流場能量牽引在鐵路橋梁防風(fēng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉宗峰

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

1 工程概況

新建南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐，位于新疆自治區(qū)吐魯番市內(nèi)，蘭新高鐵與南疆鐵路交叉處，線路自蘭新高鐵大河沿站引出后，在南疆鐵路吐魯番站至珍珠泉站區(qū)間設(shè)置頭道河線路所接入南疆鐵路。線路建成后，動車從蘭新高鐵沿此樞紐聯(lián)絡(luò)線能進(jìn)入南疆鐵路開赴南疆，此項(xiàng)目有重要的政治及經(jīng)濟(jì)意義。

新疆地區(qū)是典型的內(nèi)陸性氣候，且周圍地勢相對平坦，受北方西伯利亞冷空氣影響，風(fēng)力極大，大風(fēng)時(shí)間長。天山山脈呈東西走向，是一道南北向的屏障，西伯利亞產(chǎn)生的冷重氣流向南進(jìn)入準(zhǔn)噶爾盆地后，因高山阻擋，擁積在天山北側(cè)，山脈埡口是氣流的天然通道[1-2]，受天山南北的氣壓差和埡口的通道效用，冷重空氣通過天山埡口后，極速向南，順坡走行，流速持續(xù)加快形成極端大風(fēng)。氣流經(jīng)風(fēng)口風(fēng)速增大，流經(jīng)鐵路地區(qū)，造成嚴(yán)重風(fēng)害[3]。

新疆是我國風(fēng)沙地貌分布最廣、沙丘類型最為復(fù)雜多樣的省區(qū)[4]，自然條件惡劣，人煙稀少，起風(fēng)速度快，持續(xù)時(shí)間長，風(fēng)速高，風(fēng)沙完全不同于其他風(fēng)沙地區(qū)，是世界罕有的極端風(fēng)沙區(qū)域。新疆境內(nèi)三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)力最為強(qiáng)勁，是我國乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)之一[5]。南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐位于著名的三十里風(fēng)區(qū)。本段橋梁位于高鐵及普速鐵路之間，針對高鐵及普速鐵路梁的特點(diǎn)，選用適宜梁型，對防風(fēng)結(jié)構(gòu)展開研究。南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐地理位置見圖1。

圖1 南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐聯(lián)絡(luò)線地理位置

2 大風(fēng)區(qū)鐵路主要問題

既有南疆鐵路經(jīng)常遭受大風(fēng)危害，風(fēng)區(qū)大風(fēng)頻繁，風(fēng)力強(qiáng)勁，風(fēng)速變化劇烈[6]。蘭新鐵路、南疆鐵路自開通后，多次受到新疆大風(fēng)的威脅，大風(fēng)對鐵路多次造成重大安全事故。新疆鐵路主要風(fēng)口分布見圖2。

相關(guān)資料顯示，因大風(fēng)造成停輪事故頻發(fā)，損毀貨車111節(jié)，客車11節(jié)。造成列車脫軌、傾覆事故32起，危及行車安全，嚴(yán)重影響了運(yùn)輸效益，行車安全，造成了不良社會影響。列車停運(yùn)、限速天數(shù)多等問題，嚴(yán)重影響鐵路運(yùn)營安全及正常運(yùn)營[7]。

圖2 新疆鐵路主要風(fēng)口分布

3 大風(fēng)區(qū)橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)置研究

蘭新高鐵與南疆鐵路聯(lián)絡(luò)線位于吐魯番北側(cè)，走行于新疆著名的三十里風(fēng)區(qū)的風(fēng)口處，風(fēng)力強(qiáng)勁，大風(fēng)頻繁，12級以上大風(fēng)經(jīng)常發(fā)生，線路防風(fēng)設(shè)計(jì)是本線的重點(diǎn)。防風(fēng)技術(shù)是蘭新高鐵建設(shè)和運(yùn)營的控制性因素[8]。

對于一些特殊的風(fēng)環(huán)境，如特大橋、高架橋等，列車的繞流流場改變更為突出，作用于列車上的氣動力顯著增大。相關(guān)文獻(xiàn)對蘭新高鐵及南疆鐵路風(fēng)區(qū)都進(jìn)行了研究[9]，本項(xiàng)目根據(jù)地形及橋高等特點(diǎn)對前期項(xiàng)目的成果進(jìn)一步細(xì)化，對橋梁防風(fēng)展開研究。

3.1 工程所在地風(fēng)速的確定

把頻率出現(xiàn)最多的大風(fēng)風(fēng)向稱為大風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向或大風(fēng)盛行風(fēng)向。繪制大風(fēng)風(fēng)向玫瑰圖，可定量反映鐵路沿線的大氣氣流情況[10]。根據(jù)南疆鐵路，蘭新鐵路防風(fēng)技術(shù)研究報(bào)告，本項(xiàng)目位于三十里風(fēng)區(qū)，三個泉風(fēng)口處。三十里風(fēng)區(qū)大風(fēng)時(shí)風(fēng)向W、WNW、SN。圖3為三十里風(fēng)區(qū)代表性大風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向統(tǒng)計(jì)玫瑰圖。該區(qū)年平均風(fēng)速1.6 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向E，大風(fēng)時(shí)風(fēng)向W、WNW、SN為主。

假設(shè)橋址處近地層內(nèi)10 min平均最大風(fēng)速隨高度變化遵循冪指數(shù)分布，其公式為

(1)

式中，VZ為Z高度處的風(fēng)速；V1為Z1高度處的風(fēng)速；α為風(fēng)速高度變化冪指數(shù)，其值的大小即表明了風(fēng)速垂直切變的強(qiáng)度。

根據(jù)南疆鐵路的梯度研究及風(fēng)速研究資料(圖4)，將氣象站30年，50年，100年一遇10 min平均最大風(fēng)速代入公式(1)，計(jì)算出30年，50年，100年一遇10 min平均最大風(fēng)速。計(jì)算得100年一遇10 min平均最大風(fēng)速53 m/s，主導(dǎo)風(fēng)向NW，設(shè)計(jì)采用百年一遇10 min平均最大風(fēng)速。當(dāng)線路走向與風(fēng)向夾角垂直，使得在這些地段運(yùn)行的列車主要受橫風(fēng)影響，列車安全運(yùn)營的危險(xiǎn)最大[11]。

圖3 三十里風(fēng)區(qū)代表性大風(fēng)主導(dǎo)風(fēng)向統(tǒng)計(jì)玫瑰圖

(注：實(shí)線為實(shí)測值，虛線為模式計(jì)算值)圖4 南疆鐵路梯度風(fēng)監(jiān)測站10 min平均 最大風(fēng)速隨高度輪廓線

3.2 采用的橋梁方案研究

根據(jù)聯(lián)絡(luò)線特點(diǎn)，南疆鐵路為客貨共線鐵路，采用2101系列T梁，荷載標(biāo)準(zhǔn)采用”中-荷載”。蘭新高鐵荷載標(biāo)準(zhǔn)采用“ZK-活載”。為兼顧南疆鐵路荷載高的要求，本線采用“中-荷載”。受最小曲線半徑R=700 m影響，本線速度目標(biāo)值不高，本線初步擬定采用2109聲屏障箱梁改造或者采用2101系列T梁改造(圖5)。橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)考慮在梁體迎風(fēng)側(cè)加設(shè)擋風(fēng)鋼板的構(gòu)造形式來降低大風(fēng)對行駛中的列車的沖擊影響，橋梁上設(shè)置擋風(fēng)屏后，列車的側(cè)向阻力系數(shù)、側(cè)傾力矩系數(shù)明顯減小(表1)。

圖5 加裝擋風(fēng)屏后的橋梁橫斷面

表1 2109系列簡支箱梁與2101系列簡支T梁的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)比選分析

綜合以上比較，2109系列簡支箱梁雖然擋風(fēng)屏結(jié)構(gòu)相對簡單，但橫向預(yù)應(yīng)力鋼束需要架梁后高空作業(yè)，施工工序復(fù)雜，時(shí)間較長，質(zhì)量難以保證，故最終選用2101系列簡支T梁[12]。

4 擋風(fēng)結(jié)構(gòu)研究方法

大風(fēng)對列車的沖擊荷載是流場加載在列車上的作用，要減小風(fēng)力對列車的危害，首先要研究清楚受力機(jī)理及力學(xué)模型。研究大風(fēng)流場荷載可采用以下幾種方法。

擬制定出符合教育部《大學(xué)英語課程教學(xué)要求》和院系本科人才培養(yǎng)定位的大學(xué)英語教學(xué)大綱。構(gòu)建以實(shí)用性內(nèi)容為主的、培養(yǎng)學(xué)生語言應(yīng)用能力的課程內(nèi)容體系；建立以學(xué)習(xí)者為中心的，適應(yīng)個性發(fā)展的分級教學(xué)模式，合理安排教學(xué)內(nèi)容和方法，提高教學(xué)效率，提升本專業(yè)學(xué)生英語四級通過率和英語口語溝通能力，調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與主動性。

4.1 流場數(shù)值計(jì)算

用數(shù)值計(jì)算方法求解描述流場流動的方程組，獲得流場相關(guān)信息，建立流場數(shù)值計(jì)算模型(圖6)。數(shù)值模擬計(jì)算不受試驗(yàn)固有條件的約束，可以將各種現(xiàn)象或者條件分別考慮，在工程設(shè)計(jì)的初級階段能夠通過計(jì)算得到大量流場信息，用于多方案比選，且具有研究周期短、費(fèi)用低的優(yōu)勢，是研究橋梁列車防風(fēng)的一種重要手段。

圖6 流場數(shù)值計(jì)算模型

4.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

通過建立列車、橋梁、擋風(fēng)屏模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)(圖7)，測量安裝擋風(fēng)屏后內(nèi)部的風(fēng)場變化規(guī)律、列車的氣動荷載、擋風(fēng)屏和橋梁的氣動力系數(shù)。通過多次試驗(yàn)得出常用跨度簡支梁采用的車橋三分力系數(shù)。根據(jù)三分力系數(shù)，可以計(jì)算出對于不同風(fēng)速下列車靜止?fàn)顟B(tài)傾覆力矩與穩(wěn)定力矩的關(guān)系列表，從而選用適宜擋風(fēng)結(jié)構(gòu)。

圖7 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

4.3 動力學(xué)仿真

三維動車數(shù)值模擬顯示，列車氣動力受列車運(yùn)行速度影響較大。評價(jià)列車的抗風(fēng)安全性，綜合考慮風(fēng)洞試驗(yàn)和動車數(shù)值模擬兩個方面的結(jié)果，對擋風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性分析(圖8)。

根據(jù)振動力學(xué)理論，通過比較擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的固有頻率與列車風(fēng)壓的作用頻率，當(dāng)作用頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相近時(shí)，即產(chǎn)生共振現(xiàn)象，否則不會產(chǎn)生共振。采用有限元軟件Midas分別對擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行分析。經(jīng)分析得擋風(fēng)板面外彎曲振動基階頻率為48.34 Hz，擋風(fēng)結(jié)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)面外彎曲振動基階頻率為8.8 Hz。

圖8 動力學(xué)仿真分析數(shù)據(jù)

5 研究結(jié)果分析

根據(jù)計(jì)算研究結(jié)果，在迎風(fēng)側(cè)設(shè)置擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，防護(hù)效果較好?？紤]列車高度影響，車體上所受的阻力、升力、傾覆力矩等隨擋風(fēng)墻高度增加而減少，當(dāng)擋風(fēng)屏高度逐漸加高達(dá)到4 m時(shí)，幅度趨于平穩(wěn)，滿足使用要求(圖9)。當(dāng)高度繼續(xù)增加時(shí)，擋風(fēng)效果有所增強(qiáng)，但增加幅度小?？紤]減小結(jié)構(gòu)自重對梁體的翼緣板壓力的影響，擋風(fēng)結(jié)構(gòu)最終高度選用4 m。

圖9 流場勢能分布模型

由以上模型分析可知，當(dāng)風(fēng)荷載受到梁體、擋風(fēng)結(jié)構(gòu)、列車的阻擋時(shí)，流場會相應(yīng)變化，迎風(fēng)側(cè)梁體及擋風(fēng)結(jié)構(gòu)外側(cè)，風(fēng)速大小及氣流形式變化明顯。擋風(fēng)結(jié)構(gòu)足夠強(qiáng)時(shí)才能抵抗住外側(cè)風(fēng)力，但擋風(fēng)結(jié)構(gòu)安裝在T梁翼緣板處，受結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸限制，只有通過擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的形狀調(diào)整及開孔等對流場勢能進(jìn)行牽引疏導(dǎo)，才能達(dá)到預(yù)期的擋風(fēng)效果。

6 擋風(fēng)結(jié)構(gòu)擋風(fēng)機(jī)理

6.1 擋風(fēng)板設(shè)置

采用柱板式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，橋梁縱向每2 m設(shè)置1道H型鋼擋風(fēng)立柱，立柱通過螺栓與預(yù)先埋入梁體內(nèi)的預(yù)埋件連接。在橋梁梁部迎風(fēng)側(cè)安裝耐候鋼制的橋梁擋風(fēng)板。擋風(fēng)結(jié)構(gòu)開孔單元板通過螺栓與立柱連接，覆蓋在H型鋼立柱內(nèi)側(cè)。

擋風(fēng)板采用帶孔波形鋼板，擋風(fēng)板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(圖10)。擋風(fēng)板的抗彎能力主要通過波高的加高或板厚的加厚實(shí)現(xiàn)的[16]。同時(shí)波形鋼板是立體結(jié)構(gòu)，整體剛度大，較平面鋼板整體穩(wěn)定性好。

圖10 波形板擋風(fēng)原理示意

擋風(fēng)板上開孔受氣流特點(diǎn)影響，采用圓形和橢圓形較好。單一的采用圓孔或橢圓孔，透過擋風(fēng)板的氣流較單一，容易同方向匯集，不利于消掉氣流能量。采用圓孔及橢圓孔交錯布置，透過擋風(fēng)板各個透風(fēng)孔的氣流方向，大小，風(fēng)壓強(qiáng)度均不相同，容易達(dá)成板后氣流紊亂的效果，進(jìn)一步消解氣流能量[17]。

在驗(yàn)算中，應(yīng)用有限元計(jì)算軟件Midas建立了擋風(fēng)板模型(圖11)及桿系有限元模型(圖12)。根據(jù)建立的有限元模型進(jìn)行擋風(fēng)板結(jié)構(gòu)的相關(guān)驗(yàn)算(表2)。在用Midas軟件進(jìn)行建模時(shí)，采用了梁單元。對于T形梁，在縱向上選取了2 m長的梁段，且只選取了單片T梁，在梁底采用固結(jié)的約束方式，在兩根T梁濕接縫的位置處也是采用固結(jié)。

圖11 擋風(fēng)板應(yīng)力云圖

圖12 T梁、擋風(fēng)板控制截面位置有限元模型

荷載主力+附加力截面位置軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)橋面板端60.11-21.17-17.47擋砟槽根部26.6258.93-14.6水平鋼件根部62.5523.24-16.86柱根部-4.0822.444.8斜撐-52.460.24-0.34

受擋風(fēng)結(jié)構(gòu)所傳遞過來的橫向風(fēng)力影響，原來通橋2101的T梁截面受力性能已經(jīng)不能滿足增加風(fēng)荷載后的受力要求。經(jīng)計(jì)算，對梁體進(jìn)行改造，將擋風(fēng)結(jié)構(gòu)側(cè)擋砟墻向外側(cè)加厚5 cm，向上加厚5 cm，橋面板向上加厚5 cm，受控截面處的鋼筋也相應(yīng)加強(qiáng)。如圖13所示。

圖13 通橋2101系列T梁改造截面示意(單位：mm)

擋風(fēng)立柱與梁體擋砟槽采用螺栓、套筒、銷釘和擋板等連接，N2焊釘與N1預(yù)埋π鋼采用自動螺柱焊；擋風(fēng)立柱根部與T梁馬蹄部分連接，采用φ80×5 mm，材質(zhì)為Q355NHD圓截面鋼管，起到斜向支撐作用，底部馬蹄部分采用預(yù)埋N7，N5鋼板，斜撐鋼管長度根據(jù)N6圓鋼位置調(diào)整。螺栓及螺母采用多元合金共滲+達(dá)可樂技術(shù)+封閉層處理。預(yù)埋件具體尺寸如圖14、圖15所示[18]。

圖14 擋砟墻預(yù)埋件

圖15 立柱斜撐底部預(yù)埋件

受風(fēng)荷載影響，橫向力增加明顯，橋梁傾覆系數(shù)重新檢算，支座選用時(shí)注意選用滿足要求的支座型號。橋墩作用力增加明顯，對墩身護(hù)面鋼筋進(jìn)行加強(qiáng)，樁基長度及樁基配筋等經(jīng)計(jì)算后相應(yīng)也有所增加。

列車進(jìn)出風(fēng)屏障時(shí)，產(chǎn)生的脈動氣壓不僅作用于風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)，而且也作用于列車本身，對列車運(yùn)行安全產(chǎn)生威脅。對于風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)而言，受到該脈沖壓力波的作用可能會毀壞，對于鋼擋風(fēng)結(jié)構(gòu)而言，長時(shí)間、高密度的荷載往復(fù)作用會引起結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[19]。擋風(fēng)立柱需達(dá)到疲勞檢算要求。

6.2 透風(fēng)步板對風(fēng)場勢能牽引

水平氣流沖擊到列車上，氣流轉(zhuǎn)為向上和向下兩個方向，向上的氣流排向周圍高空。而向下的氣流受到橋頂面不透風(fēng)結(jié)構(gòu)的抵擋，再反沖到列車底部，形成一個提升力，與向上的風(fēng)力及水平風(fēng)力形成一個圍繞著列車的扭轉(zhuǎn)彎矩。列車傾覆就是受這個扭轉(zhuǎn)彎矩作用發(fā)生的。

將迎風(fēng)側(cè)梁體不透風(fēng)的RPC人行道步板改用透風(fēng)結(jié)構(gòu)，對T梁下部側(cè)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部處理。當(dāng)水平氣流沖擊到列車后，反轉(zhuǎn)向下的氣流會通過人行道步板向下排走，不會再反沖到列車底部形成提升力，減小了風(fēng)力對列車的扭轉(zhuǎn)彎矩，進(jìn)一步增強(qiáng)了擋風(fēng)效果。

減弱大風(fēng)的破壞作用，通過對氣流進(jìn)行疏導(dǎo)，對風(fēng)場勢能進(jìn)行牽引，改變風(fēng)場勢能作用方向，效果明顯優(yōu)于純粹依靠擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，通過加強(qiáng)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來抵抗大風(fēng)破壞。施工完成后的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)見圖16。

圖16 施工完成后的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)

7 結(jié)語

橋梁處于高空中，考慮橋上防風(fēng)結(jié)構(gòu)重力對梁體受力有較大影響[20]。橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)難以通過加強(qiáng)自身強(qiáng)度來抵抗風(fēng)力。這種高空中的防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)該以改用輕型結(jié)構(gòu)，對氣流以疏導(dǎo)為主，牽引風(fēng)場勢能為發(fā)展方向。在本項(xiàng)目的防風(fēng)設(shè)計(jì)研究中發(fā)現(xiàn)：(1)擋風(fēng)結(jié)構(gòu)制造紊流消耗有害風(fēng)向，防護(hù)作用明顯好于靠加強(qiáng)結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度來抵抗風(fēng)害；(2)對氣流進(jìn)行疏導(dǎo)，對風(fēng)場勢能進(jìn)行牽引，改變風(fēng)荷載影響作用顯著；(3)鐵路橋梁結(jié)構(gòu)防風(fēng)設(shè)計(jì)，應(yīng)該以風(fēng)場勢能的研究為主方向，局限于平面的受力關(guān)系研究勢必會影響防風(fēng)設(shè)計(jì)思路。

南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐已于2017年12月1日建成通車。開通后，高鐵可通過此樞紐直通南疆，實(shí)現(xiàn)了“高鐵進(jìn)南疆”的目的，增進(jìn)了民族間友誼，縮短了南疆與烏魯木齊及內(nèi)地的旅行時(shí)間，保障了社會的穩(wěn)定，有重要的政治及經(jīng)濟(jì)意義。

本項(xiàng)目橋梁的防風(fēng)設(shè)計(jì)，引入了流場勢能牽引的概念，為以后的強(qiáng)風(fēng)區(qū)的防風(fēng)設(shè)計(jì)開拓了思路，具有很好的方向指引作用。