大跨度公鐵兩用跨海橋梁風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理及優(yōu)化研究項(xiàng)目摘要

大跨度公鐵兩用跨海大橋是鐵路跨海通道中最典型的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)置風(fēng)屏障是保障跨海大橋鐵路和公路車輛運(yùn)營安全的重要手段之一。針對(duì)大跨度公鐵兩用跨海大橋風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理，綜合考慮風(fēng)屏障、公路車輛、鐵路車輛、大跨度橋梁四者間相互的氣動(dòng)作用，采用風(fēng)洞試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，測(cè)試設(shè)風(fēng)屏障情況下鐵路橋面和公路橋面的局部風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)，明確風(fēng)屏障對(duì)車輛和橋梁的氣動(dòng)影響，探索風(fēng)屏障對(duì)橋梁可能的氣動(dòng)穩(wěn)定作用，發(fā)展實(shí)用的風(fēng)屏障行車防風(fēng)效率評(píng)價(jià)指標(biāo)及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)比風(fēng)屏障的形式及參數(shù)，優(yōu)化風(fēng)屏障的綜合性能，揭示由列車風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)屏障瞬態(tài)風(fēng)荷載的變化規(guī)律，預(yù)測(cè)風(fēng)屏障的疲勞壽命。研究成果具有較廣泛的直接或間接應(yīng)用前景，對(duì)實(shí)際工程有指導(dǎo)或借鑒意義。

本研究針對(duì)大跨度公鐵兩用跨海大橋風(fēng)屏障的氣動(dòng)機(jī)理，采用風(fēng)洞試驗(yàn)、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(fēng)洞試驗(yàn)，研究了風(fēng)屏障后方的流場(chǎng)特性及其自身風(fēng)荷載，可為日后該類風(fēng)屏障的優(yōu)化設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬提供相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化的參考數(shù)據(jù)；2）提出了適用于典型風(fēng)屏障的CFD數(shù)值模擬方法，討論了風(fēng)屏障孔型參數(shù)對(duì)其防風(fēng)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(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了雙層橋梁上下橋面設(shè)置風(fēng)屏障前后的局部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，討論了風(fēng)屏障對(duì)CRH2列車和公路車輛氣動(dòng)力系數(shù)的影響。采用風(fēng)-車-橋耦合振動(dòng)分析方法，計(jì)算了公路車輛及列車的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)屏障、車速及風(fēng)速對(duì)車輛動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響較為明顯。4）針對(duì)公鐵兩用雙層桁架橋梁，測(cè)試了設(shè)置風(fēng)屏障前后橋梁的靜力三分力系數(shù)、顫振臨界風(fēng)速以及渦振響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)風(fēng)屏障會(huì)導(dǎo)致主梁阻力系數(shù)增加，升力系數(shù)降低；風(fēng)屏障會(huì)導(dǎo)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(dòng)措施。5）針對(duì)分離式雙層箱梁橋，明確了雙層橋面間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)設(shè)置風(fēng)屏障會(huì)增加上下橋面間的氣動(dòng)干擾效應(yīng)，無風(fēng)屏障時(shí)，雙層橋面間隔高度僅需滿足基本建筑界限即可，設(shè)置風(fēng)屏障以后，當(dāng)間隔高度≥15m時(shí)，鐵路橋面風(fēng)速剖面以及迎風(fēng)側(cè)軌道處列車氣動(dòng)力變化趨于平緩。6）針對(duì)實(shí)際工程，建立了風(fēng)屏障的有限元模型，分析了列車風(fēng)作用下風(fēng)屏障的疲勞特性。列車風(fēng)作用下，風(fēng)屏障的瞬態(tài)風(fēng)荷載隨距離的增加迅速減小，實(shí)際風(fēng)屏障的應(yīng)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(fēng)屏障高度多目標(biāo)優(yōu)化方法。通過本研究加深了對(duì)跨海大橋風(fēng)屏障氣動(dòng)機(jī)理的理解，研究成果具有較為廣泛的應(yīng)用前景。 2100433B

風(fēng)屏障的防風(fēng)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(dòng)特性建立了近似的單變量?jī)?yōu)化模型，但車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)，在不同車速及風(fēng)速條件下，風(fēng)屏障對(duì)頭車、中間車及尾車的防風(fēng)效果有所差異，這給優(yōu)化帶來較大困難。針對(duì)上述問題，以鐵路橋梁風(fēng)屏障為例，采用移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)置后風(fēng)屏障后車輛氣動(dòng)特性的近似計(jì)算方法，明確車輛運(yùn)動(dòng)時(shí)風(fēng)屏障防風(fēng)效果優(yōu)化的統(tǒng)一指標(biāo)，發(fā)展風(fēng)屏障防風(fēng)效果優(yōu)化的代理模型方法。在此基礎(chǔ)上，建立風(fēng)屏障防風(fēng)效果的多變量?jī)?yōu)化模型，明確最優(yōu)的風(fēng)屏障高度-透風(fēng)率曲線，優(yōu)化風(fēng)屏障外形。預(yù)期研究成果兼具學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。

以鐵路橋梁風(fēng)屏障為研究對(duì)象，采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法，研究了風(fēng)屏障的防風(fēng)性能，建立了風(fēng)屏障優(yōu)化模型，提出了基于自適應(yīng)支持向量機(jī)的風(fēng)屏障代理模型優(yōu)化方法，風(fēng)屏障參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。主要內(nèi)容包含以下幾個(gè)方面：1）提出了三套移動(dòng)車輛模型試驗(yàn)方案，并制作了其中一套移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)裝置，從測(cè)力時(shí)程的平穩(wěn)性和試驗(yàn)的可重復(fù)性等方面驗(yàn)證了該裝置的可靠性。在此基礎(chǔ)上，考查了風(fēng)屏障對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的防風(fēng)效果，討論了風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)屏障高度等參數(shù)的影響。2）通過風(fēng)屏障足尺節(jié)段風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了在風(fēng)屏障上風(fēng)向和下風(fēng)向的平均風(fēng)剖面和湍流強(qiáng)度剖面，討論了風(fēng)屏障開孔尺寸和開孔方式的影響。通過縮尺節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，考查了風(fēng)屏障對(duì)雷諾數(shù)效應(yīng)、風(fēng)屏障透風(fēng)率和高度的影響，分析了風(fēng)屏障風(fēng)荷載與車輛傾覆力矩系數(shù)間的關(guān)系。3）通過數(shù)值模擬方法研究了風(fēng)屏障對(duì)高速列車周圍流場(chǎng)的影響，考查了風(fēng)屏障小偏角條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的防風(fēng)效果。4）在支持向量機(jī)回歸模型中引入自適應(yīng)抽樣策略，提出了基于代理模型的支持向量機(jī)參數(shù)選擇方法，建立了風(fēng)屏障的優(yōu)化模型，基于風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分別對(duì)風(fēng)屏障的高度、透風(fēng)率、外形等進(jìn)行了優(yōu)化，提出基于遺傳算法和DEA多目標(biāo)優(yōu)化方法。得出以下主要結(jié)論：移動(dòng)車輛模型風(fēng)洞試驗(yàn)裝置的測(cè)力結(jié)果具有較好可重復(fù)性和穩(wěn)定性。風(fēng)屏障在不同風(fēng)偏角條件下對(duì)運(yùn)動(dòng)車輛的防風(fēng)效果不一致，且存在一個(gè)最不利的風(fēng)偏角，可作為風(fēng)屏障優(yōu)化的指標(biāo)。設(shè)置屏障后明顯改變了車輛氣動(dòng)力隨風(fēng)偏角的變化規(guī)律，明顯改變了車輛周圍的流場(chǎng)分布。斜風(fēng)對(duì)移動(dòng)車輛的氣動(dòng)特性影響較大，但對(duì)風(fēng)屏障的防風(fēng)效果影響較小。風(fēng)屏障對(duì)車輛的防風(fēng)效果與風(fēng)屏障風(fēng)荷載間存在顯著的相關(guān)性，多孔式的風(fēng)屏障的縮尺模型難以滿足幾何相似性，試驗(yàn)結(jié)果可能偏于不安全。代理模型優(yōu)化方法可有效減少試驗(yàn)樣本，得到試驗(yàn)范圍內(nèi)全局最優(yōu)風(fēng)屏障參數(shù)。研究成果兼具學(xué)術(shù)意義和實(shí)用價(jià)值。 2100433B