蘭新高速鐵路橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)擋風(fēng)板設(shè)計

俞　萍

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

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蘭新高速鐵路橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)擋風(fēng)板設(shè)計

俞萍

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，西安710043)

摘要：蘭新高速鐵路經(jīng)過的大風(fēng)區(qū)自然條件惡劣，大風(fēng)強(qiáng)勁、頻繁，嚴(yán)重危害鐵路運(yùn)營的安全。鑒于現(xiàn)有的橋梁防風(fēng)技術(shù)遠(yuǎn)不能滿足高速鐵路的要求，針對蘭新高速鐵路大風(fēng)特征、高標(biāo)準(zhǔn)鐵路的要求，對橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)擋風(fēng)板進(jìn)行設(shè)計研究。通過理論研究、數(shù)值模擬分析及風(fēng)洞試驗等方法，確定擋風(fēng)板的合理開孔率、波高及板厚等技術(shù)參數(shù)，設(shè)計出適用于高速鐵路橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)板。本項設(shè)計達(dá)到了本線橋梁防風(fēng)技術(shù)的預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：蘭新高速鐵路；橋梁；擋風(fēng)結(jié)構(gòu)；擋風(fēng)板；防風(fēng)技術(shù)

1概述

蘭新高速鐵路于2014年12月26日全線開通運(yùn)營，是中國西北高寒風(fēng)沙區(qū)域修建的首條高速鐵路，是橫貫西部的一條現(xiàn)代“鋼鐵絲綢之路”[1]。蘭新高速鐵路位于甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區(qū)三省區(qū)，線路長度約1 776 km。其中甘肅境內(nèi)正線長798.93 km，青海境內(nèi)正線長266.92 km，新疆境內(nèi)正線長709.92 km。全線通過安西風(fēng)區(qū)、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)等5大風(fēng)區(qū)，共計大風(fēng)區(qū)線路長度579.6 km，占線路總長的32.6%。其中甘青段風(fēng)區(qū)共有16座橋，橋梁總長約36 km；新疆段風(fēng)區(qū)共有121座橋，橋梁總長約66.3 km[2]。

蘭新高速鐵路所經(jīng)地區(qū)晝夜溫差變化較大，風(fēng)區(qū)風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)頻繁，曾多次造成既有蘭新鐵路翻車、停輪，給鐵路運(yùn)輸帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會影響。既有蘭新鐵路百里風(fēng)區(qū)采用擋風(fēng)橋梁與鐵路橋梁并行設(shè)置，采用帶孔擋風(fēng)鋼板；南疆鐵路采用與梁體連為一體的橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)[3]，采用開圓孔的Q345qD鋼材的波形鋼板。這兩種擋風(fēng)結(jié)構(gòu)均適用于普速鐵路，不能滿足蘭新高速鐵路的使用要求，因此需研究設(shè)計適用于高速鐵路橋梁的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)[4]。在廣泛調(diào)研、搜集已有防風(fēng)資料的基礎(chǔ)上，課題組與西南交通大學(xué)合作[2]，通過數(shù)值模擬分析、風(fēng)洞試驗[5]，開展了橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究。

2橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的選材與組成

橋梁上擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量對梁體受力有較大影響，宜采用自重較輕的鋼結(jié)構(gòu)。新疆地區(qū)氣候惡劣、降雨量小、蒸發(fā)量大，鋼結(jié)構(gòu)會面臨銹蝕、磨蝕的問題，而耐候鋼具有耐銹蝕[6]、減薄降耗、省工節(jié)能的特性，因此選用耐候鋼作為橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的鋼材[7]。

橋梁上擋風(fēng)結(jié)構(gòu)由梁體預(yù)埋件、耐候鋼擋風(fēng)立柱和波形耐候鋼擋風(fēng)屏3部分組成。

擋風(fēng)立柱采用工字形熱軋型鋼，沿橋梁縱向2 m左右設(shè)置1處，立柱通過與梁體翼緣處的螺栓和梁體腹板處的鋼鉸連接，固定于梁體上。在立柱間安裝波形擋風(fēng)屏，形成橋梁上的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)不同的風(fēng)區(qū)[8]及相鄰段落的路基防風(fēng)工程[9]和風(fēng)洞試驗研究等，結(jié)合蘭新高速鐵路的不同梁型：箱梁[10]、組合T梁、槽形梁[11]，擋風(fēng)結(jié)構(gòu)分為單側(cè)3.5 m高擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，單側(cè)4 m高擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，雙側(cè)3.5 m高擋風(fēng)結(jié)構(gòu)及雙側(cè)4 m高擋風(fēng)結(jié)構(gòu)(單側(cè)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)均安裝在橋梁迎風(fēng)側(cè))。橋梁上雙側(cè)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。

圖1　32 m箱梁雙側(cè)4 m擋風(fēng)結(jié)構(gòu)橫截面(單位：mm)

圖2　雙側(cè)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)橋梁橋面

3擋風(fēng)板設(shè)計

擋風(fēng)屏由數(shù)塊擋風(fēng)板[12]組成，擋風(fēng)板采用開孔的波形鋼板，這種形式不但可以改變一部分來流風(fēng)通過擋風(fēng)板后的風(fēng)向，也可以使來流風(fēng)通過擋風(fēng)板以后形成板后空氣紊流，能最大限度地?fù)p失來流風(fēng)的動能，降低來流風(fēng)的風(fēng)速，從而達(dá)到擋風(fēng)的目的[2]。

擋風(fēng)板采用耐候鋼材質(zhì)，根據(jù)不同風(fēng)區(qū)，通過試驗確定合理的開孔率、波高及板厚。擋風(fēng)板立面和側(cè)面構(gòu)造如圖3所示。

3.1擋風(fēng)板的開孔率

通過數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗確定擋風(fēng)板的合理投影開孔率為20%[2]。經(jīng)過風(fēng)洞試驗驗證：在擋風(fēng)板20%開孔率條件下，設(shè)置擋風(fēng)結(jié)構(gòu)后橫風(fēng)作用可減少為未設(shè)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)時的25%左右。

圖3　擋風(fēng)板立面和側(cè)面構(gòu)造(單位：mm)

擋風(fēng)板的開孔率分為2種：20%開孔率時，波形板斜面上設(shè)有3排開孔，平面上設(shè)有1排開孔；10%開孔率時，波形板斜面和平面上只設(shè)有1排開孔。開孔方式為長圓端孔與短圓端孔交錯布置，短圓端孔長度22 mm，長圓端孔長度45 mm， 孔中心間距51 mm。擋風(fēng)屏豎向由20%擋風(fēng)板和10%擋風(fēng)板組合而成，這種方式使得擋風(fēng)屏組合開孔率小于20%。

現(xiàn)場施工的開孔率擋風(fēng)板，在西南交大的風(fēng)洞場內(nèi)按1∶1的模型進(jìn)行足尺風(fēng)洞試驗，試驗結(jié)果顯示：減風(fēng)效果與設(shè)計的要求一致[2]。20%擋風(fēng)板立面如圖4、圖5所示，10%擋風(fēng)板立面如圖6所示。

圖4　20%擋風(fēng)板立面示意

圖5　20%開孔率擋風(fēng)板成品

圖6　10%擋風(fēng)板立面示意

3.2擋風(fēng)板的板厚

根據(jù)不同的風(fēng)區(qū)，擋風(fēng)板的板厚可選用3 mm或4 mm：

(1)一般風(fēng)區(qū)低橋，對應(yīng)風(fēng)壓2.7 kPa以下，可采用3 mm板厚；

(2)一般風(fēng)區(qū)高橋和強(qiáng)風(fēng)區(qū)低橋，對應(yīng)風(fēng)壓在2.7～4.0 kPa，可采用4 mm板厚；

(3)強(qiáng)風(fēng)區(qū)高橋，對應(yīng)風(fēng)壓在4.0～6.0 kPa，可采用4 mm板厚[2]。

3.3擋風(fēng)板的波高

設(shè)置波形的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)后，風(fēng)通過擋風(fēng)板時，位于斜面上的開孔不但會減少通過的風(fēng)，還會局部改變風(fēng)的方向，在擋風(fēng)板后形成局部的湍流，從而進(jìn)一步提高擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的減風(fēng)效果。通過對50、60、70 mm三種波高的比較，在70 mm波高時，斜面上可以采用3排孔，50 mm及60 mm波高僅能采用2排孔，所以增加波高對改善減風(fēng)效果是有利的。

擋風(fēng)板的抗彎能力主要是通過波高的加高或板厚的加厚實現(xiàn)的，因此在板厚相同的條件下，適當(dāng)加高波高，在材料用量較少增加的條件下，可有效降低波形板的應(yīng)力。經(jīng)計算，板厚為4 mm條件下:波高70 mm時，板的應(yīng)力為141 MPa;波高50 mm時，板的應(yīng)力為158 MPa。隨著波高的減少，結(jié)構(gòu)應(yīng)力增加了12%[2]。

綜合比較波高變化對減風(fēng)效果、對結(jié)構(gòu)應(yīng)力及位移、對開孔布置的影響等，擋風(fēng)板波高選用70 mm較為合適。

3.4計算結(jié)果

荷載按照自重+脈動力(負(fù)壓)+風(fēng)荷載考慮。一般風(fēng)區(qū)擋風(fēng)板必須能夠抵抗4 kPa的表面壓力，大風(fēng)地區(qū)擋風(fēng)板必須能夠抵抗6 kPa的表面壓力。擋風(fēng)板的變形撓度值需要小于L/100(L為擋風(fēng)板長度)。

(1)在6 kPa的表面壓力作用下，板厚采用4 mm，波高70 mm。除擋風(fēng)板和立柱連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中外，擋風(fēng)板其他部位有效應(yīng)力141 MPa，位移6.2 mm。

(2)在4 kPa的表面壓力作用下，板厚采用3 mm，波高70 mm。除擋風(fēng)板和立柱連接處出現(xiàn)應(yīng)力集中外，擋風(fēng)板其他部位有效應(yīng)力127 MPa，位移6.0 mm。

擋風(fēng)板在北京交大通過試驗，疲勞可滿足設(shè)計要求[2]。

3.5U形卡槽的設(shè)計

為提高板端剛度，同時便于擋風(fēng)板的安裝和運(yùn)輸，在擋風(fēng)板兩端設(shè)置有U形卡槽，厚4 mm?？ú鄄捎寐菟ㄅc擋風(fēng)板連接，并在擋風(fēng)板與卡槽連接的端部設(shè)置分段焊縫，確保了擋風(fēng)板與卡槽的可靠傳力，避免了在擋風(fēng)板上開長圓孔，造成的擋風(fēng)板受力局部削弱帶來的應(yīng)力集中的問題。

為適應(yīng)立柱間距誤差及立柱間溫度變形的影響，在卡槽上設(shè)置38 mm的長圓孔，采用雙螺母及防脫銷，以滿足安裝及螺栓防松的要求，并在螺栓連接部位放置墊圈，以確保螺栓連接的牢固性。標(biāo)準(zhǔn)卡槽平面構(gòu)造如圖7所示。

圖7　卡槽平面構(gòu)造(單位：mm)

3.6擋風(fēng)板的標(biāo)準(zhǔn)高度與標(biāo)準(zhǔn)長度

根據(jù)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)高3.5 m和4.0 m，擋風(fēng)屏豎向分為7或8塊擋風(fēng)板，擋風(fēng)板豎向連接采用搭接的方式，標(biāo)準(zhǔn)波形擋風(fēng)板高552 cm，與上下?lián)躏L(fēng)板各搭接26 cm。標(biāo)準(zhǔn)擋風(fēng)板按波形彎折后扣除搭接部分高度為500 cm。

沿橋梁縱向擋風(fēng)立柱標(biāo)準(zhǔn)間距是2.0 m，立柱采用工字形熱軋型鋼，立柱的標(biāo)準(zhǔn)截面形式分為3種，擋風(fēng)板根據(jù)立柱截面也分為3種標(biāo)準(zhǔn)長度，如表1所示。

表1　擋風(fēng)立柱規(guī)格和對應(yīng)擋風(fēng)板長度[13]

3.7梁端擋風(fēng)板的設(shè)計

在橋梁端部，為適應(yīng)不同的梁縫寬度和溫度變化引起的伸縮，立柱翼緣寬度根據(jù)需要可做適當(dāng)加寬。同時為了減少擋風(fēng)板的類型，對一定范圍的梁縫設(shè)計為一種擋風(fēng)板長度，通過板端卡槽、長圓孔來適應(yīng)不同的梁縫寬度和溫度變化引起的伸縮。

(1)對于標(biāo)準(zhǔn)簡支梁，標(biāo)準(zhǔn)卡槽尺寸和38 mm的長圓孔就能滿足上述跨梁縫處擋風(fēng)板的設(shè)計。

(2)對于大跨度連續(xù)梁，由于溫度變化引起的伸縮較大，對梁端處的立柱靠梁縫一側(cè)的翼緣進(jìn)行加寬，且跨梁縫處的擋風(fēng)板兩端的卡槽需分別設(shè)計，可對擋風(fēng)板中與連續(xù)梁立柱相接側(cè)的卡槽加寬，長圓孔加長來適應(yīng)溫度變化引起的伸縮；與簡支梁相接側(cè)的卡槽和長圓孔可采用標(biāo)準(zhǔn)尺寸。

例如：蘭新高速鐵路新疆段達(dá)坂城濕地特大橋(40+64+40) m連續(xù)梁3號墩位于曲線上[14]，與箱梁相接時，梁縫寬度f=16 ～18 cm，擋風(fēng)板按照f=18 cm生產(chǎn)。在安裝時，將簡支箱梁側(cè)立柱螺栓孔與擋風(fēng)板長圓孔2中心對齊；連續(xù)梁端立柱螺栓孔對應(yīng)長圓孔1，螺栓安裝孔位可以根據(jù)實際情況調(diào)整[15]。如圖8所示。

圖8　梁端處擋風(fēng)板立面(單位：mm)

4擋風(fēng)屏與擋風(fēng)立柱的連接

擋風(fēng)板先與U形卡槽連接再通過螺栓與立柱連接，擋風(fēng)板豎向之間采用搭接的方式，由此形成整體擋風(fēng)屏。

擋風(fēng)板和卡槽采用M16，10.9S高強(qiáng)螺栓與立柱連接，安裝后螺母需擰緊。擋風(fēng)板之間采用M14，10.9S高強(qiáng)螺栓進(jìn)行豎向搭接，可提高擋風(fēng)板連接位置的剛度，并減少風(fēng)噪，安裝后螺母需擰緊。位于跨梁縫的擋風(fēng)板，要保證其在縱向能夠自由滑動，以適應(yīng)溫度變化引起的伸縮，安裝后螺母無需擰緊[15]。

擋風(fēng)板安裝在立柱內(nèi)側(cè)，安裝中擋風(fēng)板與立柱的螺母位于遠(yuǎn)離線路一側(cè)，因有卡槽的阻擋，即使螺栓偶然脫落，也不會發(fā)生列車吸附造成的安全問題?？ú叟c立柱連接方便，螺栓的安裝及維護(hù)均在線路內(nèi)側(cè)進(jìn)行，避免了擋風(fēng)板與立柱采用直接連接時，安裝及養(yǎng)護(hù)人員需外掛施工的不便和不安全。

擋風(fēng)板、卡槽、立柱連接平面如圖9所示，擋風(fēng)屏與擋風(fēng)立柱立面連接如圖10所示。擋風(fēng)屏與擋風(fēng)立柱的連接見圖11。

圖9　擋風(fēng)板、卡槽、立柱連接平面示意(單位：mm)

根據(jù)橋梁地處不同的風(fēng)區(qū)，列車的防風(fēng)需要，擋風(fēng)板的豎向布置可采用10%開孔率擋風(fēng)板與20%開孔率擋風(fēng)板進(jìn)行豎向組合。以4 m高擋風(fēng)結(jié)構(gòu)為例，可在橋面以上0.5～1.5 m范圍內(nèi)采用10%開孔率擋風(fēng)板，其余3.5～2.5 m范圍內(nèi)采用20%開孔率擋風(fēng)板。這樣的組合方式方便靈活，且保證了擋風(fēng)屏的整體開孔率小于20%，同時，對于列車下側(cè)減少開孔，可進(jìn)一步提高減風(fēng)效果。

5結(jié)語

蘭新高速鐵路橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)擋風(fēng)板的合理技術(shù)參數(shù)如下。

(1)通過數(shù)值分析和風(fēng)洞試驗確定擋風(fēng)板的合理投影開孔率為20%；擋風(fēng)板厚度根據(jù)風(fēng)壓可采用3 mm或4 mm；波高采用70 mm。

(2)擋風(fēng)板開孔方式采用長圓端孔與短圓端孔交錯布置。

(3)擋風(fēng)板兩端設(shè)置卡槽，可提高板端剛度，同時便于板的安裝與運(yùn)輸。

(4)擋風(fēng)板之間的豎向連接采用搭接的方式，并采用螺栓安裝，可提高擋風(fēng)板連接位置的剛度，并減少風(fēng)噪。

在國內(nèi)，蘭新高速鐵路首次應(yīng)用了新型橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)的設(shè)置能夠明顯降低作用于列車的橫風(fēng)作用，在風(fēng)速不大于40 m/s時，列車仍能以120 km/h

的速度安全運(yùn)行。擋風(fēng)板的合理設(shè)計保證了在大風(fēng)條件下列車運(yùn)營的安全，并改善了旅客的視野效果，提高了列車的舒適程度。本設(shè)計成果可為其他鐵路穿越新疆、內(nèi)蒙、沿海等頻繁受大風(fēng)或臺風(fēng)影響地區(qū)等對風(fēng)環(huán)境敏感的相關(guān)工程提供借鑒和參考，也可應(yīng)用于其他公路、市政工程的建設(shè)。目前，蘭新高速鐵路已運(yùn)營了一年多，通過了高溫、高寒和風(fēng)沙雨雪的考驗，為人們的出行提供便捷，社會效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

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收稿日期：2016-01-16； 修回日期：2016-02-22

基金項目：中國鐵道建筑總公司科技研究開發(fā)計劃項目(10-01A)

作者簡介：俞萍(1981—)，女，工程師，2005年畢業(yè)于蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：8336566@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0086-04

中圖分類號：U238； U443.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.020

The Design of Bridge Wind Shield for Lanzhou-Urumqi High Speed Railway

YU Ping

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Lanzhou-Urumqi high speed railway traverses through area with strong and frequent wind， which endangers the normal railway operation. In view of failure of the existing wind resistance technology to meet the requirements of high-speed railway， this paper studies and designs the bridge wind shield based on the features and requirements of high-speed railway. Reasonable hole rate， wave height and thickness of bridge wind shield are defined by means of theoretical research， numerical simulation analysis and wind tunnel test. The structure of bridge wind shield applying to high-speed railway is designed. This design meets the requirements of the line

Key words：Lanzhou-Urumqi high speed railway; Bridge; Wind resistant structure; Wind shield； Wind resistance technology