一
研究意义
随着我国铁路系统建设规模的不断扩大，桥梁上跨铁路的情况逐渐增多。同时，车速的不断提升使得高速列车对跨线桥梁产生的气动效应愈发显著，并可能引起较大的桥梁振动响应。本文以某跨线钢箱梁斜拉桥为工程背景，基于标准k~ε湍流模型对高速列车下穿斜拉桥时的流场模型及列车风特性进行了数值模拟研究。在此基础上，研究了不同影响因素下列车风的特性及变化规律。进一步地，以列车风为激励，讨论了合龙施工和运营状态下桥梁的振动响应。本文的研究方法和主要结论可为类似跨线桥的设计和施工提供参考。
二
研究内容
1
基本理论与模型验证
标准k~ε双方程模型由于具有高效、准确、适应性广等特点，成为目前应用最广泛的湍流模型之一。与湍流动能k、湍流耗散速率ε相对应的运动方程可以表示为：
式中：均与浮力相关，在本研究中可忽略；为空气密度，取1.225 kg/m3；ui为速度矢量，t是时间变量，xi为空间张量，μ是分子黏性，μi是黏度系数，是湍流动能增量。和是k和ε的湍流普朗特数，和是模型常数：、、
基于标准k~ε湍流模型理论，利用FLUENT软件进行数值仿真。选取某铁路站房跨线人行天桥为对象，将测量结果与仿真结果进行对比。该人行天桥总长度、桥宽、梁高分别为82m、15m和2.2m。该桥梁的数值模型和模型验证如图1所示：
(a)
(b)
图1 人行天桥模型及验证：(a)模型；(b)与Yang et al. (2015)试验对比
图2 列车模型（单位：m）
2
钢箱梁斜拉桥的气动力模型
本文研究的钢箱梁斜拉桥与现有铁路的交角约为66°，上跨10条铁路线。桥跨布置为(40+188+55) m，如图3所示。
图3 桥梁示意图（单位：m）
3
不同参数对气动力响应影响研究
本文研究了列车速度、桥下净空、车-桥相交角度对梁体表面风压和梁段升力的影响规律。图5分别为不同车速、桥下净空和相交角度情况下的升力时程曲线和头波升力正极值沿纵桥向衰减曲线。
(a)
(b)
(c)
图5 不同影响因素下的升力时程曲线和沿纵桥向的升力极值衰减曲线：(a)车速；(b)桥下净空；(c)相交角度
(a)
(b)
图6 底板风压曲线模型：(a)简化图示；(b)风压时程曲线
4
不同阶段下的桥梁动力响应
利用MIDAS/Civil软件分别建立了桥梁在施工阶段和运营阶段的有限元模型，分析桥梁在施工和运营阶段的动力响应，如图7所示。
图7 斜拉桥有限元模型：(a)悬臂阶段；(b)运营阶段
图8 合龙口及临时墩位置
（a)
(b)
(c)
图9 施工阶段不同列车速度下的动力响应：(a)振动位移；(b)振动加速度；(c)支撑反力
三
研究结论
本文基于数值模拟，针对某钢箱梁斜拉桥，研究了在列车速度、桥下净空、车-桥相交角度的影响下高速列车下穿桥梁时的气动力特征，并研究了桥梁在施工和运营阶段的动力响应。主要结论是：
（1）梁体表面风压和梁段升力极值随车速的增大而增大，随桥下净空的减小而增大。不同相交角度下，梁体两端和跨中梁段升力幅值受影响程度较小，1/4跨和3/4跨处梁段受影响较大。
（2）在施工阶段内，随着列车速度的增加和桥下净空的减小，梁体振动位移、加速度和临时墩最大反力基本呈上升趋势。随着车-桥相交角度的减小，振动位移普遍增大，但临时墩的振动加速度和最大反力的变化没有明显的趋势。
（3）建立了一种简化的风压曲线模型来指导工程实际，并总结了不同列车速度和不同桥下净空下的风压模型。
（4）在不同的影响因素下，桥梁在施工和运营阶段的动态响应基本相同。由于运营阶段的刚度更大，运营阶段梁的动力响应与施工阶段相比显著降低。且在本文所考察影响因素的取值范围内，列车气动作用引起的梁体振动不会对行人舒适性造成影响。
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知识点：高速列车下穿钢箱梁斜拉桥时的气动力特征和桥梁动力响应研究
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