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摘 要： 摘 要：介紹我國高速鐵路橋隧過渡段工程現狀，并基于國內外列車在峽谷地區的典型傾覆事故調研，討論高速鐵路橋隧過渡段峽谷風對行車安全的挑戰與風險。根據橋隧過渡段地形地貌特點和高速列車運動過程，討論高速鐵路橋隧過渡段風場結構的橫向切變效應和車體氣動荷載縱向
摘 要：介紹我國高速鐵路橋隧過渡段工程現狀，并基于國內外列車在峽谷地區的典型傾覆事故調研，討論高速鐵路橋隧過渡段峽谷風對行車安全的挑戰與風險。根據橋隧過渡段地形地貌特點和高速列車運動過程，討論高速鐵路橋隧過渡段風場結構的橫向切變效應和車體氣動荷載縱向突變效應對行車安全的不良影響。結合現有研究基礎，系統介紹高速鐵路橋隧過渡段氣動力學和行車安全分析的關鍵技術，主要包括高鐵橋隧過渡段峽谷風特征現場測試、橫風-移動車-橋隧過渡段風洞試驗、橫風-移動車-橋隧過渡段CFD模擬，以及風-車-軌-橋/隧耦合動力學分析方法等。最后基于以上分析，從峽谷分類及其風場特征、行車管控技術體系、智能防風措施及安全技術指標、峽谷風在線監測及預警預報系統等4個方面，提出高速鐵路橋隧過渡段深化研究的相關思考與建議。
關鍵詞：高速鐵路;橋隧過渡段;環境風;行車安全;防風措施
1 高鐵橋隧過渡段行車安全的挑戰與風險
1. 1 我國高鐵橋隧過渡段工程現狀
我國是多山國家，為滿足高速列車對線路高平順度的運行要求[1]，高速鐵路全線以大量橋梁與隧道的形式通過，其中武廣高鐵橋梁與隧道的全線占比約為69.2%，沿線出現多處橋梁-隧道直接相連的形式。對于西部山區，全線中的橋隧占比更加突出(見圖1)，如滬昆高鐵貴州段全線92%以上都是橋梁或隧道結構，甚至出現大范圍隧/橋交錯布置的現象。此外，正在建設的沿海高速鐵路也廣泛存在橋隧相連這一典型工程結構型式。
1. 2 行車安全的挑戰與風險
橋隧過渡段通常伴隨著幽深峽谷地形，一般位于區域性的氣流通道，表現為強烈的峽谷風，如云南下關位于山口處，是有名的“風城”，8 級以上的大風天氣超過全年天氣的三分之一[2]。山區峽谷風給列車行車安全會帶來嚴重的風險和挑戰[3]，國內外均出現過列車在峽谷地區的傾覆事故 (見圖 2)。歐洲阿爾卑斯山區鐵路橫風吹翻列車的事故次數遠高于其他地區，其中1990年2月，在瑞士Oberalpsee 附近的高路堤上，大風將一列正在停運避風的6輛編組列車吹翻，當時風速超過罕見的 56 m/s;2002 年，奧地利 Pinzgau 線的 DMU 列車在山間行駛過程中，在曲線段被大風吹翻脫軌;2003年意大利Samo地區貨物列車被大風吹翻。
基礎設施與地形耦合條件下的特殊風環境對列車繞流流場的影響不容忽視，特別是高速列車往往采用曲線線形，空氣橫向力、升力與離心力疊加導致列車翻車的可能性大大增加[4-5]，例如日本山陰縣香住—濱坂之間的余部橋，是典型的隧道-橋梁-隧道結構型式，1986年列車掉海事故[6]也是由于湍流特征顯著的強橫風作用，當時牽引機車加7輛客車在列車駛出隧道的瞬間，列車除1具轉向架之外全部從橋上墜落大海 (見圖3)，事故造成了6人喪生和6人重傷的嚴重后果。
2 橋隧過渡段風場特性
由于峽谷地形和橋梁結構物的影響，橋隧過渡段的風環境往往更加復雜，列車在橋隧段行駛過程中承受瞬間的氣動荷載突變，加之橫風環境下的風-橋和風-車耦合振動，使高速鐵路在橋隧過渡段存在重大安全隱患。Bocciolone 等[7] 為此進行了專項風洞和動模型相結合的試驗，研究結果表明：列車通過橋隧過渡段的氣動突變效應對車體安全的威脅不容忽視。近年來越來越多的證據表明，橫風對高速列車的影響更加普遍，即對于一般隧道條件地段，洞口外部的橫風也往往引起車體橫向擺動。
2. 1 峽谷地段的橫向切變風特征
風切變是指空間內任意兩點的風速風向差，主要是由大氣運動本身變化和復雜地表地形地貌2種因素組成。干線鐵路橋梁附近地貌多呈現山體和溝谷縱橫的復雜地貌特征，而橋隧過渡段則更多是坐落于陡峻山體和深切峽谷之中，區域性的大氣流動在山谷水平運動受地形的影響。在開闊地段大氣流動沿著山澗溝谷縱向流動，對于往往建設在最為狹窄處的橋隧過渡段，風速和風向可能在局部地段出現大范圍變化，表現為水平和垂直2個方向的極速切變，甚至出現垂直于巖壁的向上運動。
強烈切變風的存在會對橋梁等造成嚴重的破壞作用，甚至導致惡性交通安全事故。1970—1985 年的 16年間，至少發生過28起與低空風切變有關的飛行事故。橋隧過渡段強烈的切變風對高速列車的安全影響也不容忽視，其中：水平方向的切變風會增大輪軌傾覆和輪軌橫向接觸力等指標，甚至可能影響車體運行姿態;垂直方向的切變風則會提高輪重減載率，甚至會出現瞬間輪軌相互脫離的現象。而高速列車的傾覆系數和輪重減載率持續惡化，進而誘發高速運行的列車姿態失控。
2. 2 橋隧過渡段列車荷載的縱向突變效應
橋梁與隧道的氣動荷載環境差異顯著，其中隧道基本屬于封閉的基礎設施，列車在隧道內行駛過程中基本不受外部風環境的影響，而橋梁則處于開放式的氣動環境，受到風雨雪等各種氣象條件的影響。當列車在橋隧過渡段行駛過程中，作用于車輛的氣動荷載表現出顯著的突變特征，即表現為氣動荷載的瞬間加載(由隧道駛入橋梁)或減載(由橋梁駛入隧道)(見圖4)。
隨著列車速度的提高，該加卸載的過程更加極速，對于時速 350 km 的高速列車，作用于單節車廂的加卸載反應時間約為 0.2 s，相當于沿縱向上連續性水平氣動沖擊 (由橋梁駛入隧道運行時，可認為作用于車輛水平氣動荷載的反向加載)。
由于空氣動力學效應的影響，高速列車在隧道內行駛過程中本身存在點頭、尾車抬升和縱向蛇行等復雜氣動行為，隨著列車的水平荷載突變以及橫向切變風的影響，車體的氣動力學行為必將更加突出，甚至會出現潛在的側向傾覆風險。計算流體動力學 (CFD) 仿真表明[8-9]：列車在橋隧過渡段的氣動行為包括左右擺動、點頭、蛇行和縱向起伏等姿態，且頭車、中間車和尾車存在顯著差異。
3 高鐵橋隧過渡段列車氣動模擬與耦合動力分析
3. 1 峽谷風風場測試
3. 1. 1 測點布置
以隧道進口為起點，沿峽谷或在橋面適當位置布置測點，可采用三維超聲風速儀、二維超聲風速儀、三杯式風速儀、激光風廓線雷達、地面大氣和地氣交換自動觀測系統等設備。三維超聲風速儀可用于測量脈動時程風速，可測量0～65 m/s的風速風向數據，分辨率為 0.01 m/s，精度可達 1.5%RMS@12 m/s，采樣和輸出頻率均為32 Hz (典型高速列車的橫向振動頻率一般不超過 1 Hz，遠小于 16 Hz，滿足香農采樣定理)。不同風速監測設備可相互驗證，確保采集數據的可靠性。測試系統見圖5。
3. 1. 2 數據處理方法
由于本研究主要關注水平面上垂直線路方向上的風速分量，現指定u方向為垂直線路方向，以指向南方為正方向;w的正方向為豎直向上;v的正方向則根據右手螺旋法則來確定。可直接從超聲風速儀讀取的原始數據為：水平面上的合風速UH、合風向角θ以及豎直方向上的風速Uw。以上數據無法直接用于三維脈動風特性的研究，因此還需將水平面上的合風速UH分解成u和v 兩個方向上的分量Uu和Uv。
對于非平穩風速模型，則依據 Gramer 分解理論，將風速時間序列分解為時變趨勢成分和平穩 (或非平穩) 的零均值隨機成分。因此，順風向風速可分解為時變平均風U (t) 和零均值的脈動風u* (t)，而對水平橫風向和豎向風速也可進行類似分解。引入時變平均風的概念后，基于非平穩風速模型的各項脈動風參數計算公式相應也要做一些調整。
現有研究結果表明：地形特征對峽谷山區橋隧過渡段的平均風特性存在非常明顯的影響，在臨近峽谷壁面的隧道洞口處風場將可能產生加速效應。峽谷風的功率譜在沿線路方向上存在顯著差異性，且越靠近隧道洞口風場功率譜差異性越顯著，此外現行規范方法不能很好地預測洞口段風場特征。
3. 2 橫風-移動車-橋隧過渡段風洞試驗
以中南大學風洞試驗平臺為基礎，在12 m寬的風洞低速試驗段橫向設置動模型試驗軌道，即風洞提供橫風環境，而動模型軌道運行列車模型，同時在軌道上布置橋梁和隧道模型，實現橫風-移動車-橋隧過渡段室內試驗，其中列車加速系統可由高速同步伺服電機和彈射橡膠帶的方式提供，而減速系統由安裝于軌道內側的若干條沿縱向逐段增厚的橡膠條完成。該試驗系統最高風速為20 m/s，最高模型車速可達300 km/h，能夠真實再現高速列車通過橋隧過渡段車體的氣動效應(見圖6)。
3. 3 橫風-移動車-橋隧過渡段CFD模擬
基于現場測試得到的風場特征和相關參數，建立以 Poly-Hexcore 體網格為主的列車-隧道-橋梁 (或平地) -空氣的三維精細化CFD動網格數值模型，實現動列車條件下三維自然風場的重構，開展橫風條件下高速鐵路橋隧過渡段列車氣動荷載研究。結果表明[9]：(1) 相對于一般的隧道洞口外部橫風，列車在經過橋隧過渡段時，各節車廂的各項氣動荷載最大波動幅度均顯著增大，其中橫向力、升力、傾覆力矩、偏航力矩和點頭力矩分別增大 49.4%、69.1%、45.5%、40.1% 和 97.9%;(2) 頭車在橋隧過渡段的橫向力、氣動升力、傾覆力矩、偏航力矩和點頭力矩的變化幅度分別約等 于 橋 梁 段 相 應 值 的 6.0、 2.3、 3.3、 4.2 和 5.2 倍 ;(3) 橋隧過渡段的風場特征對隧道也有顯著影響，無論是頭車駛出隧道時還是完全運行于橋梁時，其各項氣動荷載的變化幅度以及相應的穩態值均與來流的平均風速呈強正相關關系(見圖7)。
3. 4 風-車-軌-橋/隧耦合動力學分析
在不考慮風荷載作用下，車輛激振是橋梁最主要的振動源，高速列車輪軌作用下會引起橋梁結構的振動，而橋梁的自身振動又會反饋到行駛車輛，二者相互激發和影響，表現為復雜的車-橋耦合振動。在考慮風荷載的作用下，橋上車輛處于橋梁的氣動繞流中，車輛和橋梁間有明顯的氣動相互作用，移動車輛通過橋梁作用時車輛風荷載的突變分析結果表明[10-11]：受上游列車“遮擋效應”影響時車輛的阻力系數可能為負;在強風作用下，橋梁的氣動特性隨列車的到達和離去而改變，車-橋間的相互氣動干擾和風的非平穩特性不容忽視。此外，由于橋梁和隧道的基礎條件和剛度特征存在顯著差異，列車在橋隧過渡段行駛時，車輛的振動還受到基礎設施剛度突變的影響，將使風-車-橋耦合動力分析更加復雜。
鑒于此，以列車-軌道-橋梁動力相互作用理論為基礎[12-13]，開發車-軌-橋/隧耦合動力學理論分析模型，是研究高速鐵路橋隧過渡段復雜風場環境下行車安全的主要方法，其中車-軌-橋耦合動力學分析模型可由多子系統耦合而成，車輛及其懸掛系統等效為剛體、彈簧和阻尼系統，構建多自由度的車輛動力學計算模型;軌道-橋梁和隧道結構動力學方程則基于有限元的方法進行離散，再由 Hamilton 原理構造結構的振動方程，其中軌道采用空間梁單元模擬，無砟軌道板采用板單元等效，梁體根據橋梁型式可分別采用桿單元、梁單元或板殼單元來分別模擬，隧道襯砌則采用板單元等效，然后統一構造出軌道-橋梁 (或隧道) 模型的運動方程。動態輪軌接觸關系則以非線性赫茲接觸理論和空間跡線法為基礎，考慮輪軌接觸間的動態輪廓線、法向應力和蠕滑力3項作用力;軌道不平順則通過采用經實測結果修正的軌道功率譜函數模擬。
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在此基礎上，將試驗和數值仿真得到的高速列車在橋隧過渡段作用于車體氣動的時變荷載譜與現有理論分析模型進行同步耦合，構建出風-車-軌-橋/隧結構的耦合動力學理論計算模型 (見圖 8)。通過不同基本場景條件下風-車-軌-橋/隧結構耦合動力學耦合分析，計算結果表明：車體在橋隧過渡段的車體振動加速度、輪軌接觸力、傾覆系數和輪重減載率等各項指標均出現顯著大幅增加(見圖9)。
4 思考與建議
鑒于高速鐵路橋隧過渡段風環境的復雜性及對車輛動力學指標的不良影響，且考慮當前相關分析研究的不足，提出進一步深化研究的意見和建議。
4. 1 橋隧過渡段場景模式分類方法及其環境風特征
橋隧過渡段的風環境存在縱向突變、橫向切變和列車風耦合作用，并受溝谷條件 (寬度、高度和縱向分布形態)、谷底地貌 (水面、旱地、林木等)、基礎設施條件 (橋梁類型、梁體斷面尺度、隧道洞口緩沖結構型式) 等多因素的影響。因此，有必要開展針對性的現場測試研究，從風場結構的角度確定橋隧過渡段的縱向影響距離、不同場景模式下風場特征曲線，并在此基礎上歸納整理出高速鐵路橋隧過渡段的典型場景模式，并構建不同場景模式環境風的基本特征。
4. 2 橋隧過渡段安全舒適行車管控技術體系
針對高速鐵路橋隧過渡段的不同場景模式，研究列車高速通過條件下車體振動響應和輪軌接觸相互作用，分別基于車輛的振動舒適性和行車安全性指標，反演出車輛舒適和行車安全2種約束條件下高速鐵路的最高運行速度及其對應的安全風速，建立橋隧過渡段不同運行場景下的安全特征風曲線和舒適性特征風曲線，建立高速列車橋隧過渡段的安全舒適行車管控技術體系，確保高速列車在橋隧過渡段運行的舒適性和安全性。
4. 3 橋隧過渡段突變風智能防風措施及安全技術指標
結合橋隧過渡段的地形場景模式及其風場特征，通過風洞試驗和數值仿真等手段，研究不同防風方法和防風參數等對橫向切變風的影響，提出橋隧過渡段切變風的防風設計方法。以作用于車體氣動荷載縱向突變效應為分析對象，通過沿橋梁縱向不同防風措施優化對比的方式，提出橋隧過渡段縱向突變風的智能防風設計方法。同時，通過氣固耦合的分析和試驗研究，提出各智能防風措施對應的錨固方法和安全技術指標。
4. 4 橋隧過渡段環境風在線監測及預警預報系統
在以上研究基礎上，提出高速鐵路橋隧過渡段環境風監測方法，包括側帶布置方式、監測儀器和技術指標，并對大風時間序列的自適應學習，確定大風的報警關聯性判別準則，建立高速鐵路橋隧過渡段預警預報系統等。——論文作者：何旭輝1，2，3 ， 楊偉超1，2，3
參考文獻
[1]盧春房 . 中國高速鐵路[M]. 北京：中國鐵道出版社，2017.
[2]徐洪濤 . 山區峽谷風特性參數及大跨度桁梁橋風致振動研究[D]. 成都：西南交通大學，2009.
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