橋上電纜槽蓋板位置穩(wěn)定性空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究

張立江

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)處,天津 300142)

橋上電纜槽蓋板位置穩(wěn)定性空氣動(dòng)力試驗(yàn)研究

張立江

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司橋梁設(shè)計(jì)處,天津 300142)

列車空氣動(dòng)力和自然風(fēng)的作用對(duì)高速鐵路橋上蓋板的位置穩(wěn)定有重要影響,控制著RPC輕型電纜槽蓋板的最小厚度。結(jié)合德國(guó)在該方面空氣動(dòng)力研究成果和既有工程觀測(cè)成果,運(yùn)用數(shù)字仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)的手段,以保證蓋板位置穩(wěn)定為原則,對(duì)鄭西客運(yùn)專線橋上擬采用的最小2cm厚電纜槽蓋板厚度的合理性進(jìn)行研究,給出了列車空氣動(dòng)力作用下蓋板位置穩(wěn)定性有保證以及在列車空氣動(dòng)力和橫向自然風(fēng)共同作用下蓋板位置穩(wěn)定性無(wú)法保證的結(jié)論性意見(jiàn),為RPC輕型蓋板的設(shè)計(jì)、施工、維護(hù)提供了指導(dǎo)。

客運(yùn)專線;鐵路橋;空氣動(dòng)力;蓋板;穩(wěn)定性

1 概述

為減輕橋面二期恒載,提高蓋板的耐久性和安裝便捷性,鄭西客運(yùn)專線采用RPC混凝土對(duì)橋上電纜槽蓋板進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果,在滿足檢修荷載情況下,蓋板厚度最小可采用2 cm,但在高速列車空氣動(dòng)力及側(cè)風(fēng)作用下位置能否保持穩(wěn)定無(wú)法判定,為此,鄭西客運(yùn)專線中外咨詢聯(lián)合體組織中、德咨詢師開(kāi)展了該項(xiàng)研究,以確定高速列車空氣動(dòng)力及自然側(cè)風(fēng)對(duì)蓋板的作用力,給出蓋板能保持穩(wěn)定的最小厚度,指導(dǎo)設(shè)計(jì)施工。

2 主要參數(shù)

列車采用車寬調(diào)整后的ICE3型(車寬b≈3.26 m),最高速度350 km/h。蓋板平面尺寸0.494 m×0.494 m,密度2 390 kg/m3,厚度2 cm,橋面整體情況見(jiàn)圖1。

圖1 鄭西客運(yùn)專線橋面布置(單位:mm)

3 假定條件

(1)僅考慮蓋板外露面承受列車空氣動(dòng)力和自然風(fēng)的作用;

(2)假定短暫和急劇的壓力變化情況下,蓋板下表面壓力尚未釋放;

(3)不考慮蓋板間的摩擦;

(4)不考慮空氣阻力對(duì)蓋板運(yùn)動(dòng)的影響。

4 研究方法

運(yùn)用德國(guó)鐵路公司積累的道旁測(cè)量成果評(píng)估蓋板受到的列車空氣動(dòng)力影響,使用ANSYS CFX軟件包進(jìn)行了數(shù)字仿真流體力學(xué)計(jì)算(CFD),對(duì)縮尺模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

5 橋面氣流分析研究

5.1 列車引起的空氣動(dòng)力

列車在蓋板上引起的壓力荷載根據(jù)歐洲規(guī)范[prEN1991,RIL807]和《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10621—2009)確定。防撞墻(軌頂以上高度h≈0.3 m,距軌道中心y=2.2 m)為該斷面的特征。根據(jù)[CEN05],推導(dǎo)出遮蔽系數(shù)φ=0.3。嚴(yán)格來(lái)說(shuō),此系數(shù)僅對(duì)垂直于擋墻上的風(fēng)速有效,對(duì)本研究,考慮到列車引起的氣流有很強(qiáng)的側(cè)向組分,遮蔽系數(shù)按0.7采用。

臨近軌道的蓋板(距線路中心y=2.6 m)位置最不利。所研究蓋板的臨界靜壓力p=-478 Pa,臨界壓力系數(shù)Cp_crit≈0.1。數(shù)值模擬計(jì)算表明:在空氣動(dòng)力持續(xù)作用時(shí)間Δt＜0.1 s內(nèi),局部靜壓力會(huì)超過(guò)臨界值,引起的蓋板向上位移Δz＜0.1 mm。

5.2 橋面上風(fēng)致流場(chǎng)

自然風(fēng)作用對(duì)蓋板穩(wěn)定性也有重要影響。前期德國(guó)高速鐵路橋(圖2(a))風(fēng)洞試驗(yàn)已清晰地表明橋面結(jié)構(gòu)物對(duì)氣流有加速效應(yīng)。圖2(b)表明由于梁體影響,氣流速度較地面上有所增加,橋面迎風(fēng)面鄰近軌道處的最大風(fēng)速達(dá)到地面值的1.3倍,產(chǎn)生了強(qiáng)大的壓力梯度,影響到電纜槽蓋板等橋面構(gòu)造物的位置穩(wěn)定。

圖2 德國(guó)既有高速鐵路橋風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

另外,對(duì)于高橋,由對(duì)數(shù)邊界層法則公式可知橋面上的氣流速度相對(duì)于地面氣流速度有相當(dāng)大的提高。

式中,v(z)、v(z0)分別為距地面高度z(m)和z0(m)處的氣流速度;z0為地面氣流速度測(cè)量點(diǎn)的高度,α為風(fēng)切變指數(shù),α≈0.14。

按此法則,高度20、40 m處的風(fēng)速較地面(高度4 m)可增加25%和37%以上。

以上兩種因素都使得橋面風(fēng)速大大高于地面風(fēng)速。另外,根據(jù)已有研究成果,橋面的具體外形和列車的出現(xiàn)也影響橋面周圍的氣流。因此,有必要通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)鄭西客運(yùn)專線情況進(jìn)行進(jìn)一步研究。

6 風(fēng)洞試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)是在哥廷根的德-荷風(fēng)洞進(jìn)行(HDG)的。HDG是封閉風(fēng)洞,可提供107 Pa的高壓,產(chǎn)生的氣流速度可達(dá)30 m/s。

6.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖3)

模型按1∶100比例制作。其最重要的部分是側(cè)面遮板及2道防撞墻,在蓋板上,沿縱向開(kāi)設(shè)了一系列壓力測(cè)試孔,列車模型可組合成單頭和雙頭2種形式。

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?風(fēng)洞測(cè)試區(qū)0.6 m×0.6 m)

6.2 工況

考察了5種工況,即:①橋上無(wú)車+橫向自然風(fēng);②橋上有車(單頭)+下風(fēng);③橋上有車(雙頭)+下風(fēng);④橋上有車(單頭)+上風(fēng)(列車近迎風(fēng)面);⑤橋上有車(雙頭)+上風(fēng)。

6.3 測(cè)試結(jié)果(圖4)

為了保證測(cè)試結(jié)果不受雷諾數(shù)影響,采用了一系列不同的Re數(shù)值。

圖4 風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果,橋面橫向壓力系數(shù)Cp變化

測(cè)試結(jié)果顯示,無(wú)車情況下,產(chǎn)生了二維氣流場(chǎng)。圖4通過(guò)不同位置的側(cè)向壓力系數(shù)給出了壓力分布情況。為說(shuō)明氣流的二維性,縱向給出3個(gè)不同截面的測(cè)量結(jié)果(測(cè)量點(diǎn)17-23,27-30,31-34,其中測(cè)量點(diǎn)27-30、31-34和17-23均不在一個(gè)截面,圖中未顯示,但在橫向的位置如圖橫坐標(biāo)所示)。

壓力分布清楚地顯示了橋面氣流的狀況。迎風(fēng)面外緣的下部氣流形成了大型的回流區(qū),氣流分離導(dǎo)致了大范圍的低壓區(qū)(y＜3.8 m,Cp＜0)。在試驗(yàn)流入條件(4 kg/m3,v∞=18 m/s),橋面迎風(fēng)側(cè)臨近遮板處(y=2.8 m)負(fù)壓系數(shù)低至Cp,min＜-0.9,產(chǎn)生了明顯的吸力。對(duì)所研究蓋板,在沒(méi)有聲屏障情況下,橋面橫風(fēng)速度超過(guò)v=30 m/s時(shí)(對(duì)于40 m高橋梁,相當(dāng)于地面風(fēng)速vwind=23 m/s),蓋板可能開(kāi)始豎向移動(dòng),圖5為陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間Δt=0.5 s時(shí),蓋板豎向位移情況。圖中顯示,蓋板豎向位移可能高達(dá)近90 mm,此位移已大大超過(guò)蓋板20 mm的厚度,導(dǎo)致蓋板的位置失去穩(wěn)定性。若陣風(fēng)持續(xù)時(shí)間按可能性更大的考慮,則蓋板位移量將會(huì)更大。

圖5 風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果,豎向位移

根據(jù)前述,橋上列車對(duì)橋面流場(chǎng)也有影響,但根據(jù)德國(guó)既有研究成果,有車情況下,最大吸力小于無(wú)車時(shí)的吸力,因此,可僅僅考慮橋上無(wú)車情況。

7 結(jié)論和建議

(1)臨近軌道的蓋板為位置最不利蓋板。

(2)對(duì)厚度2 cm的蓋板,列車空氣動(dòng)力作用下,位置穩(wěn)定性有保證。

(3)依據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果,橫向自然風(fēng)作用下,當(dāng)橋面風(fēng)速達(dá)到30 m/s時(shí),即使短暫作用(持續(xù)時(shí)間0.5 s),蓋板也會(huì)產(chǎn)生較大位移,當(dāng)作用時(shí)間增長(zhǎng)或與列車空氣動(dòng)力聯(lián)合作用時(shí),蓋板會(huì)產(chǎn)生超過(guò)蓋板厚度的位移,位置穩(wěn)定性無(wú)法保證。

(4)雖然本試驗(yàn)研究結(jié)論較為保守,但對(duì)于可能受強(qiáng)風(fēng)作用的高橋,為了防范風(fēng)險(xiǎn),建議采用加厚的蓋板或者能夠固定的蓋板。

(5)應(yīng)嚴(yán)格控制蓋板厚度施工偏差,嚴(yán)格控制安裝偏差,聯(lián)合調(diào)試期間注意對(duì)蓋板穩(wěn)定性進(jìn)行測(cè)試,注意蓋板的維護(hù)。

[1] TB10621—2009 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]prEN 1991-1-4 2004,Eurocode 1:Actions on structures—General actions—Part 1-4:Wind actions,CEN,Brussels,2004.

[3]EN V 1991-2-4,風(fēng)荷載設(shè)計(jì)暫行標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4] TB10002.1—2005,鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范[S].

[5] Scherz,Joseph A,Aerodynamics of High-Speed Trains[J].Annual Review of Fluid Mechanics,2001,33:371-414.

[6] Bettle,J.et al.A Computational Study of the Aerodynamic Forces Acting on a Tractor-Trailer Vehicle on a Bridge in Cross-Wind[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003,91: 573-592.

[7]EN 14067-4 2005:Railway applications-Aerodynamics-Part4:Requirements and test procedures for aerodynamics on open track[S]. Brussels:CEN 2005.

[8] [CEN05]CEN:EN 14067-42005:Railwayapplications-Aerodynamics-Part4:Requirementsandtestproceduresfor aerodynamics on open track.Brussels:CEN,2005.

[9] TB10752—2010,高速鐵路橋涵工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)[S].

Aerodynamic Experimental Study on Position Stability of Cover Plates of Cable Trough upon Bridge

ZHANG Li-jiang
(Bridge Engineering Department,the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

Train-induced aerodynamic force and natural wind force have great influence on position stability of cover plates of cable trough upon the bridge of high-speed railway,which control the minimum thickness of RPC light-duty cover plates.In combination with the relevant study results of Germany and the existing observing results,by way of numerical simulation and wind tunnel test,and on the basis of ensuring the stability of cover plate's position,the reasonability of thickness was researched for the cover plates of cable trough with a minimum thickness of 2 cm which will be used upon the bridges of Zhengzhou-Xi'an Passenger Dedicated Line.The conclusion drawn from this study is that:the stability of the cover plate's position can be ensured if there is only the train-induced aerodynamic force,while the stability of the cover plate's position cannot be ensured if there are both the train-induced aerodynamic force and the natural wind force.The conclusion can serve as a guidance to design,installation and maintenance of RPC light-duty cover plates.

passenger dedicated line;railway bridge;aerodynamic force;cover plate;stability

U443.5

A

1004-2954(2013)03-0074-03

2013-01-07

張立江(1965—),男,高級(jí)工程師,1993年畢業(yè)于天津大學(xué)力學(xué)系,工學(xué)碩士,E-mail:of8440@yahoo.com.cn。