鐵路拱形防風(fēng)明洞風(fēng)荷載研究

靳寶成

鐵路拱形防風(fēng)明洞風(fēng)荷載研究

靳寶成

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

蘭新鐵路第二雙線穿過(guò)著名的百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū),其風(fēng)害極為嚴(yán)重。為了最大限度地減少限速和停輪,在百里風(fēng)區(qū)的核心區(qū)采用設(shè)置防風(fēng)明洞的防護(hù)措施。通過(guò)CFD數(shù)值模擬與風(fēng)洞模型試驗(yàn)研究,得出了作用在防風(fēng)明洞表面的風(fēng)荷載隨風(fēng)速增大而增大,且迎風(fēng)側(cè)為正壓、背風(fēng)側(cè)及拱頂為負(fù)壓的分布規(guī)律。

防風(fēng)明洞;風(fēng)荷載;分布規(guī)律

1 概述

蘭新鐵路第二雙線東起甘肅省省會(huì)蘭州市,途經(jīng)青海省省會(huì)西寧,穿越祁連山山脈進(jìn)入甘肅省河西走廊西行,西至新疆維吾爾自治區(qū)首府烏魯木齊市,沿線穿過(guò)了甘肅境內(nèi)的安西風(fēng)區(qū)和新疆境內(nèi)的煙墩風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū)、達(dá)坂城風(fēng)區(qū),大風(fēng)區(qū)的長(zhǎng)度合計(jì)約330 km。其中尤以百里風(fēng)區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁,大風(fēng)頻繁,風(fēng)害極為嚴(yán)重。既有蘭新鐵路、南疆鐵路雖然在部分風(fēng)口地段增設(shè)了擋風(fēng)墻,但每年仍會(huì)出現(xiàn)停輪及其他安全事故,給鐵路的運(yùn)輸生產(chǎn)造成了重大損失。為了保證蘭新鐵路第二雙線列車(chē)安全、快速及正常運(yùn)營(yíng),最大限度地減少限速和停輪,在百里風(fēng)區(qū)的核心區(qū)地段設(shè)置了防風(fēng)明洞[1]。本文以百里風(fēng)區(qū)防風(fēng)明洞為背景,開(kāi)展了拱形明洞結(jié)構(gòu)表面風(fēng)荷載的研究。

2 百里風(fēng)區(qū)特點(diǎn)及大風(fēng)資料

2.1 風(fēng)區(qū)特點(diǎn)

根據(jù)既有資料,百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)主要有以下幾方面的特點(diǎn)。

(1)風(fēng)速高:據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè),最大風(fēng)速達(dá)60 m/s,是全世界鐵路內(nèi)陸大風(fēng)風(fēng)速最高的地區(qū)。

(2)風(fēng)期長(zhǎng):一年中的大風(fēng)天數(shù)也相當(dāng)高,大于8級(jí)風(fēng)的大風(fēng)天數(shù)基本上都超過(guò)100 d。

(3)季節(jié)性強(qiáng):每年冬春交替季節(jié)大風(fēng)最為集中,占全年大風(fēng)天數(shù)的30%以上,風(fēng)速也最大。秋冬交替季節(jié)大風(fēng)天氣也較多,但最大風(fēng)速小于冬春交替季節(jié)。

(4)風(fēng)向穩(wěn)定:風(fēng)區(qū)大風(fēng)主要受寒潮天氣影響,因素單一,加之區(qū)域遼闊平坦,每次大風(fēng)所經(jīng)路線較為固定。

(5)起風(fēng)速度快:在15～40 min內(nèi),風(fēng)區(qū)大風(fēng)天氣風(fēng)速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。以2008年4月17日開(kāi)始的一場(chǎng)大風(fēng)為例,十三間房西測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速?gòu)?.2 m/s增加到20 m/s只用了15 min,其后用了不到1.5 h風(fēng)速便達(dá)到了32.7 m/s(12級(jí))以上,見(jiàn)圖1。

圖1 十三間房西測(cè)風(fēng)點(diǎn)2008年4月17日風(fēng)速變化曲線

2.2 風(fēng)速統(tǒng)計(jì)

根據(jù)附近13個(gè)氣象站資料以及烏魯木齊鐵路局、新疆維吾爾自治區(qū)氣象科技服務(wù)中心在既有蘭新鐵路沿線建立的43個(gè)大風(fēng)觀測(cè)站多年的觀測(cè)資料,結(jié)合本項(xiàng)目初測(cè)期間增設(shè)的8個(gè)觀測(cè)站資料,通過(guò)對(duì)比和綜合分析,研究新建蘭新第二雙線沿線風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)壓在平面、剖面的變化規(guī)律以及不同高度大風(fēng)與風(fēng)速變化情況,得出線路沿線特別是重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)速、風(fēng)向的時(shí)空分布及變化規(guī)律。

防風(fēng)明洞所處的百里風(fēng)區(qū)核心區(qū)的大風(fēng)資料如表1所示[2]。

表1 百里風(fēng)區(qū)核心區(qū)的大風(fēng)資料

3 防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)

防風(fēng)明洞是在路基上(以路堤為主)設(shè)置,結(jié)合其氣候特點(diǎn)和自然環(huán)境因素,考慮到混凝土結(jié)構(gòu)耐久性和安全可靠性好、養(yǎng)護(hù)維修工作量小;拱形結(jié)構(gòu)形狀圓順、受力條件好、圬工量小、投資省。通過(guò)比較分析,采用基底不封閉(無(wú)仰拱和底板)、內(nèi)輪廓與一般隧道相同的鋼筋混凝土拱形結(jié)構(gòu),邊墻置于明挖縱梁和樁基礎(chǔ)上,見(jiàn)圖2[3]。

4 風(fēng)荷載的研究

圖2 防風(fēng)明洞橫斷面[4](單位:cm)

風(fēng)荷載為結(jié)構(gòu)的主要荷載之一,其計(jì)算與取值對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的影響。風(fēng)速具有隨時(shí)間、空間的變異性,其大小是瞬時(shí)無(wú)規(guī)律變化的,并隨距地面高度增大而增大,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001)規(guī)定的風(fēng)壓計(jì)算是基本風(fēng)壓乘以風(fēng)振系數(shù)確定,并給出了全國(guó)主要城市的基本風(fēng)壓。由于防風(fēng)明洞區(qū)域距氣象臺(tái)站較遠(yuǎn),加上特殊的地形、地貌因素影響,其基本風(fēng)壓與規(guī)范數(shù)值存在較大的差異,為此,有必要根據(jù)防風(fēng)明洞的結(jié)構(gòu)、尺寸參數(shù)及路基形式的特殊性,通過(guò)CFD數(shù)值模擬值計(jì)算分析和風(fēng)洞模型試驗(yàn),進(jìn)行比較分析驗(yàn)證。

4.1 規(guī)范計(jì)算值

4.1.1 計(jì)算方法

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2001),垂直于建筑物表面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wK按下述公式計(jì)算

式中 βZ——高度z處的風(fēng)振系數(shù);

μS——風(fēng)荷載體型系數(shù);

μZ——風(fēng)壓高度變化系數(shù);

w0——基本風(fēng)壓,kN/m2。

w0是按重現(xiàn)期為100年的10 min平均年最大風(fēng)速,利用貝努利公式w0=v20/1 600(kN/m2)計(jì)算確定。根據(jù)大風(fēng)監(jiān)測(cè)及分析研究成果,百里風(fēng)區(qū)重現(xiàn)期為100年的10 min平均年最大風(fēng)速v0=53.2 m/s[5]。

4.1.2 計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)承受的風(fēng)荷載分布如圖3所示[6]。

圖3 風(fēng)荷載分布示意

結(jié)構(gòu)各部位承受的風(fēng)壓值為:

Wk1=3.44 kPa

Wk2=2.58 kPa

Wk3=-3.44 kPa

Wk4=-2.15 kPa

4.2 CFD數(shù)值模擬值

4.2.1 計(jì)算模型

數(shù)值方法的核心理論是計(jì)算流體力學(xué),即CFD。CFD的基本思想是把原來(lái)在時(shí)間域及空間域上的連續(xù)的物理量的場(chǎng),用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替,通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組,然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD是在流動(dòng)基本方程控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬,以得到復(fù)雜問(wèn)題流場(chǎng)內(nèi)速度、壓力等物理量的分布[7]。

為了計(jì)算的準(zhǔn)確性,根據(jù)不同模型計(jì)算尺寸和邊界條件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,確定合理且計(jì)算精度滿足的模型。模型尺寸選擇如下:外部高400 m;寬 400 m;長(zhǎng)1 000 m的外界大氣環(huán)境模型。

網(wǎng)格劃分質(zhì)量的好壞直接影響到計(jì)算的穩(wěn)定性以及計(jì)算結(jié)果精確性。在CFD有限容積程序中,考慮到流體運(yùn)動(dòng)模型某些區(qū)域幾何形式比較復(fù)雜,而采用四節(jié)點(diǎn)四面體單元具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,對(duì)三維模型的網(wǎng)格劃分一般采用四節(jié)點(diǎn)的四面體單元,本計(jì)算對(duì)于隧道內(nèi)采用TGrid程序劃分四面體網(wǎng)格,網(wǎng)格邊長(zhǎng)1.5,共35萬(wàn)個(gè)單元。對(duì)于靠近隧道的外部空間采用Cooper程序劃分六面體網(wǎng)格,邊長(zhǎng)2,共100萬(wàn)個(gè)單元。對(duì)于離隧道較遠(yuǎn)區(qū)域采用Cooper程序劃分六面體網(wǎng)格,邊長(zhǎng)5,共110萬(wàn)個(gè)單元。共劃分網(wǎng)格245萬(wàn)個(gè),計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 明洞CFD模型及網(wǎng)格劃分

4.2.2 計(jì)算結(jié)果

外界風(fēng)速根據(jù)大風(fēng)監(jiān)測(cè)及分析研究成果的重現(xiàn)期為100年的極大風(fēng)速v=70 m/s,將模型進(jìn)行CFD計(jì)算分析,迭代計(jì)算收斂后得到計(jì)算結(jié)果,剖取橫截面,通過(guò)DISPLAY云圖得到橫斷面壓力場(chǎng)云圖,見(jiàn)圖5,并根據(jù)壓力云圖繪制出明洞結(jié)構(gòu)受力圖,見(jiàn)圖6。其中右側(cè)為迎風(fēng)側(cè),左側(cè)為背風(fēng)側(cè)[8]。

4.3 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

4.3.1 模型及試驗(yàn)設(shè)備

防風(fēng)明洞風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺比取為1∶30,模型洞壁由雙層1 mm厚塑料板制成,塑料板中間布置測(cè)壓管,分別測(cè)得上下表面風(fēng)壓。

圖5 橫斷面壓力場(chǎng)云圖

圖6 橫斷面表面風(fēng)壓力圖(單位:Pa)

根據(jù)百里風(fēng)區(qū)的地貌特點(diǎn)及風(fēng)特性,其地表粗糙度屬于A類(lèi)地表,因而邊界層模擬依據(jù)A類(lèi)地表進(jìn)行大氣邊界層流場(chǎng)模型,見(jiàn)圖7。

圖7 風(fēng)洞模型試驗(yàn)

4.3.2 計(jì)算結(jié)果

考慮到百里風(fēng)區(qū)大風(fēng)來(lái)流風(fēng)向較為穩(wěn)定,且其基本與線路垂直,試驗(yàn)風(fēng)向取與線路垂直的橫風(fēng)向。

每個(gè)斷面內(nèi)外表面各布置15個(gè)測(cè)點(diǎn),如圖8所示,每個(gè)測(cè)點(diǎn)處布置測(cè)壓管,分別可以測(cè)量?jī)?nèi)外表面的風(fēng)壓。對(duì)明洞沿壁內(nèi)、外表面分別測(cè)量出壓力系數(shù),將兩者相減即得測(cè)點(diǎn)處總的壓力系數(shù)[9]。

圖8 各測(cè)壓點(diǎn)布置

各測(cè)點(diǎn)表面的風(fēng)壓系數(shù)見(jiàn)表2,計(jì)算得到在重現(xiàn)期為100年的10 min平均年最大風(fēng)速v0=53.2 m/s時(shí),結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載見(jiàn)圖9[10]。

表2 各測(cè)點(diǎn)表面的風(fēng)壓系數(shù)

圖9 明洞表面風(fēng)壓力圖(單位:Pa)

4.4 結(jié)論

對(duì)規(guī)范計(jì)算結(jié)果、CFD數(shù)值模擬研究成果和風(fēng)洞模型試驗(yàn)研究成果對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 風(fēng)荷載對(duì)比kPa

通過(guò)分析對(duì)比,作用于拱形防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載分布規(guī)律一致,其特征和大小取值詳述如下。

(1)作用在結(jié)構(gòu)表面的風(fēng)荷載隨著風(fēng)速的增大而增大;

(2)迎風(fēng)側(cè)墻腳與邊墻部位的風(fēng)荷載基本相同,且為正壓,其大小取值為邊墻3.44 kPa,拱腳2.58 kPa;

(3)背風(fēng)側(cè)墻腳與邊墻、拱腳部位的風(fēng)荷載基本相同,且為負(fù)壓,其大小取值為2.15 kPa;

(4)拱頂為負(fù)壓,且大于背風(fēng)側(cè),其大小取值為3.44 kPa。

5 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)防風(fēng)沙工程的研究?jī)H在普速鐵路路基與橋梁擋風(fēng)墻方面,擋風(fēng)墻仍然無(wú)法從根本上解決風(fēng)害、沙害對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)挠绊?。防風(fēng)明洞能夠?qū)⑼饨绱箫L(fēng)環(huán)境與洞內(nèi)行車(chē)環(huán)境相對(duì)隔離,能夠有效隔絕外部環(huán)境與行車(chē)運(yùn)輸之間的相互影響,可在大風(fēng)區(qū)、沿海地區(qū)鐵路、公路以及其他環(huán)境敏感區(qū)防護(hù)隔離工程中廣泛應(yīng)用。

大風(fēng)荷載為防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)的主要荷載,直接影響結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和使用性能,國(guó)內(nèi)外在此領(lǐng)域尚無(wú)研究和實(shí)施的先例。風(fēng)荷載的研究是在理論分析、數(shù)值模擬研究和模型試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,還需要結(jié)合試驗(yàn)段的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與研究成果,進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證和優(yōu)化。蘭新鐵路第二雙線在百里風(fēng)區(qū)設(shè)置的防風(fēng)明洞試驗(yàn)段共1 149 m,已全部施工完成,相關(guān)測(cè)試、試驗(yàn)、研究正在進(jìn)行中。

[1] 鄭繼平.南疆鐵路大風(fēng)區(qū)橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2008(11):27-29.

[2] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.防風(fēng)工程修改初步設(shè)計(jì)文件[Z].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2010.

[3] 新疆氣象科技服務(wù)中心.2009年春季氣象分析報(bào)告[Z].烏魯木齊:新疆氣象科技服務(wù)中心,2009.

[4] 何永旺.蘭新第二雙線防風(fēng)明洞預(yù)制方案研究[J].國(guó)防交通工程與技術(shù),2011(4):24-27.

[5] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.防風(fēng)明洞試驗(yàn)段設(shè)計(jì)圖[Z].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2010.

[6] 中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50009—2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

[7] 盛智平.蘭新鐵路防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)研究[J].鐵道建筑, 2011(4):80-82.

[8] 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.大風(fēng)區(qū)高標(biāo)準(zhǔn)鐵路防風(fēng)明洞關(guān)鍵技術(shù)[Z].西安:中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,2013.

[9] 西南交通大學(xué).蘭新第二雙線防風(fēng)明洞數(shù)值模擬研究[R].成都:西南交通大學(xué),2009.

[10]西南交通大學(xué).蘭新第二雙線防風(fēng)明洞風(fēng)洞試驗(yàn)研究[R].成都:西南交通大學(xué),2009.

[11]蔣凡.車(chē)站無(wú)站臺(tái)柱雨棚風(fēng)荷載設(shè)計(jì)探討[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì), 2011(5):94-96.

[12]徐宏,楊敏,王欣,李昊天.風(fēng)荷載對(duì)連續(xù)鋼桁梁懸拼施工影響的仿真分析[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2009(S1):64-67.

Study of Wind Load on Arched Anti-wind Opencut Tunnel for Railway

JIN Bao-cheng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

The second double-tracked Lanzhou-Xinjiang Railway passes through the famous“100 km wind zone”and“30 km wind zone”where the wind hazards are very serious.Therefore,in order to minimize both speed limitaiton and wheel stopping,the anti-wind opencut tunnel was installed as a prevention measure at the core area of“100 km wind zone”.In this study,after the CFD numerical simulation as well as wind-tunnel model experiment and research,the distribution pattern of wind load acting on the anti-wind opencut tunnel surface was ascertained as follows:the wind load will increase with the increasing of wind speed;the wind load presentes positive pressure on the windward side,and presents negative pressure on the leeward side and on the arch crown.

anti-wind opencut tunnel;wind load;distribution pattern

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.014

1004-2954(2014)04-0061-04

2013-07-30;

2013-08-16

靳寶成(1976—),男,高級(jí)工程師,1999畢業(yè)于長(zhǎng)沙鐵道學(xué)院交通土建專(zhuān)業(yè),工學(xué)學(xué)士,E-mail:jbcwlq@126.com。