大跨度公铁两用跨海桥梁风屏障的气动机理及优化研究

本研究针对大跨度公铁两用跨海大桥风屏障的气动机理，采用风洞试验、数值模拟及理论分析的方法开展研究，主要的研究成果包括：1） 通过足尺模型风洞试验，研究了风屏障后方的流场特性及其自身风荷载，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；2）提出了适用于典型风屏障的CFD数值模拟方法，讨论了风屏障孔型参数对其防风性能的影响，并给出了合理的参数取值；3）通过缩尺模型风洞试验，测试了双层桥梁上下桥面设置风屏障前后的局部流场结构，讨论了风屏障对CRH2列车和公路车辆气动力系数的影响。采用风-车-桥耦合振动分析方法，计算了公路车辆及列车的动态响应，发现风屏障、车速及风速对车辆动态响应影响较为明显。4）针对公铁两用双层桁架桥梁，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，发现风屏障会导致主梁阻力系数增加，升力系数降低；风屏障会导致该类桁架桥的颤振稳定性降低，并且在一定程度上可以作为抑制该类主梁涡振的气动措施。5）针对分离式双层箱梁桥，明确了双层桥面间的气动干扰效应，发现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。6）针对实际工程，建立了风屏障的有限元模型，分析了列车风作用下风屏障的疲劳特性。列车风作用下，风屏障的瞬态风荷载随距离的增加迅速减小，实际风屏障的应力幅较小。7）提出了基于NSGA-Ⅱ&DEA混合算法的高速铁路桥梁风屏障高度多目标优化方法。通过本研究加深了对跨海大桥风屏障气动机理的理解，研究成果具有较为广泛的应用前景。 2100433B

大跨度公铁两用跨海大桥是铁路跨海通道中最典型的结构形式，设置风屏障是保障跨海大桥铁路和公路车辆运营安全的重要手段之一。针对大跨度公铁两用跨海大桥风屏障的气动机理，综合考虑风屏障、公路车辆、铁路车辆、大跨度桥梁四者间相互的气动作用，采用风洞试验与数值模拟相结合的方法，测试设风屏障情况下铁路桥面和公路桥面的局部风场结构，明确风屏障对车辆和桥梁的气动影响，探索风屏障对桥梁可能的气动稳定作用，发展实用的风屏障行车防风效率评价指标及评价标准。对比风屏障的形式及参数，优化风屏障的综合性能，揭示由列车风产生的风屏障瞬态风荷载的变化规律，预测风屏障的疲劳寿命。研究成果具有较广泛的直接或间接应用前景，对实际工程有指导或借鉴意义。

风屏障的防风效果优化研究中多数未建立优化模型，部分基于静止车辆气动特性建立了近似的单变量优化模型，但车辆运动时，在不同车速及风速条件下，风屏障对头车、中间车及尾车的防风效果有所差异，这给优化带来较大困难。针对上述问题，以铁路桥梁风屏障为例，采用移动车辆模型风洞试验验证设置后风屏障后车辆气动特性的近似计算方法，明确车辆运动时风屏障防风效果优化的统一指标，发展风屏障防风效果优化的代理模型方法。在此基础上，建立风屏障防风效果的多变量优化模型，明确最优的风屏障高度-透风率曲线，优化风屏障外形。预期研究成果兼具学术意义和实用价值。

以铁路桥梁风屏障为研究对象，采用风洞试验和数值模拟方法，研究了风屏障的防风性能，建立了风屏障优化模型，提出了基于自适应支持向量机的风屏障代理模型优化方法，风屏障参数进行了优化。主要内容包含以下几个方面：1）提出了三套移动车辆模型试验方案，并制作了其中一套移动车辆模型风洞试验装置，从测力时程的平稳性和试验的可重复性等方面验证了该装置的可靠性。在此基础上，考查了风屏障对运动车辆的防风效果，讨论了风速、风向、风屏障高度等参数的影响。2）通过风屏障足尺节段风洞试验，测试了在风屏障上风向和下风向的平均风剖面和湍流强度剖面，讨论了风屏障开孔尺寸和开孔方式的影响。通过缩尺节段模型风洞试验，考查了风屏障对雷诺数效应、风屏障透风率和高度的影响，分析了风屏障风荷载与车辆倾覆力矩系数间的关系。3）通过数值模拟方法研究了风屏障对高速列车周围流场的影响，考查了风屏障小偏角条件下对运动车辆的防风效果。4）在支持向量机回归模型中引入自适应抽样策略，提出了基于代理模型的支持向量机参数选择方法，建立了风屏障的优化模型，基于风洞试验和数值模拟，分别对风屏障的高度、透风率、外形等进行了优化，提出基于遗传算法和DEA多目标优化方法。得出以下主要结论：移动车辆模型风洞试验装置的测力结果具有较好可重复性和稳定性。风屏障在不同风偏角条件下对运动车辆的防风效果不一致，且存在一个最不利的风偏角，可作为风屏障优化的指标。设置屏障后明显改变了车辆气动力随风偏角的变化规律，明显改变了车辆周围的流场分布。斜风对移动车辆的气动特性影响较大，但对风屏障的防风效果影响较小。风屏障对车辆的防风效果与风屏障风荷载间存在显著的相关性，多孔式的风屏障的缩尺模型难以满足几何相似性，试验结果可能偏于不安全。代理模型优化方法可有效减少试验样本，得到试验范围内全局最优风屏障参数。研究成果兼具学术意义和实用价值。 2100433B