高速鐵路棚護(hù)支架空氣動(dòng)力效應(yīng)分析

張建民,陳寶良,李 達(dá)

(中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司,江蘇蘇州 215122)

1 工程概況

滬寧城際鐵路設(shè)計(jì)時(shí)速 300 km,虹橋上行線在里程 HQSDK2+607.653～HQSDK2+829.153處跨越既有滬寧鐵路,該路段動(dòng)車運(yùn)營(yíng)時(shí)速達(dá)到 250 km,在該處立交橋型布置為 57 m+100 m+63 m連續(xù)梁;原設(shè)計(jì)為掛籃施工,由于工期比較緊,后來(lái)改為現(xiàn)澆支架施工,施工安全風(fēng)險(xiǎn)高,是全線的重點(diǎn)工程,也是目前全國(guó)已知的跨越時(shí)速最高的再建既有線施工工程。當(dāng)高速列車通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生風(fēng)吸效應(yīng),對(duì)支架造成影響,如何保證既有鐵路正常運(yùn)行,保證施工安全是面臨的最大難題,所以對(duì)棚護(hù)支架的空氣動(dòng)力效應(yīng)進(jìn)行分析是保證施工安全必要前提,也是棚護(hù)支架設(shè)計(jì)的依據(jù)。在此項(xiàng)工程實(shí)施前沒(méi)有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,我單位在滬寧城際鐵路施工中經(jīng)過(guò)理論研究和實(shí)踐運(yùn)用,成功地解決該問(wèn)題,以下內(nèi)容主要以滬寧城際虹橋上行單線特大橋施工為例加以闡述(圖1、表1)。

圖1 滬寧城際鐵路與既有滬寧鐵路平面位置關(guān)系

表1 滬寧城際虹橋上行單線特大橋與既有線關(guān)系

2 工程地質(zhì)與氣象條件

線路位于長(zhǎng)江三角洲平原區(qū),均為第四系地層覆蓋,系江河、湖泊、海相沉積形成,為黏土、粉質(zhì)黏土夾粉細(xì)砂層;夏季多雨,常受臺(tái)風(fēng)影響。

3 棚護(hù)支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

跨既有線中跨支架采用 φ1.2m鉆孔灌注樁,高 1 m、寬 1.8 m條形基礎(chǔ),條形基礎(chǔ)上預(yù)埋鋼板,設(shè)置φ630 mm鋼管樁,鋼管樁之間采用[]25a型鋼斜撐和[]25a雙支型鋼平聯(lián),鋼管樁上部設(shè)置鋼板牛腿,牛腿上部縱向鋪設(shè) I25a型鋼縱梁,縱梁之間鋪設(shè)單塊寬 4 m、長(zhǎng) 17 m防護(hù)棚架,質(zhì)量 4.3 t,鋼管樁頂縱向鋪設(shè)3I40a型鋼,上部跨線吊裝雙層貝雷梁,貝雷梁頂節(jié)點(diǎn)位置設(shè)置縱向 I20b型鋼和橫向 I20b型鋼,上部采用碗扣式支架調(diào)整箱梁線形,上部縱向 I10型鋼、橫向 10 cm×10 cm方木(圖2)。

圖2 立面、平面布置(單位:cm)

邊跨的支架基礎(chǔ)采用 φ40 cm、間距 1.2 m的 CFG樁,上面采用兩層擴(kuò)大基礎(chǔ),基礎(chǔ)上預(yù)埋件與鋼管連接,鋼管立柱采用 φ630 mm、δ10 mm螺旋鋼管,鋼管樁之間采用[]25a型鋼斜撐和[]25a雙支型鋼平聯(lián),鋼管樁頂縱向鋪設(shè) 2I45b型鋼,橫向設(shè)置 H600×200型鋼,型鋼頂再設(shè)置縱向 I20b型鋼和橫向 I20b型鋼,上部再采用碗扣式支架調(diào)整箱梁線形,上部縱向 I10型鋼、橫向 10 cm×10 cm方木,模板采用竹膠板完成箱梁澆筑。

4 高速列車通過(guò)棚戶支架時(shí)空氣動(dòng)力效應(yīng)分析

4.1 分析情況

情況 1:當(dāng)支架空載時(shí),火車經(jīng)過(guò)產(chǎn)生風(fēng)吸效應(yīng)會(huì)對(duì)鋼管樁底預(yù)埋件受力產(chǎn)生較為不利影響。

情況 2:高速列車通過(guò)時(shí),列車的頭部產(chǎn)生壓力波,對(duì)棚戶支架頂面可能會(huì)產(chǎn)生向上的較大推力,影響安全。

4.2 空氣動(dòng)力效應(yīng)計(jì)算

基于問(wèn)題 1,考慮計(jì)算簡(jiǎn)化,采用了如圖3所示的高速列車模型幾何參數(shù)。出發(fā)點(diǎn)是為了計(jì)算支架底部所受風(fēng)力的大小或者分布。

圖3 高速列車模型幾何參數(shù)示意(單位:mm)

4.2.1 棚戶支架

既有滬寧鐵路上行中心線到棚戶支架中心連線的距離為 6.0m;既有滬寧鐵路上行中心線到鐵路護(hù)欄的距離為 4.7 m。鐵路護(hù)欄和臨時(shí)施工的棚戶支架與路軌平行,設(shè)定聯(lián)合作用的計(jì)算尺寸為 H×W×L=5.0m×3.0 m×6.0 m。

既有滬寧鐵路兩側(cè)安裝的實(shí)際支架長(zhǎng)達(dá) 106 m,由于頂部做了防護(hù)層,高速列車通過(guò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定程度的“活塞效應(yīng)”。

當(dāng)高速列車通過(guò)棚戶支架時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)致效應(yīng),是指列車高速運(yùn)行引發(fā)的列車與建筑物之間湍流、繞流流動(dòng)產(chǎn)生的壓力,這一問(wèn)題十分復(fù)雜,歸為非定常(Unsteady Flow)具有相對(duì)移動(dòng)邊界的湍流、繞流(Turbulent Flow)問(wèn)題。后面的計(jì)算結(jié)論中產(chǎn)生的負(fù)壓即為前面的報(bào)告中提到的“火車通過(guò)時(shí)的風(fēng)吸效應(yīng)”。當(dāng)建筑物距離列車較近,而列車速度較高時(shí),這種繞流對(duì)建筑物有很大的甚至是破壞性影響。

我單位聘請(qǐng)有專業(yè)資質(zhì)的西南交通大學(xué)土木學(xué)院橋梁系基于非定常湍流、繞流理論的空氣動(dòng)力仿真計(jì)算(具體計(jì)算過(guò)程不再描述)結(jié)果總結(jié)出了如下的結(jié)論。

4.2.2 有關(guān)計(jì)算結(jié)論

(1)壓力系數(shù)隨著建筑物內(nèi)側(cè)面與軌道中心距離d而變化

圖4列出了建筑物內(nèi)側(cè)面與軌道中心距離 d=6.0m和 d=4.7 m下兩種情況,列車駛向建筑物時(shí)建筑物內(nèi)側(cè)面中心點(diǎn)的壓力系數(shù)變化值。可以看出,當(dāng)列車剛剛駛向建筑物時(shí),壓力系數(shù)逐步增加;當(dāng)列車頭部到達(dá)中心點(diǎn)時(shí),壓力系數(shù)達(dá)到最大值;列車頭部駛過(guò)中心點(diǎn)后,壓力系數(shù)很快降至最底點(diǎn),然后逐步回升,仍保持負(fù)壓;當(dāng)列車尾部駛過(guò)中心點(diǎn)時(shí),壓力系數(shù)有明顯下降,然后逐步回升至零附近。兩者的規(guī)律一致,但當(dāng)列車軌道中心與建筑物內(nèi)側(cè)面的距離增大至 6.0 m時(shí),壓力系數(shù)極值有明顯下降。壓力系數(shù)定義:Cp=(Pi-P∞)/q∞,其中 Pi為測(cè)點(diǎn)壓力,P∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)流靜壓,這里指當(dāng)?shù)卮髿鈮?q∞為無(wú)窮遠(yuǎn)處來(lái)流動(dòng)壓,q∞=ρ,ρ為當(dāng)?shù)卮髿饷芏?V∞為來(lái)流速度,這里指列車運(yùn)行速度。

圖4 內(nèi)側(cè)面中心點(diǎn)壓力系數(shù)變化

(2)建筑物不同側(cè)面壓力系數(shù)的變化

考察的計(jì)算尺度范圍內(nèi),建筑物的內(nèi)側(cè)面、外側(cè)面、迎風(fēng)面、背風(fēng)面中心點(diǎn)的壓力系數(shù)變化。從圖5中可以看出,列車駛向建筑物時(shí),迎風(fēng)面和內(nèi)側(cè)面:壓力系數(shù)逐步增加,當(dāng)列車頭部到達(dá)迎風(fēng)面和內(nèi)側(cè)面中點(diǎn)時(shí),兩中心點(diǎn)壓力系數(shù)分別達(dá)到最大值,迎風(fēng)面的正壓峰值較大,內(nèi)側(cè)面較小。列車頭部駛過(guò)迎風(fēng)面和內(nèi)側(cè)面后,兩點(diǎn)壓力系數(shù)很快降至最底點(diǎn),內(nèi)側(cè)面負(fù)壓峰值較大,迎風(fēng)面較小,接著迎風(fēng)面和內(nèi)側(cè)面壓力逐步回升,內(nèi)側(cè)面仍保持負(fù)壓,而迎風(fēng)面升至正壓,但量級(jí)較小。外側(cè)面和背風(fēng)面:當(dāng)列車頭部到達(dá)時(shí),外側(cè)面和背風(fēng)面兩中心點(diǎn)壓力系數(shù)降至最低點(diǎn)。列車頭部駛過(guò)時(shí),壓力系數(shù)逐步回升,并保持負(fù)壓。當(dāng)列車尾部駛過(guò)中心點(diǎn)時(shí),壓力系數(shù)都有下降,然后逐步回升至零附近。

圖5 建筑物四個(gè)側(cè)面中心點(diǎn)壓力系數(shù)變化

(3)內(nèi)側(cè)面的面荷載隨軌心距離的改變變化值

若設(shè)垂直于內(nèi)側(cè)面的面荷載 Ph,圖6則顯示了在速度分別為 v=160km/h和v=250 km/h兩種工況下,改變軌心與建筑物內(nèi)側(cè)面間距時(shí),內(nèi)側(cè)面的面荷載 Ph的變化圖。由圖7可看出,隨著間距的增加,面荷載以較快的速度降低。

圖6 水平方向垂直于內(nèi)側(cè)面的面荷載隨間距改變變化

(4)棚戶支架所受的空氣壓力

具體到既有滬寧鐵路線上的棚戶支架,當(dāng)單獨(dú)一列列車通過(guò),鐵路護(hù)欄無(wú)遮時(shí),棚戶支架的內(nèi)側(cè)面直接受力。擬定列車速度 v=250km/h,軌心到支架內(nèi)側(cè)面間距大約為 6.5m時(shí),列車頭部駛過(guò)內(nèi)側(cè)面后,該點(diǎn)壓力系數(shù)很快降至最底點(diǎn),內(nèi)側(cè)面負(fù)壓峰值較大。由圖6可以基本得到支架內(nèi)側(cè)面的面荷載 Ph約為 236 N/m2。這一荷載已經(jīng)降為峰值面壓力荷載的大約 24%。若考慮鐵路護(hù)欄對(duì)支架面的遮擋,那么支架所受的峰值面壓力荷載將更小。也即火車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)吸效應(yīng)由于受鐵路護(hù)欄的第一層防護(hù),直接對(duì)鋼管樁支架的影響減小。

4.2.3 斷面上空氣壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的測(cè)點(diǎn)安排情況,圖7是類似一座方形隧道口的立面圖上某一斷面安排了 K1～K11的分布的風(fēng)場(chǎng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn),當(dāng)列車從左側(cè)高速進(jìn)入棚戶支架圍起的空間區(qū)域時(shí),其中列車長(zhǎng)度為 110 m,列車速度為 250km/h(70 m/s),阻塞比為0.082 2,測(cè)點(diǎn)斷面位于距離入口 55 m。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)精密儀器實(shí)測(cè)得到圖8數(shù)據(jù)結(jié)果。

4.2.4 對(duì)支架頂棚的受力分析

圖7 支架斷面風(fēng)場(chǎng)中壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)(單位:cm)

圖8 同一斷面各點(diǎn)處的最大壓力變化

如果按支架頂棚斷面各點(diǎn)處的最大壓力值作用在頂棚上,可以對(duì)頂棚產(chǎn)生一定的影響,頂棚區(qū)間一半面積大小約 25 m2,當(dāng)按照?qǐng)D8結(jié)果取最大的峰值壓力1.34k Pa,產(chǎn)生的向上的推力為 33.5 kN,一半支架及模板等的重力是 53.73/2=26.86 kN,因此,簡(jiǎn)單擱置時(shí)高速列車通過(guò)時(shí)可能有一定的危害,但構(gòu)造上頂棚在兩端已經(jīng)約束,足以承受向上的推力,應(yīng)無(wú)慮。由于受鐵路護(hù)欄的擋風(fēng)作用,鋼管樁支架底部直接受風(fēng)力影響較小。支架頂棚當(dāng)不增強(qiáng)約束時(shí),高速列車通過(guò)時(shí),通過(guò)施加約束,空載狀態(tài)下應(yīng)無(wú)恙。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)以上高速列車通過(guò)頂棚時(shí)空氣動(dòng)力效應(yīng)分析,又結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況以及實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)結(jié)果,防護(hù)棚架設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),即能滿足上部鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工受力需要,也能承受高速列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力效應(yīng)對(duì)支架頂棚造成的危害。棚架搭設(shè)完成以后的施工過(guò)程中,高速列車運(yùn)行沒(méi)有減速也未停運(yùn),成功地解決了既有鐵路與新建鐵路相互干擾、相互影響的問(wèn)題,安全得到了有效保證,為以后相似跨既有鐵路工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

[1] 西南交通大學(xué).高速列車通過(guò)棚戶支架時(shí)空氣動(dòng)力效應(yīng)計(jì)算分析[R].成都:2009.

[2] TB—10002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[3] 鐵辦 2008—190,鐵路營(yíng)業(yè)線施工安全管理辦法[S].

[4] 太原工學(xué)院.震動(dòng)計(jì)算[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1978.