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原文传递公铁两用双层桥梁风屏障气动机理及优化研究

论文题名：	公铁两用双层桥梁风屏障气动机理及优化研究
关键词：	公铁两用双层桥梁;风屏障;风洞试验;气动特性;多目标优化
摘要：	随着我国交通运输网络逐渐向强风场地区延伸，风致车辆事故频发。公铁双层桥梁，由于其结构相对复杂，绕流加速效应明显，桥上车辆的行车环境将进一步恶化。在桥面设置风屏障是提高车辆行车安全性的有效措施之一，但风屏障又会改变桥梁本身的抗风性能。本文围绕公铁两用双层桥梁风屏障的气动机理及优化开展了如下研究: 　　首先，通过风屏障足尺模型风洞试验，测试了风屏障后方的流场分布特性及其自身风荷载，对比分析了风屏障开孔形式及开孔孔径对流场特性的影响，明确了不同风屏障在来流方向及竖向上的有效防风范围，通过侧向力及倾覆力矩等效原则，得到了不同风屏障后方的等效风速。进一步，提出了适用于多孔形风屏障及纵条形风屏障的数值模拟方法，基于风屏障足尺试验结果，验证了该模拟方法的可靠性。在此基础上，研究了多孔形风屏障透风率分布，纵条形风屏障障条排数和障条空间形状等孔型参数对其后方流场特性的影响，并提出了相对较优的参数取值。　　其次，将风屏障、车辆及双层桥梁作为一个系统进行了缩尺模型风洞试验，测试了双层桥梁上下桥面设置风屏障前后的局部风场，讨论了风屏障对CRH2列车和公路大货车气动力系数的影响。在此基础上，采用风-车-桥耦合振动分析方法，计算了大货车及列车的动态响应，分析了不同车道位置、风速、车速以及风屏障对车辆的行车安全性及舒适性的影响。　　再次，针对公铁两用桁架桥梁，测试了设置风屏障前后桥梁的静力三分力系数、颤振临界风速以及涡振响应，讨论了风屏障对主梁静动力气动特性的影响。针对分离式双层箱梁桥，通过对比分析单独铁路桥梁和公铁双层桥梁上轨道上方的流场特性及列车气动力，明确了双层桥面间的气动干扰效应。进一步，通过改变分离式双层桥梁的间隔高度，得到不同间隔高度下，铁路桥面流场特性和列车的气动力系数变化规律，提出了设置风屏障前后，双层桥梁间隔高度的建议值。　　最后，综合考虑车辆及桥梁的安全性，将风屏障防风效果的优化问题转化成了一个多目标优化问题，并利用NSGA-Ⅱ多目标优化算法对风屏障进行了优化，在此基础上，采用数据包络分析方法对多目标优化算法所得Pareto最优解集进行方案比选，得到了风屏障最优方案。　　结果表明:足尺模型风洞试验结果可为日后该类风屏障的优化设计和数值模拟提供相对标准化的参考数据。本文提出的适用于多孔形风屏障的二维模拟方法可较好地模拟该类风屏障。风屏障的透风率分布、障条排数及障条空间形状对其后方一定范围内的流场影响较为明显，在今后的风屏障优化设计研究中应该予以一定的重视。对双层桁架桥梁的研究结果表明，风屏障会导致车桥组合状态下，主梁阻力系数增加，升力系数降低。设置风屏障后，主梁颤振临界风速降低明显，这说明风屏障会导致该桁架桥的颤振稳定性降低;主梁的涡振响应得到了明显的抑制，这说明风屏障在一定程度上可以作为抑制该类主梁涡振的气动措施。对分离式双层箱梁桥的研究结果表明，设置风屏障会增加上下桥面间的气动干扰效应，无风屏障时，双层桥面间隔高度仅需满足基本建筑界限即可，设置风屏障以后，当间隔高度≥15m时，铁路桥面风速剖面以及迎风侧轨道处列车气动力变化趋于平缓。针对风屏障防风效果的多目标优化问题，结果表明:采用NSGA-Ⅱ&DEA混合算法对风屏障进行多目标优化是可行的，该优化设计方法为风屏障优化问题提供了一种新思路。
作者：	苏洋
专业：	桥梁与隧道工程
导师：	李永乐
授予学位：	博士
授予学位单位：	西南交通大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文