[摘  要]：近年来，风致行车事故较多。文章以桥上行驶车辆为研究对象，首先采用CFD数值模拟的方法计算车辆气动力，然后基于静力简化的方法，计算得到车辆的行车临界风速，可以较快地对车辆的行驶安全进行评价。研究结果表明：随着风偏角增大，车辆的侧力系数、升力系数和侧翻力矩系数呈现出先增大后减小的趋势，侧翻力矩系数相对其他两项数值较小。随着车速的增大，观光巴士的侧翻临界风速逐渐减小。

[关键词]：斜风; 行车安全; 数值模拟; 静力简化

U461.1A

风致行车安全一直是国内外的研究热点，近年来，车辆在斜风作用下发生的交通事故频频报道[1]。我国高速公路发展迅速，为跨越江河湖海及山区峡谷，修建了一大批大跨度桥梁。而大跨度桥梁的海拔通常较高，易受到大风的侵袭，车辆在桥上行驶过程中容易发生危险。因此，有必要对斜风作用下桥上车辆的行驶安全进行研究，以保证旅客的人身安全。韩万水等[2-3]建立了大跨度钢桁梁风-车-桥耦合系统。王少钦等[4]计算了铁路悬索桥在列车及风荷载作用下的振动响应，并分析了响应极值的产生机理及变化规律。韩艳等[5]提出了一种可以考虑抖振力空间相关性的风-车-桥耦合振动分析方法，并将其制作成软件程序。此外，还有很多学者都对风-车-桥耦合振动进行了研究，并取得了一些研究成果[6-8]。但是這些研究通常要耗费大量的计算资源，无法对行车临界风速进行快速评价。本文以某桥上车辆为研究对象，采用CFD数值模拟计算车辆气动力，并基于静力简化的方法，可以较快速地对车辆的行驶安全进行研究。

1 工程背景

某桥梁断面为流线型箱梁形式，如图1所示，其宽32.0 m，高3.0 m。一辆观光巴士在桥上行驶，车辆高度为3.3 m，宽度为2.5 m，长度为10.4 m。为降低数值模型的建立难度，对观光巴士的外形进行了一定程度的简化，保留了车辆的主体外形，而忽略一些车辆的细部构造，简化后的车辆几何模型如图2所示。

2 车辆气动力系数

车辆气动力系数是计算行车临界风速的基础，可以通过CFD数值模拟计算出桥上车辆的气动力系数。在斜风来流作用下，对车辆行驶安全影响最大的气动力主要有侧向力FS、升力FL和侧翻力矩MR，车辆受力示意如图3所示。

车辆的气动力系数可定义为下式，其中CS、CL和CR分别代表车辆的侧力系数、升力系数和侧翻力矩系数，U0为来流风速，Af为车辆正投影面积，L为车辆的长度，ρ为空气密度，本文中取1.225 kg/m3。

CS=FS0.5ρU20Af

CL=FL0.5ρU20Af

CR=MR0.5ρU20AfL

（1）

采用ICEM软件进行网格划分，建立数值模型，整体计算区域如图4所示，其中计算域尺寸为25B×15B，其中B为主梁宽度。主梁和车辆壁面设置多层贴壁层网格，首层网格高度为0.001 m，并对附近区域网格进行加密。靠近壁面的网格尺寸足够小，可以保证了计算精度，远离壁面的网格尺寸逐渐增大，可以保证计算速度，网格总数控制在为280万左右，细部网格如图5所示。迎风侧边界设为Velocity-inlet;背风侧边界设为Pressure-outlet;上下边界设置为Symmetry;前后边界视来流风偏角而定;主梁表面和车辆表面设为Wall。选用SST k-ω湍流模型;用SIMPLEC算法解决动量方程中速度分量和压力的耦合问题;动量方程、湍动能方程及湍流耗散率方程均采用二阶离散格式。

铁路与公路王妍： 基于静力简化的斜风作用下桥上车辆行驶安全研究

计算得到0～90°风偏角来流下的车辆气动力系数如图6所示。由图6可知，车辆的气动力系数受风偏角的影响明显。随着风偏角增大，车辆的侧力系数、升力系数和侧翻力矩系数均呈现出先增大后减小的趋势，侧翻力矩系数相对其他两项，数值较小。其中在0～45°范围内，侧力系数的变化幅度很小。

3 行车临界风速

桥上车辆运动过程中同时受到风荷载、重力和摩擦力的共同作用，车辆的受力示意如图7所示。

风致行车安全事故主要为侧倾事故，主要与车辆受到的侧力、升力、侧翻力矩有关。值得注意的是，汽车在桥上行驶过程中，不仅受到自然风引起的风荷载，还有车辆运动引起的纵向风荷载，二者的叠加才为车辆受到的实际风荷载，记为Ure;相对风向角记为θ，表达式如式（2）所示。车辆受到的合成风荷载如式（3）所示。其中，U为自然风的风速，Uv为车辆行驶速度;CS（θ）、CL（θ）和CR（θ）分别为风向角为θ时的车辆侧力系数、升力系数和侧翻力矩系数，可通过多项式拟合后进行取值。

Ure=U2+U2v

θ=arctan（Uv/U）（2）

FS=12ρU2reAfCSθ

FL=12ρU2reAfCLθ

MR=12ρU2reAfLCRθ

（3）

根据D’Alembert’s原理引入惯性力将车辆运动学问题简化为静力学问题处理，则车辆的横向惯性力Fx与竖向惯性力Fy可表示为

Fx=-maxFy=-may（4）

式中：m代表车辆质量，ax和ay分别代表车辆的横向加速度和竖向加速度。

车辆受到的风荷载的作用点与桥面有一定的距离，使得车辆顶部由迎风侧向背风侧倾斜，称为总侧翻力矩，它可分为气动侧翻力矩、气动侧向力和车辆横向惯性力引起的力矩、气动升力与车辆竖向惯性力产生的力矩，如式（5）所示。而重力则产生一定的力矩与之平衡，使车辆保持安全行驶状态，称为抗侧翻力矩，如式（6）所示。当二者相等时，则处在车辆侧翻的临界状态，此时自然风风速大小则为侧翻临界风速Ur。

MR+（FS+max）hvcosφ+（FL+may）·0.5Bcosφ（5）

mg·（0.5Bcosφ+hvsinφ）

（6）

当风偏角为0°时，车辆向前方行驶，其相对风向角为正值，对图6中3种气动力系数进行多项式拟合，不同车速与风速下的气动力系数根据此公式进行取值。

经过计算，当不同车辆以不同速度行驶时，行车临界风速如图8所示。由图可知，随着车速的增大，观光巴士的侧翻临界风速逐渐减小。当车速为100 km/h时，车辆的临界风速为29.6 m/s。在极端大风天气下，可能发生危险。

4 结论

本文以斜风来流下，在桥上行驶的观光巴士为研究对象，研究了其行车安全性，得到结论：

（1）车辆的气动力系数受风偏角的影响明显。随着风偏角增大，车辆的侧力系数、升力系数和侧翻力矩系数均呈现出先增大后减小的趋势，侧翻力矩系数相对其他两项，数值较小。

（2）随着车速的增大，观光巴士的侧翻临界风速逐渐减小。当车速为100 km/h时，车辆的临界风速为29.6 m/s。在极端大风天气下，可能发生危险。

参考文献

[1] Zhu L D， Li L， Xu Y L， et al. Wind tunnel investigations of aerodynamic coefficients of road vehicles on bridge deck[J]. Journal of Fluids and Structures. 2012， 30： 35-50.

[2] 韩万水，赵越，刘焕举，等.风-车-桥耦合振动研究现状及发展趋势[J].中国公路学报，2018，31（7）：1-23.

[3] 韩万水，刘焕举，包大海，等.大跨钢桁梁悬索桥风-车-桥分析系统建立与可视化实现[J].土木工程学报，2018，51（3）：99-108.

[4] 王少钦，马骎，任艳荣，等.主跨1120 m铁路悬索桥风-车-桥耦合振动响应分析[J].铁道科学与工程学报，2017，14（6）：1241-1248.

[5] 韩艳，陈浩，刘跃飞，等.桥梁抖振力空间相关性对风-车-桥耦合动力响应的影响[J].湖南大学学报（自然科学版），2015，42（9）：82-88.

[6] 舒鹏.变高度双层钢桁结合梁风-车-桥耦合振动性能分析[J].四川建筑，2018，38（4）：134-136.

[7] 黃静文. 基于风-车-桥耦合振动的大跨度悬索桥车辆行驶安全性和舒适性研究[D].长沙：长沙理工大学，2018.

[8] 苏波，齐冠，唐诗思，等.基于CFD的风-车-桥系统耦合气动力模拟研究[J].河南科学，2017，35（5）：778-786.