流模型；用SIMPLEC算法解決動(dòng)量方程中速度分量和壓力的耦合問題；動(dòng)量方程、湍動(dòng)能方程及湍流耗散率方程均采用二階離散格式。

對車輛行車安全影響最大的氣動(dòng)力系數(shù)是CS、CL、CR，計(jì)算得到不同風(fēng)偏角來流下的車輛氣動(dòng)力系數(shù)如表1所示。

圖4 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格

圖5 壁面細(xì)部網(wǎng)格

表1 車輛氣動(dòng)力系數(shù)

3 行車臨界風(fēng)速

橋上車輛運(yùn)動(dòng)過程中同時(shí)受到風(fēng)荷載、重力和摩擦力的共同作用，車輛的受力示意如圖6所示。汽車在橋上行駛過程中，不僅受到自然風(fēng)引起的風(fēng)荷載，還有車輛運(yùn)動(dòng)引起的縱向風(fēng)荷載，二者的疊加才為車輛受到的實(shí)際風(fēng)荷載。

圖6 車輛受力示意

風(fēng)致行車安全事故主要有側(cè)翻事故與側(cè)滑事故2類。車輛受到的風(fēng)荷載的作用點(diǎn)與橋面有一定的距離，使得車輛頂部由迎風(fēng)側(cè)向背風(fēng)側(cè)傾斜，而重力則產(chǎn)生一定的力矩與之平衡，使車輛保持安全行駛狀態(tài)。對背風(fēng)側(cè)車輪與橋面的接觸點(diǎn)取矩，可得到車輛不發(fā)生側(cè)翻的條件為式(2)。

MR+(FS+max)hvcosφ+(FL+may)·0.5Bcosφ≤

mg·(0.5Bcosφ+hvsinφ)

(2)

式中：m代表車輛質(zhì)量，ax和ay分別代表車輛的橫向加速度和豎向加速度。上式左側(cè)為車輛受到的總側(cè)翻力矩，從左至右分別為氣動(dòng)側(cè)翻力矩、氣動(dòng)側(cè)向力和車輛橫向慣性力引起的力矩、氣動(dòng)升力與車輛豎向慣性力產(chǎn)生的力矩。上式右側(cè)為車輛重力產(chǎn)生的平衡力矩，稱為抗側(cè)翻力矩。當(dāng)二者相等時(shí)，則處在車輛側(cè)翻的臨界狀態(tài)，此時(shí)自然風(fēng)風(fēng)速大小則為側(cè)翻臨界風(fēng)速Ur。

車輛不發(fā)生側(cè)滑的條件為式(3)。

(FS+Fy)cosφ≤US(mg-FL-Fx)+mgsinφ

(3)

式(3)左側(cè)代表側(cè)滑力，右側(cè)代表抗側(cè)滑力，當(dāng)二者相等時(shí)，則處在車輛側(cè)滑的臨界狀態(tài)，此時(shí)自然風(fēng)風(fēng)速大小則為側(cè)滑臨界風(fēng)速Us。μs為橋面的摩擦系數(shù)，在干路面、濕路面、雪路面和冰路面條件下分別取為0.7、0.5、0.15和0.07。

進(jìn)行大貨車在以設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h行駛時(shí)車輛行駛臨界風(fēng)速的計(jì)算。圖7給出了車輛所受側(cè)翻力矩與抗側(cè)翻力矩隨風(fēng)速的變化曲線，2條曲線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為車輛側(cè)翻臨界風(fēng)速Ur。由圖7可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增大車輛受到的側(cè)翻力矩逐漸增大。而車輛的抗側(cè)翻力矩由重力提供，是一個(gè)定值，不受風(fēng)速和車速的影響。圖8給出了大貨車在不同路面狀況下所受側(cè)滑力與抗側(cè)滑力隨風(fēng)速的變化曲線，2條曲線的交點(diǎn)的橫坐標(biāo)即為車輛側(cè)滑臨界風(fēng)速Us。由圖8可以發(fā)現(xiàn)，隨著風(fēng)速的增大車輛受到的側(cè)滑力逐漸增大。當(dāng)路面狀況一定時(shí)，由于升力的變化相對重力而言很小，抗側(cè)滑力隨風(fēng)速的變化很小。對于不同條件的路面，其橋面摩擦系數(shù)μs不同，極大地影響了車輛的抗側(cè)滑力，抗側(cè)滑力隨摩擦系數(shù)的減小而顯著下降。當(dāng)路面干燥時(shí)，大貨車的抗側(cè)滑力較高，車輛側(cè)滑臨界風(fēng)速也較高；但是在冰雪路況下，大貨車的抗側(cè)滑力極低，在4～5級風(fēng)作用下便會發(fā)生側(cè)滑事故。

圖7 側(cè)翻安全分析

圖8 側(cè)滑安全分析

在不同風(fēng)攻角下，抗側(cè)翻力矩是一個(gè)定值，行車臨界風(fēng)速主要由側(cè)翻力矩控制。由式(2)可知，氣動(dòng)側(cè)力、氣動(dòng)升力與氣動(dòng)側(cè)翻力矩均對側(cè)翻力矩有一定影響。圖9給出了0°風(fēng)攻角下，各項(xiàng)氣動(dòng)力對車輛側(cè)翻力矩的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)影響車輛行駛安全的主要是氣動(dòng)側(cè)翻力矩MR與氣動(dòng)側(cè)力FS，而氣動(dòng)升力FL的影響十分有限。因此，側(cè)翻臨界風(fēng)速差異主要?dú)w結(jié)于氣動(dòng)側(cè)翻力矩系數(shù)CR的與氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)CS的差異。

圖9 各項(xiàng)氣動(dòng)力對側(cè)翻力矩的貢獻(xiàn)

圖10 各項(xiàng)氣動(dòng)力對側(cè)滑力的貢獻(xiàn)

同理由式(3)可知，影響車輛側(cè)滑臨界風(fēng)速的有氣動(dòng)側(cè)力和氣動(dòng)升力兩項(xiàng)，將不等式右側(cè)與氣動(dòng)升力有關(guān)項(xiàng)移項(xiàng)至左側(cè)，則在濕路面條件下，各項(xiàng)氣動(dòng)力對車輛側(cè)滑力的貢獻(xiàn)如圖10所示，可以發(fā)現(xiàn)影響車輛側(cè)滑安全的主要是氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)CS。

4 結(jié)論

本文以風(fēng)荷載作用下在橋上行駛的大貨車為研究對象，研究了各項(xiàng)氣動(dòng)力系數(shù)對行車安全性的影響，得到結(jié)論：

當(dāng)路面干燥時(shí)，大貨車的抗側(cè)滑力較高，車輛側(cè)滑臨界風(fēng)速也較高；但是在冰雪路況下，大貨車的抗側(cè)滑力極低，在4～5級風(fēng)作用下便會發(fā)生側(cè)滑事故。

影響車輛側(cè)翻安全的主要是氣動(dòng)側(cè)翻力矩MR與氣動(dòng)側(cè)力FS，氣動(dòng)升力FL的影響十分有限。影響車輛側(cè)滑安全的主要是氣動(dòng)側(cè)力FS。因此，行車臨界風(fēng)速主要?dú)w結(jié)于氣動(dòng)側(cè)翻力矩系數(shù)CR的與氣動(dòng)側(cè)力系數(shù)CS的差異。