强风-曲线-超高耦合下高速列车气动失稳机理与频域共振风险分析

豆天浩; 杜礼明; 王浩杰; 于德壮; 赵萌

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2507962

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (29) :12779-12790 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2507962

交通运输

强风-曲线-超高耦合下高速列车气动失稳机理与频域共振风险分析

豆天浩 ¹ ,
杜礼明 ¹^,^* ,
王浩杰 ¹ ,
于德壮 ² ,
赵萌 ¹

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Aerodynamic Instability Mechanism and Frequency-domain Resonance Risk Analysis for High-speed Trains under Strong Wind-Curve-Ultra-high Coupling

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摘要

高速铁路曲线桥梁占比超过45%,强风与曲线超高耦合易诱发列车倾覆事故。现行规范《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)仅针对直线工况,缺乏频域证据支撑。建立三车编组-10 m高架桥-150 mm超高耦合模型,采用Realizable k-ε湍流模型与UDF自定义风场,系统分析300 km/h车速下稳态横风、随机脉动风及中国帽阵风的气动响应与频谱特性。研究发现:风从曲线内侧吹来时,列车横向力较直线工况降低14.5%~15.4%,升力略增,但倾覆系数因力臂变化激增33.07%~33.54%;风从曲线外侧吹来时,横向力与升力分别增加12.6%~19.9%与10.1%~16.6%。频域分析表明:随机脉动风能量呈宽带分布0.33~8.49 Hz,主导低频累积响应;中国帽阵风能量集中于0.33~1.49 Hz,倾覆力矩主频0.83 Hz接近车-桥系统自振频率,易诱发短时共振。25 m/s风速下,中国帽阵风使倾覆系数增幅最高达33.54%,瞬态冲击效应最显著。研究结果填补了曲线-风-超高耦合频谱研究空白,为强风区动态限速设计提供了频域量化依据。

Abstract

Curved bridges account for more than 45% of high-speed railway infrastructure, where the coupled effects of strong crosswinds and curve superelevation may significantly increase the risk of train overturning. However, the current specification Code for Design of High-Speed Railway (TB 10621—2014) only covers straight-line conditions and lacks supporting evidence in the frequency domain. A coupled dynamic model consisting of a three-car train, a 10 m-high viaduct, and a 150 mm superelevation was established. The Realizable k-ε turbulence model, together with a user-defined function (UDF) wind field, was employed to simulate aerodynamic loads at a train speed of 300 km/h, and the aerodynamic responses and spectral characteristics under steady crosswinds, random pulsating winds, and China-hat gusts were systematically investigated. The results indicate that when the wind acts from the inner side of the curve, the lateral force is reduced by 14.5%-15.4% compared with that on straight tracks, while the lift force shows a slight increase; nevertheless, the overturning coefficient is significantly increased by 33.07%-33.54%, primarily due to the variation in the aerodynamic lever arm. When the wind acts from the outer side of the curve, both the lateral force and lift force are increased by 12.6%-19.9% and 10.1%-16.6%, respectively. Frequency-domain analysis reveals that the energy of random pulsating winds is distributed over a broadband range of 0.33-8.49 Hz, dominating the low-frequency cumulative response, whereas the energy of China-hat gusts is mainly concentrated within 0.33-1.49 Hz; notably, the dominant frequency of the overturning moment is observed at 0.83 Hz, which is close to the natural frequency of the train-bridge system, thereby increasing the likelihood of transient resonance. At a wind speed of 25 m/s, China-hat gusts are found to induce the largest increase in the overturning coefficient to 33.54%, demonstrating the most significant transient impact effect among the considered wind types. This study fills the gap in frequency-domain analysis of curve-wind-superelevation coupling effects and provides a quantitative basis for dynamic speed limit design of high-speed trains operating in strong wind environments.

Graphical abstract

关键词

曲线超高 / 中国帽阵风 / 随机脉动风 / 功率谱密度 / 气动共振 / 动态限速

Key words

bridge superelevation / Chinese-hat gust / random pulsating wind / power spectral density / aerodynamic resonance / dynamic speed limit

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豆天浩, 杜礼明, 王浩杰, 于德壮, 赵萌. 强风-曲线-超高耦合下高速列车气动失稳机理与频域共振风险分析[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(29): 12779-12790 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507962

DOU Tian-hao, DU Li-ming, WANG Hao-jie, YU De-zhuang, ZHAO Meng. Aerodynamic Instability Mechanism and Frequency-domain Resonance Risk Analysis for High-speed Trains under Strong Wind-Curve-Ultra-high Coupling[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(29): 12779-12790 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2507962

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截至2025年年底,中国高速铁路运营里程突破5万km^[1],建成世界规模最大的高速铁路网络。随着高铁线路不断向高风区(如戈壁、沿海及长跨桥梁区域)延伸,列车在强侧风作用下的运行安全问题日益受到关注。高速列车在桥梁曲线区段运行时,气动载荷与线路结构耦合作用更加复杂,对列车横风稳定性提出了更高要求。而现行规范《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)^[2]基于直线工况制定限速标准,未考虑曲线超高引起的车体姿态变化与气动投影面积时变效应,导致“过保守”与“欠安全”并存^[3]。尤其在中国帽阵风等瞬态风作用下,频域共振风险尚未被识别,成为智能高铁气象-线路-车辆协同控制体系中的关键盲区。因此,建立基于频谱特性的曲线段动态限速理论,既是保障大风期运营安全的迫切需求,也是完善高铁风致安全理论体系的核心科学问题。

目前国内外对曲线-风-超高耦合作用的研究鲜见诸报道^[4]。宋琛^[5]对高速列车在强横风作用下通过曲线桥梁的安全性问题进行研究,基于空气动力学和多体系统动力学,建立了高速列车空气动力学模型和车辆系统动力学模型。杜礼明等^[6]研究了风阻制动装置在紧急制动中曲线通过时的气动性能及复杂环境下的干扰机制,探究了风阻板对列车在横风与超高耦合作用下的气动干扰问题。Bai等^[7]研究了不同曲线半径下高速列车受风沙流影响的动态响应,通过选择不同曲线半径,施加风沙载荷,研究高速列车气动特性与动力学特性。张洁等^[8]分析了脉动风场下二维高速列车/桥梁气动特性,对比恒定均匀风、指数均匀风、指数脉动风对高速列车二维车-桥系统的气动特性。Wang等^[9]对下击暴流引起的风吹沙运动对高架桥列车气动特性影响进行了研究,垂直风速剖面与入口条件相结合,诱发沙体运动,应用离散相位模型(discrete phase model,DPM)分析径向距离和砂粒直径对高速列车气动特性的影响。Montenegro等^[10]针对随机产生的湍流风对列车桥梁的影响开展了研究,评估了列车桥梁系统的动态响应,分析了列车速度和风速影响。研究表明^[11-12],在不同深度路堑和风屏障等线路下,中国帽型突变风作用下的列车气动响应与横风作用下相比有明显差异。肖洋等^[13]研究了突变风作用下车-桥系统三分力非定常特性问题,以某大桥工程为背景,基于 UDF 在模型速度入口设置 6 种突变风工况,分析了不同加速度和有无初速度作用下的车-桥系统三分力及其系数演化规律。Aizpun-Navarro等^[14]以“中国帽”随机风为例研究了侧风作用下列车通过曲线时列车横向稳定性及乘客舒适性,研究表明在侧风条件下通过曲线时乘客的舒适性低,特别是头车的舒适性最差,即便各项指标系数远小于安全系数,乘客舒适性也较低。王熙文等^[15]基于Kármán理论和Davenport相干函数通过谐波合成法建立随机风数值模拟模型,推导随机风作用下高速列车非定常气动载荷的计算公式。于梦阁等^[16]发现当桥高大于等于10 m时,列车的气动载荷系数与桥梁高度基本无关。

综上所述,现有研究多基于直线工况假设^[5-6],对曲线超高引起的气动投影面积时变效应考虑不足,缺乏曲线-风-超高三元耦合的系统性研究;多数研究采用恒定横风假设,对随机脉动风、中国帽阵风等典型非定常风场的对比研究严重不足,无法反映真实风环境的复杂性和随机性;既有研究多聚焦时域气动力分析^[10-13],缺乏对非定常载荷主频-能量分布的频域研究,难以与桥梁自振特性对接,无法揭示潜在共振风险;现有规范也未考虑曲线超高-强风非线性耦合效应,导致限速标准缺乏科学依据,亟须建立基于频谱特性的量化限速准则。在实际工程中,强风作用下列车通过曲线高架桥区段时,其气动响应呈现出明显的非定常特征。不同来流方向及强风类型会引起气动力及倾覆力矩的显著差异。其中,阵风作用往往具有突发性和不稳定性,可能导致气动响应在短时间内显著增强,体现出典型的瞬态冲击特征。曲线-强风耦合作用对列车气动稳定性具有重要影响,有必要开展系统研究。

针对曲线-风-超高耦合效应及非定常风场频域特性研究不足的问题,现建立三元耦合频谱研究体系即创建“三车编组-10 m高架桥-150 mm超高”耦合模型,并在两种典型来流风向下,引入稳态横风、随机脉动风及中国帽阵风三类风型,系统分析列车气动响应及其时频特性。在曲线超高条件下同时考虑多风型及双风向工况,揭示不同来流方向对列车气动力及倾覆响应的影响差异;引入频域分析方法,系统揭示随机脉动风与中国帽阵风在能量分布及主频特征上的差异;识别中国帽阵风低频能量集中及其与车-桥系统频率接近所带来的潜在共振风险,并提出基于功率谱密度的动态限速量化方法,为高速铁路曲线区段强风运行安全评估及相关规范研究提供参考依据^[17]。

1 数值模拟设置

1.1 几何模型与计算域

列车原型参考某CRH型动车组外形,采用三编组(头、中、尾)形式。为了避免网格计算过多,对列车表面进行光滑处理,简化为光滑曲面结构的几何体,忽略车门、车窗、受电弓、转向架及其他细节结构。参考文献[18]建立高度为10 m的高架桥,由于高架桥桥墩对气动性能影响不大,故忽略桥墩的构造细节。为平衡离心力,曲线段无砟轨道采用倾斜布置。为探讨风向变化对列车气动特性影响,设置两种来风方向(风向1即曲线外侧→内侧,风向2即曲线内侧→外侧),并在每种风向下分别施加三种类型的风进行对比分析,如图1所示。

1.2 风场模型与边界条件

入口气流速度采用复合速度法进行计算,即假定列车运行速度为v_t,自然风的风速为-v_w,在列车参考系下,来流气流速度与列车运行方向相反,其速度为-v_t,对气流速度和不同类型风的风速进行矢量合成,合成风速为v_c,如图2所示。

通过UDF代码将稳态横风、随机脉动风和中国帽阵风的特征加载到Fluent中实现^[19-21]。采用编译型求解器,3种类型风的风轮廓图如图3所示,3种类型风的平均风速相同,但风速波动情况有所不同。

参照文献[22]的研究方法,建立了列车外流场的计算域及边界条件,如图4所示。为了保障涡量的充分发展,外流场建立的应该尽可能大,但为了减少计算量,同时保证计算域不影响计算结果,计算域的大小一般取长108.69H(H为车体高度),宽取38.64H,高取12.82H,列车鼻尖到速度入口距离为25.64H,车鼻距压力出口距离为82.05H,车辆背风侧距侧边界距离为25.20H,车辆迎风侧距侧边界12.39H。

1.3 计算方法

选取列车运行速度为300 km/h(马赫数小于0.3),考虑不可压缩性,空气密度为1.225 kg/m³,采用标准大气压。高速列车在横风环境下运行时,列车表面将产生复杂的三维湍流分离流动。根据空气动力学理论,当列车运行速度达到300 km/h 时,流动状态属于典型高雷诺数湍流流动。在高雷诺数条件下,列车表面会产生明显的边界层分离及尾迹涡结构,对列车横向力、升力及倾覆力矩产生重要影响。因此采用基于RANS方程的数值方法,通过湍流模型对雷诺应力项进行封闭求解。选用Realizable k-ε,标准壁面函数模型,此模型更适用于高雷诺数、强分离流动及负压涡旋等现象的模拟,与研究模型流场特性高度契合^[23]。针对速度-压力耦合,采用SIMPLE算法迭代,对流项与扩散项均使用二阶中心差分格式离散。在计算过程中先采用稳态计算方法,让风充满整个流场,稳态残差收敛后,将求解方式改为瞬态求解,时间步长0.006 s,迭代次数为20次。

选取列车通过高架桥曲线以及高架桥平直线路的相应情况进行分析。列车通过曲线的超高值公式^[24]为

(1)h=11.8$\frac{{\mathit{v}}^{2}}{\mathit{R}}$

式(1)中:h为超高;v为列车的速度;R为高架桥曲线半径。

为便于数据分析与对比,对相关物理量进行无量纲化处理,横向力系数、压力系数和倾覆力矩系数计算公式为

(2)C_y=$\frac{{\mathit{F}}_{\mathit{y}}}{0.5\mathit{\rho }{\mathit{V}}^{2}\mathit{A}}$

(3)C_P=$\frac{\mathit{P}-{\mathit{P}}_{\mathit{\infty }}}{0.5\mathit{\rho }{\mathit{V}}^{2}}$

(4)C_M=$\frac{{\mathit{F}}_{\mathit{M}}}{0.5\mathit{\rho }{\mathit{V}}^{2}\mathit{H}\mathit{A}}$

式中:F_y为横向力;F_M为倾覆力矩;P为测点处的稳态压力;P_∞为标准大气压值;ρ为空气密度;V为入口速度;A为x方向的投影面积;H为车体高度。

选择在车速300 km/h、7 000 m高架桥曲线半径条件下对不同平均风速下的不同类型风进行仿真分析,通过式(1)计算得到理论曲线超高值为152 mm,模拟时取超高值为150 mm。

《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中提出h_g和h_q(h_g为过超高允许值,h_q为欠超高允许值)如表1所示。根据规范,过超高允许值同欠超高允许值可以保持一致。根据表1,选用舒适度评价为优秀的过欠超高允许值。

网格与计算结果的相关性采用风洞实验结果进行检验。选取3种不同尺寸的粗、中、细网格,其中粗糙网格数量235万,中等网格数量395万,精细网格数量600万。由于横向力和倾覆力矩是高速列车过曲线时主要关注的内容,因此分析网格数量对头车、中间车和尾车的横向力系数的影响,如表2所示。可知,网格数量从235万增长到600万,头、中、尾车网格数量对横向力系数影响的误差均小于5%。为了进一步验证计算结果准确性,对3种不同数量的网格压力系数进行进一步比较,如图5(a)所示:3种网格数量下的表面压力系数基本一致,表明网格数量达到本文中的粗网格以上对计算结果基本无影响。为此,选择中等网格数量进行计算。

2 数值方法及验证

采用Poly-Hexcore体网格构建方法划分计算域的网格。对高速列车、高架桥进行网格加密。列车表面最小网格尺寸为30 mm,为了满足Y⁺(壁面无量纲距离,即第一层网格中心距壁面的无量纲距离)值,表面附着6层棱柱形网格,第一层高度为0.2 mm,增长率1.2,表面Y⁺值在60~80范围,符合Realizable k-ε的标准,网格划分情况如图5所示。

为验证数值模拟方法的可靠性,将计算结果与风洞实验结果进行对比分析,采用上海汽车风洞中心(SAWTC)的风洞实验数据与车体表面的数值模拟结果进行对比。风洞为开射闭环低速风洞,试验段长×宽×高为15 m×6.5 m×4.25 m,风速采用70 m/s,轴向静压梯度小于0.005 Pa/m,湍流强度小于0.5%^[25],风洞实验中列车与地面采用无相对运动。对列车进行 1/25 比例缩放,高速列车中间平面压力系数与风洞实验数据对比如图6(b)所示,可知,数值结果与风洞实验结果吻合较好,表明所采用的计算模型和方法可行。

3 计算结果及分析

基于空气动力学基本原理,列车在横风作用下将产生横向力、升力及倾覆力矩等气动力响应。不同风型及线路条件将改变列车周围流场结构,从而导致气动力变化。通过对不同风型作用下列车气动力变化规律的分析,揭示曲线线路与直线线路气动特性的差异。

3.1 时域气动力特性

3.1.1 曲线与平直线路气动力对比

针对不同线路(曲线与平直线路)车-桥系统在稳态横风、随机脉动风、中国帽阵风下的气动性进行模拟与分析。在车速300 km/h,稳态横风、随机脉动风,中国帽阵风平均风速分别为13.8、20、25 m/s的条件下,分析列车表面所受到的气动力变化情况,对比列车在迎风侧和背风侧分别受到3种风型作用时,通过曲线及直线桥梁线路的平均气动力特性。由图7(a)、图7(b)可知,当不同类型风从风向2吹来,平均风速由13.8 m/s提高到25 m/s时,列车在150 mm超高下过曲线时,其横向力明显小于列车在直线上行驶时的横向力,升力高于列车过平直线路时的升力,无论从横向力还是升力角度来看,中国帽阵风作用下列车所受气动力均达到最大值。在不同风速条件下,随机脉动风作用下的列车横向力整体高于均匀稳态横风,而升力的变化趋势与之相反。

由图7(c)、图7(d)可知,风从风向1吹来,风速由13.8 m/s提高到25 m/s时,列车在150 mm超高下过曲线时其横向力明显大于列车在平直线路上行驶时的横向力,升力也明显高于平直线路时的升力。当列车通过曲线时,中国帽阵风作用下列车的横向力最大,随机脉动风作用下列车的横向力略高于稳态横风。当列车行驶在平直线路上,随着风速提高至25 m/s,列车在随机脉动风和稳态横风作用下的横向力均高于中国帽阵风作用下的情况,其中随机脉动风作用下列车的横向力最大。列车过曲线时,当风速从13.8 m/s提高到25 m/s,随着风速提高,列车在稳态横风和随机脉动风作用下的升力逐渐大于中国帽阵风作用下的升力,其中稳态横风作用下的升力逐渐成为最大值,但与随机脉动风作用下的升力的差异仍不显著。当列车行驶在平直线路上时,3种风型对列车升力的影响差异较小,表明曲线线路与阵风的耦合对列车气动升力的影响明显。

为定量比较列车在曲线线路与平直线路条件下气动力的变化情况,对数值模拟得到的气动力结果进行统计分析,并采用相对变化率进行评价,其计算公式为

(5)η=$\frac{{\mathit{F}}_{\mathrm{c}\mathrm{u}\mathrm{r}\mathrm{v}\mathrm{e}}-{\mathit{F}}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{h}\mathrm{t}}}{{\mathit{F}}_{\mathrm{s}\mathrm{t}\mathrm{r}\mathrm{a}\mathrm{i}\mathrm{g}\mathrm{h}\mathrm{t}}}$×100%

式(5)中:F_curve为列车通过高架桥曲线线路时的气动力平均值;F_straight为列车通过平直线路时对应的气动力平均值。

当风从风向2吹来时,相对于平直线路,过曲线情况下,稳态横风作用下列车横向力降低15.4%,升力提高2.83%,随机脉动风作用下列车横向力降低15.3%,升力提高2.71%,中国帽阵风作用下列车横向力降低14.5%,升力提高4.15%。

风从风向1吹来时,相比于直线,过曲线情况下,稳态横风作用下列车横向力升高12.6%,升力升高16.5%,随机脉动风作用下列车横向力提高12.7%,升力升高16.6%,中国帽阵风作用下列车横向力提高19.9%,升力升高10.1%。中国帽阵风对列车的气动特性影响最为激烈,随机脉动风的影响大于稳态横风。

3.1.2 倾覆系数安全性分析

由图8可知,随着风速增加,列车的横向力与升力不断增大,列车在曲线/直线上的气动性差异也越来越显著,针对25 m/s风速下进行安全性阈值分析。

为了更直观对比,对数据进行无量纲化处理,根据式(4)得到倾覆系数。当风从风向2吹来时,根据式(5),相比于过直线情况,过曲线情况下,稳态横风作用下列车倾覆系数增大33.07%,随机脉动风作用下列车倾覆系数增大33.13%,中国帽阵风作用下列车倾覆系数提高33.54%。当风从风向1吹来时,相比于过直线情况,稳态横风作用下列车倾覆系数降低24.67%,随机脉动风作用下列车倾覆系数降低7.6%,中国帽阵风作用下列车倾覆系数降低18.33%。

综上所述,列车在风向2来流作用下由直线进入曲线时,其倾覆风险显著增加。此时由于车体向曲线内侧倾斜,气动力作用点与重心的空间关系发生变化,即使横向力增量有限,也会使倾覆力矩急剧上升,从而使倾覆系数显著增大。相比之下,风向1来流时车体的内倾效应能够部分抵消外侧气动力矩,倾覆风险相对较低。曲线工况下风向2来流引起的倾覆系数较直线工况平均提高约33%,而风向1来流则平均降低约17%。这说明列车在曲线区段受强风作用时的气动稳定性显著下降,应将其作为防风设计与运行限速的重点关注工况。特别是中国帽阵风虽在平均值上略低于随机脉动风,但其倾覆系数变化幅度最大,表明其瞬态风载对列车稳定性的突发影响更为显著。

3.2 流场与涡动力学机制

3.2.1 速度场演化特征

车-桥系统在不同类型阵风下气动性能的差异是由流场结构和气流的旋涡结构决定的。在平均风速25 m/s,分别选取稳态横风6 s,随机脉动风6 s,中国帽阵风1.5 s时分析三种风场下列车过桥梁曲线和桥梁直线的三维流场结构和涡量分布特征,来流与车体和桥梁相互碰撞,气流速度大幅度降低,随后分别沿着列车上、下两侧加速流动至车体顶部与底部。在列车背风侧,气流速度较高,产生较多气流涡旋,且在涡结构形成中心区域流动速度均较低。

图9为列车在3种不同类型风下的时均速度场和流线图,分别对不同风场下风从风向2吹来列车通过高架桥曲线/直线进行速度场和流线分析,其中中国帽阵风风速大于随机脉动风大于稳态横风风速。

由图9可知,列车通过高架桥曲线时,列车背风侧产生上下两个涡旋,由于中国帽阵风风速大于随机脉动风大于稳态横风,故该阵风下,列车背风侧上方涡旋对下侧涡旋抑制不足,下部涡旋扩展较为充分。因随机脉动风的风速略大于稳态横风,故在随机脉动风影响下,列车背风侧下方涡旋扩展效应大于稳态横风影响下列车背风侧涡旋的扩展效应。

对比不同类型风下列车通过高架桥曲线/直线的涡旋效应,无论是过曲线还是直线,在列车背风侧皆会产生上下两个涡旋,当列车过曲线时,列车背风侧下方的涡旋扩展效应明显好于过直线时涡旋的扩展效应。

3.2.2 涡量场耦合机制

风从风向2吹来,对平均风速25 m/s下不同风场的涡量进行分析。为辨别列车背风侧周围因超高不同所导致的涡旋分布及变化趋势,采用Q准则分析了合成风所导致的涡量^[26]。Q的大小影响涡结构的大小,Q选取150 s^-2并以压力着色。由图10可知,中国帽阵风涡量大于随机脉动风涡量大于稳态横风涡量,涡量越大,速度越大,背风侧负压越大,压差越大,列车所承受横向力越大。故中国帽阵风横向力大于随机脉动风横向力大于稳态横风横向力。

列车在直线线路上行驶时列车背风侧产生的涡量明显高于列车在曲线线路上行驶的涡量,故可知列车在直线线路上行驶时列车背风侧的速度更大,负压更大,压差更大,故列车在直线线路上行驶所受横向力大于曲线行驶所受横向力。

3.3 气动载荷频域谱特性

3.3.1 功率谱密度分布规律

王铭等^[27]采用精细化车-轨耦合模型开展列车侧风倾覆的频域特性分析,以明确侧风倾覆响应对列车模型的敏感性。随机脉动风与稳态横风在气动性分析时差异不明显,而中国帽阵风对车体的影响很大,随机脉动风和中国帽阵风在频域上效果影响显著,故主要研究这两种风型的频域特性,为分析高速列车在曲线/直线受到的非定常气动载荷的频域特性,将不同类型风对车体的气动载荷数据进行频谱分析,得到相应的功率谱密度。

其中采样样本数为501,采样频率为167 Hz,窗口函数使用汉宁窗(Hanning window)进行分析,频率区间为0~83.3 Hz,主要能量集中在0~10 Hz,呈现次声特性,不同类型风对车体造成的气动载荷功率谱密度如图11所示,针对高架桥曲线与直线工况,分别研究了随机脉动风与中国帽阵风从风向1和风向2作用时,对高速列车横向力与倾覆力矩频域特性的影响规律。

由图11(a)和图11(b)可知,当列车通过曲线/直线区段且随机脉动风自风向2吹来时,列车所受横向力的能量主要分布于0.33~8.49 Hz频率范围内;而在中国帽阵风作用下,横向力能量主要集中于0.33~1.49 Hz。对应地,随机脉动风作用下列车倾覆力矩的能量主要分布在0.33~7 Hz,而中国帽阵风作用下则集中于0.33~1.33 Hz,表明后者对列车的低频响应影响更为显著。

由图11(c)和图11(d)可见,当随机脉动风自风向1吹来时,列车过曲线或直线区段的横向力能量同样主要集中在0.33~8.49 Hz范围内;在中国帽阵风作用下,横向力能量则集中于0.33~1.49 Hz。此外,随机脉动风作用下列车倾覆力矩的能量分布于0.33~7 Hz,而中国帽阵风作用下的倾覆力矩能量仍主要集中于0.33~1.33 Hz,与风向2的分布规律基本一致。

3.3.2 主频与共振风险分析

当列车过曲线与平直线路时,随机脉动风从风向1、风向2吹来造成的列车横向力第一主频均为1 Hz,中国帽阵风作用下列车横向力的第一主频均为0.83 Hz。

随机脉动风从不同风向吹来时,列车倾覆力矩的第一主频存在一定差异。当随机脉动风分别从风向1和风向2吹来时,列车过曲线时的倾覆力矩第一主频均为1 Hz。

当列车行驶在直线区段且随机脉动风从风向2吹来时,倾覆力矩的第一主频随风速变化而不同:在风速13.8 m/s时为1.50 Hz,20 m/s时降至0.83 Hz,而在25 m/s时又回升至1 Hz。若随机脉动风从风向1吹来,列车过高架桥直线时,倾覆力矩第一主频稳定在1 Hz。

当中国帽阵风从风向2吹来时,列车过曲线或直线段的倾覆力矩第一主频均为 0.67 Hz;当从风向1吹来时,平均风速为 13.8 m/s时主频同为0.67 Hz,而当风速升至20 m/s与25 m/s时,第一主频增至0.83 Hz。

故从频域角度来看,随机脉动风的能量整体谱线分布较为平滑,能量衰减缓慢,呈现出典型的宽带特征。这表明随机脉动风对车-桥系统的气动激励具有较强的持续性和累积性,能够在较长时间尺度上诱发结构的低频响应,如车体晃动与桥梁竖弯振动等。

相比之下,中国帽阵风表现出能量集中的窄带特征,瞬态冲击强烈,对车体及桥梁的瞬时气动力和振动响应影响更为显著,容易引起受电弓、车体上部及桥梁局部结构的动态载荷突变。

综合而言,随机脉动风主要诱发持续性低频响应,对车-桥系统的疲劳累积效应更为明显;而中国帽阵风则在短时高频能量爆发阶段对系统产生强烈但短暂的气动冲击。

4 结论

(1)时域分析表明,强风-曲线-超高耦合显著改变列车气动力响应:风向2(曲线内侧风)下,横向力降低14.5%~15.4%,但倾覆系数增加33%以上;风向1(曲线外侧风)下,横向力与升力分别增加12.6%~19.9%与10.1%~16.6%,中国帽阵风影响最显著。

(2)频域分析揭示,随机脉动风能量宽带分布0.33~8.49 Hz,主导低频累积响应;中国帽阵风能量窄带集中0.33~1.49 Hz,倾覆力矩主频0.83 Hz易引发短时共振。

(3)无论从时域还是频域上进行分析,中国帽阵风对高速列车气动性影响最为显著,应将帽阵风作为曲线段限速核心工况,建立基于频谱特性的动态限速标准。

(4) 建议在列车稳定性评估中引入时间分辨气动力,在桥梁设计阶段开展超高-风载时程耦合分析,并结合实时风速监测实施动态限速;后续研究可结合车-桥模态开展风谱-结构响应频域耦合,为限速准则和安全裕度提供频谱依据。

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原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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