桥上风传感器安装方式对测量结果的影响.pdf

第 63 卷 第 7 期2023 年7 月铁道建筑Railway EngineeringVol.63 No.7July 2023文章编号：10031995（2023）07008405桥上风传感器安装方式对测量结果的影响王友彪1 李红梅1 王胡鹏2 宣言1 孙文韬11.中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道科学技术研究发展中心，北京 100081；2.中铁大桥科学研究院有限公司，武汉 430034摘要 风传感器所附着的结构对其周围流场产生扰动，导致不同安装方式的风传感器测量结果存在区别。基于雷诺平均方法和k湍流模型，采用计算流体力学方法对桥上不同风传感器安装方式产生的测量结果进行仿真分析研究。风传感器的安装方式包括水平外伸、边缘竖直、接触网柱三种，采用这三种方式分别在上下游安装，共计形成6个风测点，风速变化范围为10 30 m/s，风攻角变化范围为-5 5，通过改变外伸长度或安装高度来调整安装位置。结果表明：三种风传感器安装方式测量结果均会受桥梁结构的影响，位于尾流区的风传感器受影响较大，不能真实反映来流风速；风速对测点风速与来流风速之比影响不大，正风攻角下位于下游侧的传感器实测风速会大幅减小。关键词 铁路桥梁；高速铁路；风传感器；数值模拟；安装方式中图分类号 U448.13 文献标识码 A DOI：10.3969/j.issn.10031995.2023.07.16引用格式：王友彪，李红梅，王胡鹏，等.桥上风传感器安装方式对测量结果的影响 J.铁道建筑，2023，63（7）：8488.国内外曾多次发生因大风导致的结构安全、列车行车安全事故。安装风传感器（风速计）对风速展开实时监测，从而对列车开行速度进行控制，是保证大风环境下铁路安全的重要手段。目前，大量的风洞、数值测试及行业规范规定的风速均基于远方来流风速，而风观测点处的风速会受周围构筑物的影响，导致测量结果与来流风速存在差异。我国公路、铁路、建筑等行业对风监测点的布设均作出了相关规定。对于公路桥梁，测点布设要求为主跨跨中上下游两侧各布设一个风速风向监测点，且支架伸出主梁边缘水平方向宜大于等于5 m1。对于铁路，测点要求采集设备宜安装在接触网支柱上2。对于建筑结构，测点要求安装在工程结构绕流影响区域之外3，绕流影响区域宜采用仿真分析或风洞试验进行分析。由此可见，三种规范主要目的一致，即风传感器的布设应尽量避免其周围结构物对流场的影响，但在具体安装方式上存在区别。不同安装方式对应不同的测风点位置，对风场测试结果有较大影响。张洁4采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）方 法 基 于 分 离 涡（Detached Eddy Simulation，DES）模型研究了路堤、路堑以及挡风墙对大风流场的影响，提出了合理的测点位置。苗秀娟5基于DES模型利用FLUENT软件模拟了大风环境下跨越峡谷的铁路线路周围流场，根据仿真结果建议测风站布置在隘口中心位置以减小测量误差。张明金等6采用计算流体力学方法研究了桥塔上风传感器安装位置对测量结果的影响，给出了优化位置和相应的风速修正系数建议。杜广宇7使用FLUENT软件分析了安装在接触网支柱上的风速计测量结果的误差情况，提出单独立杆、加长支架、软件修正等若干对策。丁嘉杰8基于计算流体力学方法，选用SST（Shear Stress Transport）k模型分析了路堤、路堑及桥梁（简支梁桥）路段风测点的合理布设位置。可见，不同结构物对风传感器测量结果的影响不同，需要对不同情形开展广泛研究。本文以一座大跨度悬索桥为研究背景，建立数值模型对跨中流场进行分析，研究不同风速和风攻角组合情况下，风传感器安装方式对测量结果的影响。1 风传感器安装方式 一座跨长江悬索桥主梁跨径布置为（200+2 850+200）m，梁高 3.0 m，桥面宽 36 m，考虑铁路在桥面中收稿日期：20221216；修回日期：20230516基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（N2022T001）第一作者：王友彪(1988)，男，助理研究员，博士。E-mail：通信作者：李红梅(1984)，女，副研究员，博士。E-mail：第 7 期王友彪等：桥上风传感器安装方式对测量结果的影响间布置，在跨中处安装风传感器。考虑三种安装方式（图1）：安装方式1（水平外伸），单独设置水平三角桁架结构，距离桥面边缘5 m，在桥梁上下游对称设置，形成风测点1和测点6；安装方式2（边缘竖直），单独设置竖直圆形截面钢柱，距离桥面高度5 m，在桥梁上下游对称设置，形成风测点2和测点5；安装方式3（接触网柱），在铁路线路两侧的接触网支柱安装传感器，距离桥面高度4 m，在桥梁上下游对称设置，形成风测点3和测4。桥上风测点位置见图2。2 研究方法 2.1仿真方法采用CFD方法对风绕悬索桥主梁和缆索流动进行分析。采用文献 9 的方法将大风绕桥梁梁体流动简化为二维模型进行计算，即简化主梁和缆索为跨中处的主梁断面和缆索断面，见图3。改变主梁断面的倾角可模拟不同的风攻角。根据文献 2 的要求在桥梁周围设置外流场，其中入口、上下边界到主梁壁面的距离均为7倍主梁高度（21 m），出口边界到主梁壁面的距离为 20倍主梁高度（60 m），使得流动充分发展，保证计算结果可靠。在计算域入口采用速度边界条件，改变流速以模拟不同速度来流工况；在计算域出口采用压力边界条件；在计算域的上下边界采用对称边界条件；在桥梁及缆索周围采用无滑移的壁面边界条件。采用合适的策略6，8对计算域进行网格划分：在桥梁及缆索周围、尾流区域对网格进行加密，以充分捕捉研究对象周围的流动特征；在桥梁及缆索周围设置边界层网格，第一层高度为5 mm，对应的壁面无量纲距离y+为30 100，增长率为1.2，共计10层。网格划分采用四边形非结构网格，网格数量为20万。计算域的整体网格及桥梁和缆索附近的局部网格如图 4所示。计算采用瞬态分析，基于雷诺平均方法（Reynolds Averaged Navier Stokes，RANS），采用 k 模型模拟湍流流动。计算时间步长0.1 s，200个时间步后流动稳定，停止计算。在6个测点位置设置监测点，作为虚拟风测点，监测风速变化情况。取最后1 s的平均风速作为测点的测量风速。2.2仿真工况TG/012014 铁路技术管理规程（高速铁路部分）10规定：“环境风速不大于15 m/s时，列车以正常速度运行；环境风速不大于20 m/s时，运行速度不大于300 km/h；环境风速不大于25 m/s时，运行速度不大于200 km/h；环境风速不大于30 m/s时，运行速度不大于120 km/h；环境风速大于30 m/s时，严禁动车组列车进入风区。”因此，入口来流流速分别取 10、15、20、25、30 m/s。根据TG/012014可知，使桥梁升力增加的风攻角为正，升力减小为负。本文风攻角取-5、0、5。通过改变风速和风攻角，共设置了21个计算工况。3 计算结果分析 3.1流场分析不同风速情况下桥梁周围流场规律基本相同，选图1三种风传感器安装方式（单位：mm）图3计算域及边界设置（单位：m）图2桥上风测点位置（单位：cm）图4不同安装方式下风速测量结果85铁道建筑第 63 卷取10 m/s作为典型风速，不同风攻角下梁体周围流场见图5。可知：风流经过时会在主梁前方减速，在桥面上方加速，在主梁后方减速形成尾流区。这种现象符合一般的流体绕物体运动的速度分布规律。在正风攻角和负风攻角下，流场基本保持与0风攻角时相同的特征，但桥面上的加速区和主梁后的尾流区的范围有较大区别。当风攻角为正时，主梁在来流方向提高，尾流方向下降，形成了更大的尾流区，风速在此区域内大幅降低。由此可见，桥梁、缆索等结构物的存在必然会对附着在其上的风传感器测量结果产生影响，不同位置传感器所受影响不同，风速测量结果可能增大或减小。3.2测量结果不同测点测量结果见图 6。风速平均值可表征测点风速与实际风速的偏差，取不同风攻角的平均值并求标准差，图 6（a）中柱状图代表了平均值；标准差可表征测点风速在不同风攻角下的离散情况，图6（a）中的误差棒代表了标准差。同理，计算不同风速情况下的测点风速与来流风速之比，再对其求平均值和标准差，得到图 6（b）。选取 10 m/s 作为典型风速，分析不同测点处的风速情况。由图6（a）可知：受桥梁的影响，不同测点风速均与来流风速（10 m/s）存在一定偏差。其中下游的测点4、测点6的风速测量值与来流风速偏差较大，主要原因是5风攻角下的风速测量值偏小。结合图5（b）可以看出这是由于风流过桥面后形成尾流区，此范围内的风速变小，而测点 4 和测点 6 均位于这一区域。上游测点1、测点3的风速测量值离散程度较小，说明此处流场较为稳定。下游测点4和测点6离散程度大，原因是测点位于尾流区。由图6（b）可知，相同风攻角下不同测点风速与来流风速之比接近，其他风速（15 30 m/s）下的测量结果偏差情况与10 m/s时相同，不同风速下各测点的风速规律基本一致。综上，风传感器的安装应避开流动尾流区，或同时在上下游侧对称设置，并剔除尾流区（下游侧）的数据。3.3风速对测量结果的影响不同风速下测点风速与来流风速之比见图7。可知，风速为10 30 m/s时，不同测点风速与来流风速之比随风速变化不大。结合流场分析发现，在此风速范围内风绕桥梁流动的流动特征未发生明显变化，而测点风速与来流风速直接相关，因此各测点风速随来流风速成比例增加。3.4风攻角对测量结果的影响不同风攻角下测点风速与来流风速之比见图8。可知：当风攻角小于等于0（即风使得桥梁气动升力向下的方向偏转）时，测点风速与来流风速之比在1.0左右变化；当风攻角大于0时，桥面对来流风形成了图7不同风速下测点风速与来流风速之比图8不同风攻角下测点风速与来流风速之比图5梁体周围流场（单位：ms-1）图6不同测点测量结果86第 7 期王友彪等：桥上风传感器安装方式对测量结果的影响大范围遮挡，尾流区范围增加，位于下游的测点4测点6的测点风速大幅下降。3.5安装位置对测量结果的影响由于上游测点风速与来流风速偏差较小，选取10 m/s作为典型风速，取不同风攻角的平均值，并求标准差，分析位于上游侧的三种安装方式对测量结果的影响。不同安装方式下风速测量结果见图9。由图9（a）可知：水平外伸长度从3 m增加到7 m时，测量风速逐渐接近准确值，误差从9%降为3%，如按误差小于5%考虑，水平外伸长度应至少5 m。在实际应用时，悬臂长度过大会提高支架的重量和成本，应从测量误差和结构设计两方面综合考虑。由图9（b）可知，当传感器安装高度大于5 m时，各测点风速变化较小，说明此时桥梁主梁对大风流场的影响轻微。因此，建议在桥面边缘竖直立柱安装风传感器时，立柱高度可取5 m。由图9（c）可知，当传感器在接触网支柱上距离桥面高度为3 m时会产生较大测量误差。原因是当风攻角为正时，传感器位置过低会导致来流风被前方升高的桥面遮挡，风速显著下降。高度为4 m和5 m时的误差接近，考虑高度提高后会靠近接触网，高度为4 m时更优。由于实际工程中除了测量准确性之外，还需要综合考虑施工难度、美观、安全、经济等方面，因此，可根据现场实际情况选择合适安装方式，并设置相应的传感器。4 结论 为减小桥上风传感器测量误差，建立数值模型，计算分析不同风速和风攻角组合工况下风传感器安装方式对测量结果的影响，得到结论如下。1）水平外伸、边缘竖直和接触网支柱安装是桥上安装风传感器三种常见方式，三种安装方式的风速测量结果均会受桥梁结构影响。2）位于尾流区的风传感器测量结果不能真实反映来流风速，应避免在此处安装风传感器，或采用算法剔除尾流区风传感器所测数据。3）风速为10 30 m/s时，测点风速与来流风速之比变化不大，正风攻角下位于下游的风传感器测量结果会大幅减小。4）位于来流方向采用水平外伸方式的风传感器测得的风速比其他方式更稳定准确。从风速测量准确性角度考虑，可作为首选安装方式。当水平外伸长度大于5 m时，测量误差小于5%。本文工程背景桥梁原型为公路桥梁，铁路悬索桥箱梁的梁高等参数与其可能存在一定差异，有待后续针对具体桥梁开展进一步研究。参考文献1 中华人民共和国交通运输部.公路桥梁结构监测技术规范：JT/T 10372022 S.北京：人民交通出版社股份有限公司，2022.2 国家铁路局.铁路自然灾害及异物侵限监测系统工程技术规程：TB 101852021 S.北京：中国铁道出版社有限公司，2021.3 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑与桥梁结构监测技术规范：GB 509822014 S.北京：中国建筑工业出版社，2014.4 张洁.高速铁路测风点距线路合理位置研究 D.南京：中南大学，2012.5 苗秀娟.峡谷桥梁铁路周围测风站选址 J.铁道科学与工程学报，2016，13（7）：1332-1337.6 张明金，李永乐，余显全，等.桥塔上风传感器安装位置对测量结果的影响 J.西南交通大学学报，2015，50（4）：617-622.7 杜广宇.接触网支柱对风速计测量的影响及对策 J.武汉大学学报（工学版），2021，54（5）：454-460.8 丁嘉杰.强横风环境下高速铁路风速测点合理位置研究D.成都：西南交通大学，2017.9 陈艾荣，艾辉林.计算桥梁空气动力学大涡模拟 M.北京：人民交通出版社，2010.10 中国铁路总公司.铁路技术管理规程（高速铁路部分）：TG/012014 S.北京：中国铁道出版社，2014.图9不同安装方式下风速测量结果87铁道建筑第 63 卷Influence of Installation Mode of Wind Sensor on Bridge on Measurement ResultsWANG Youbiao1，LI Hongmei1，WANG Hupeng2，XUAN Yan1，SUN Wentao11.Railway Science and Technology Research and Development Center，China Academy of Railway Sciences Corporation Limited，Beijing 100081，China；2.China Railway Bridge Science Research Institute，Ltd.，Wuhan 430034，ChinaAbstract The structure attached to the wind sensor causes disturbance to the surrounding flow field，resulting in differences in the measurement results of wind sensors installed in different ways.Based on Reynolds averaging method and the k-turbulence model，the computational fluid dynamics method was used to simulate and analyze the measurement results generated by different installation methods of wind sensors on the bridge.The installation modes of wind sensors include horizontal extension，vertical at bridge sides，and catenary column.These three modes are used to install them upstream and downstream，forming a total of six wind measurement points.The wind speed changes in the range of 1030 m/s，and the wind attack angle changes in the range of-5 5.The installation position is adjusted by changing the extension length or installation height.The results show that the measurement results of the three installation modes of wind sensors are all affected by the bridge structure，and the wind sensors located in the wake area are greatly affected and cannot truly reflect the incoming wind speed.The wind speed has little effect on the ratio of wind speed at the measuring point to the incoming flow wind speed，and the measured wind speed measured by the sensor located downstream at the positive wind attack angle will significantly decrease.Key words railway bridge；high speed railway；wind sensor；numerical simulation；installation modeCitation format：WANG Youbiao，LI Hongmei，WANG Hupeng，et al.Influence of Installation Mode of Wind Sensor on Bridge on Measurement Results J.Railway Engineering，2023，63（7）：8488.（编辑：郑冰 校对：苗蕾）88