大跨度公鐵兩用跨海橋梁風屏障的氣動機理及優(yōu)化研究結題摘要

本研究針對大跨度公鐵兩用跨海大橋風屏障的氣動機理，采用風洞試驗、數(shù)值模擬及理論分析的方法開展研究，主要的研究成果包括：1） 通過足尺模型風洞試驗，研究了風屏障后方的流場特性及其自身風荷載，可為日后該類風屏障的優(yōu)化設計和數(shù)值模擬提供相對標準化的參考數(shù)據(jù)；2）提出了適用于典型風屏障的CFD數(shù)值模擬方法，討論了風屏障孔型參數(shù)對其防風性能的影響，并給出了合理的參數(shù)取值；3）通過縮尺模型風洞試驗，測試了雙層橋梁上下橋面設置風屏障前后的局部流場結構，討論了風屏障對CRH2列車和公路車輛氣動力系數(shù)的影響。采用風-車-橋耦合振動分析方法，計算了公路車輛及列車的動態(tài)響應，發(fā)現(xiàn)風屏障、車速及風速對車輛動態(tài)響應影響較為明顯。4）針對公鐵兩用雙層桁架橋梁，測試了設置風屏障前后橋梁的靜力三分力系數(shù)、顫振臨界風速以及渦振響應，發(fā)現(xiàn)風屏障會導致主梁阻力系數(shù)增加，升力系數(shù)降低；風屏障會導致該類桁架橋的顫振穩(wěn)定性降低，并且在一定程度上可以作為抑制該類主梁渦振的氣動措施。5）針對分離式雙層箱梁橋，明確了雙層橋面間的氣動干擾效應，發(fā)現(xiàn)設置風屏障會增加上下橋面間的氣動干擾效應，無風屏障時，雙層橋面間隔高度僅需滿足基本建筑界限即可，設置風屏障以后，當間隔高度≥15m時，鐵路橋面風速剖面以及迎風側軌道處列車氣動力變化趨于平緩。6）針對實際工程，建立了風屏障的有限元模型，分析了列車風作用下風屏障的疲勞特性。列車風作用下，風屏障的瞬態(tài)風荷載隨距離的增加迅速減小，實際風屏障的應力幅較小。7）提出了基于NSGA-Ⅱ&DEA混合算法的高速鐵路橋梁風屏障高度多目標優(yōu)化方法。通過本研究加深了對跨海大橋風屏障氣動機理的理解，研究成果具有較為廣泛的應用前景。 2100433B

大跨度公鐵兩用跨海大橋是鐵路跨海通道中最典型的結構形式，設置風屏障是保障跨海大橋鐵路和公路車輛運營安全的重要手段之一。針對大跨度公鐵兩用跨海大橋風屏障的氣動機理，綜合考慮風屏障、公路車輛、鐵路車輛、大跨度橋梁四者間相互的氣動作用，采用風洞試驗與數(shù)值模擬相結合的方法，測試設風屏障情況下鐵路橋面和公路橋面的局部風場結構，明確風屏障對車輛和橋梁的氣動影響，探索風屏障對橋梁可能的氣動穩(wěn)定作用，發(fā)展實用的風屏障行車防風效率評價指標及評價標準。對比風屏障的形式及參數(shù)，優(yōu)化風屏障的綜合性能，揭示由列車風產(chǎn)生的風屏障瞬態(tài)風荷載的變化規(guī)律，預測風屏障的疲勞壽命。研究成果具有較廣泛的直接或間接應用前景，對實際工程有指導或借鑒意義。

風屏障的防風效果優(yōu)化研究中多數(shù)未建立優(yōu)化模型，部分基于靜止車輛氣動特性建立了近似的單變量優(yōu)化模型，但車輛運動時，在不同車速及風速條件下，風屏障對頭車、中間車及尾車的防風效果有所差異，這給優(yōu)化帶來較大困難。針對上述問題，以鐵路橋梁風屏障為例，采用移動車輛模型風洞試驗驗證設置后風屏障后車輛氣動特性的近似計算方法，明確車輛運動時風屏障防風效果優(yōu)化的統(tǒng)一指標，發(fā)展風屏障防風效果優(yōu)化的代理模型方法。在此基礎上，建立風屏障防風效果的多變量優(yōu)化模型，明確最優(yōu)的風屏障高度-透風率曲線，優(yōu)化風屏障外形。預期研究成果兼具學術意義和實用價值。

以鐵路橋梁風屏障為研究對象，采用風洞試驗和數(shù)值模擬方法，研究了風屏障的防風性能，建立了風屏障優(yōu)化模型，提出了基于自適應支持向量機的風屏障代理模型優(yōu)化方法，風屏障參數(shù)進行了優(yōu)化。主要內(nèi)容包含以下幾個方面：1）提出了三套移動車輛模型試驗方案，并制作了其中一套移動車輛模型風洞試驗裝置，從測力時程的平穩(wěn)性和試驗的可重復性等方面驗證了該裝置的可靠性。在此基礎上，考查了風屏障對運動車輛的防風效果，討論了風速、風向、風屏障高度等參數(shù)的影響。2）通過風屏障足尺節(jié)段風洞試驗，測試了在風屏障上風向和下風向的平均風剖面和湍流強度剖面，討論了風屏障開孔尺寸和開孔方式的影響。通過縮尺節(jié)段模型風洞試驗，考查了風屏障對雷諾數(shù)效應、風屏障透風率和高度的影響，分析了風屏障風荷載與車輛傾覆力矩系數(shù)間的關系。3）通過數(shù)值模擬方法研究了風屏障對高速列車周圍流場的影響，考查了風屏障小偏角條件下對運動車輛的防風效果。4）在支持向量機回歸模型中引入自適應抽樣策略，提出了基于代理模型的支持向量機參數(shù)選擇方法，建立了風屏障的優(yōu)化模型，基于風洞試驗和數(shù)值模擬，分別對風屏障的高度、透風率、外形等進行了優(yōu)化，提出基于遺傳算法和DEA多目標優(yōu)化方法。得出以下主要結論：移動車輛模型風洞試驗裝置的測力結果具有較好可重復性和穩(wěn)定性。風屏障在不同風偏角條件下對運動車輛的防風效果不一致，且存在一個最不利的風偏角，可作為風屏障優(yōu)化的指標。設置屏障后明顯改變了車輛氣動力隨風偏角的變化規(guī)律，明顯改變了車輛周圍的流場分布。斜風對移動車輛的氣動特性影響較大，但對風屏障的防風效果影響較小。風屏障對車輛的防風效果與風屏障風荷載間存在顯著的相關性，多孔式的風屏障的縮尺模型難以滿足幾何相似性，試驗結果可能偏于不安全。代理模型優(yōu)化方法可有效減少試驗樣本，得到試驗范圍內(nèi)全局最優(yōu)風屏障參數(shù)。研究成果兼具學術意義和實用價值。 2100433B