云桂鐵路南盤江特大橋?qū)эL(fēng)欄桿研究

任 偉, 何庭國, 陳克堅, 胡玉珠

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 四川成都 610031)

1 工程概況

隨著我國西南山區(qū)高速鐵路的快速發(fā)展，越來越多地遇到了需采用大跨橋梁進(jìn)行跨越的高山峽谷地形(圖1)。這些峽谷地形有一個典型的特點就是橋梁高度高、風(fēng)速大，局部月份的瞬間風(fēng)速可達(dá)30 m/s。云桂鐵路南盤江特大橋橋址處就屬于這種地形，橋面與溝底高差達(dá)到270 m，峽谷瞬時最大風(fēng)速達(dá)24 m/s，約為十級大風(fēng)[1]。后期運營過程中，在最大峽谷風(fēng)力作用下，列車通過大橋時存在較大的安全隱患，因此大橋的抗風(fēng)設(shè)計顯得尤為關(guān)鍵。

圖1 山區(qū)峽谷地形特點

2 國內(nèi)外大橋抗風(fēng)設(shè)計現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)大橋抗風(fēng)設(shè)計現(xiàn)狀

國內(nèi)鐵路風(fēng)屏障目前主要應(yīng)用于西北風(fēng)沙較大地區(qū)，早期我國既有蘭新線采用的是一種分離式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)，即在鐵路橋梁的迎風(fēng)側(cè)單獨修建一座橋梁，在該橋梁上修建風(fēng)屏障[2](圖2)。

圖2 分離式擋風(fēng)結(jié)構(gòu)示意

該方案的優(yōu)點是擋風(fēng)結(jié)構(gòu)與鐵路橋梁完全分開，結(jié)構(gòu)受力明確，但缺點也很明顯，單獨修建一座橋梁，造價高，景觀效果差，特別是橋梁高度較高時則不太適用。

新建蘭新高鐵在分離式方案基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，采用了與梁體連接在一起的板式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)(圖3)。該方案擋風(fēng)板采用帶孔鋼板，根據(jù)風(fēng)洞試驗結(jié)果來看，這種帶孔鋼板能夠較大地消耗風(fēng)的動能且景觀效果較分離式方案更好。但該方案主要目的是擋住來風(fēng)，避免來風(fēng)對行車的影響，缺點在于會對梁產(chǎn)生較大的橫向風(fēng)力，對梁受力不利。

圖3 蘭新高鐵擋風(fēng)結(jié)構(gòu)示意

2.2 國外大橋抗風(fēng)設(shè)計現(xiàn)狀

國外對橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的研究起步較早，根據(jù)橋梁自身的地形和結(jié)構(gòu)特點，采用的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)種類與國內(nèi)也有較大的差異。如法國米洛高架橋采用的是一種格柵式橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)[3](圖4)。而西班牙馬德里-薩拉戈薩-法國的高速鐵路Ebro橋則在梁部設(shè)計中兼顧了擋風(fēng)功能，該橋采用了一種腹板開孔的槽型梁結(jié)構(gòu)[2](圖5)。

圖4 米洛高架橋擋風(fēng)結(jié)構(gòu)示意

圖5 Bero橋擋風(fēng)結(jié)構(gòu)示意

以上國內(nèi)外橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計也為我國山區(qū)高速鐵路峽谷強(qiáng)風(fēng)地區(qū)橋梁抗風(fēng)設(shè)計提供了很好的思路和方法。

3 云桂鐵路南盤江特大橋?qū)эL(fēng)欄桿設(shè)計

云桂鐵路南盤江特大橋全長852.43 m，主橋為單跨416 m上承式鋼筋混凝土拱橋，拱圈為懸鏈線，拱軸系數(shù)m=1.8，矢高99 m，矢跨比為f/L=1/4.2。拱圈采用單箱三室的等高變寬箱型截面，高8.5 m，寬度從拱頂至拱腳18～28 m變化[1]。為解決南盤江特大橋峽谷風(fēng)作用下的行車安全問題，設(shè)計了一種集擋風(fēng)和導(dǎo)風(fēng)功能于一體的新型橋面擋風(fēng)結(jié)構(gòu)——導(dǎo)風(fēng)欄桿。

導(dǎo)風(fēng)欄桿體系為特殊設(shè)計的迎風(fēng)面均布通風(fēng)孔的多根帶有一定傾角和導(dǎo)風(fēng)角的金屬欄桿，欄桿頂距梁頂約3.5 m，導(dǎo)風(fēng)葉片間距50 cm，下部設(shè)置1 m高基礎(chǔ)[1]，在增強(qiáng)橋梁防風(fēng)效果的同時將安裝導(dǎo)風(fēng)欄桿的預(yù)埋件置于墻體中保證安裝的穩(wěn)固。施工時多根導(dǎo)風(fēng)欄桿獨立安裝，增強(qiáng)了在高處安裝的安全性如圖6～圖9所示。

圖6 導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)示意

圖7 橋面布置示意

圖8 導(dǎo)風(fēng)欄桿布置

圖9 橋面導(dǎo)風(fēng)欄桿安裝效果

4 導(dǎo)風(fēng)欄桿性能驗證

為驗證南盤江特大橋?qū)эL(fēng)欄桿的抗風(fēng)性能，進(jìn)行了相關(guān)的風(fēng)洞試驗和風(fēng)-車-橋耦合動力響應(yīng)分析。

4.1 風(fēng)洞試驗

風(fēng)洞試驗在西南交通大學(xué)單回流串聯(lián)雙試驗段工業(yè)風(fēng)洞(XNJD-1)第二試驗段中進(jìn)行，主梁節(jié)段模型及列車采用1∶30的幾何縮尺比。針對導(dǎo)風(fēng)欄桿設(shè)置間距50 cm、60 cm、70 cm，導(dǎo)風(fēng)角20 °、30 °、40 °以及擋板孔徑25 mm、30 mm等不同方案進(jìn)行了實驗，實驗?zāi)Ｐ腿鐖D10所示。實驗結(jié)果表明欄桿間距50 cm、導(dǎo)風(fēng)角30 °、擋板孔徑30 mm方案的防風(fēng)效果最好，可降低橫向風(fēng)力50 %以上[4]。

圖10 導(dǎo)風(fēng)欄桿風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ?/p>

4.2 風(fēng)-車-橋動力分析

風(fēng)-車-橋耦合動力分析采用多自由度有限元模型，主要進(jìn)行不采用導(dǎo)風(fēng)欄桿以及不同方案導(dǎo)風(fēng)欄桿條件下的分析計算，考察其列車和橋梁動力性能。有限元計算模型如圖11所示。

圖11 全橋有限元模型示意

風(fēng)-車-橋耦合動力分析結(jié)果與風(fēng)動實驗較為吻合，欄桿間距50 cm、導(dǎo)風(fēng)角30 °、擋板孔徑30 mm方案的防風(fēng)效果最好。按該方案設(shè)置導(dǎo)風(fēng)欄桿后列車的阻力系數(shù)從1.139 8減小為0.384 8[4]，列車所受風(fēng)荷載明顯降低，橋梁和車輛動力性能在橋面平均風(fēng)速25 m/s及以下時均滿足規(guī)范要求，能夠保證列車安全舒適運行。

5 結(jié)束語

南盤江特大橋?qū)эL(fēng)欄桿設(shè)計新穎、造型美觀、安裝方便， 經(jīng)風(fēng)洞試驗和風(fēng)-車-橋耦合動力分析結(jié)果表明安裝導(dǎo)風(fēng)欄桿后可有效降低橫向風(fēng)力50%以上。目前該導(dǎo)風(fēng)欄桿已獲得國家發(fā)明專利并在云桂鐵路南盤江特大橋上成功應(yīng)用，大橋通車兩年多來列車運行安全平穩(wěn)。該導(dǎo)風(fēng)欄桿體系的成功研發(fā)也為后續(xù)山區(qū)峽谷強(qiáng)風(fēng)地去高度鐵路橋梁的防風(fēng)設(shè)計提供了經(jīng)驗。