強(qiáng)風(fēng)區(qū)高鐵沿線板狀風(fēng)致硬飄物典型參數(shù)影響研究

周 彥,楊永代,夏志遠(yuǎn),方 釗

(1. 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海高鐵維修段, 上海 200071;2. 蘇州科技大學(xué)土木工程學(xué)院, 江蘇 蘇州 215011;3. 南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院, 江蘇 南京 211167)

我國高鐵建設(shè)始于2008年,經(jīng)過十幾年的發(fā)展,其總里程數(shù)已達(dá)到3萬多公里,占世界鐵路總里程的60%以上,預(yù)計(jì)到2025年,我國將全面建成“八縱八橫”高鐵網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)高速鐵路全覆蓋[1-4].隨著城市的不斷擴(kuò)張和發(fā)展,很多構(gòu)筑物出現(xiàn)于高鐵沿線,比如小型磚瓦建筑、臨時工棚以及工業(yè)廠房等,當(dāng)遭受強(qiáng)風(fēng)作用時,彩鋼屋面板和圍護(hù)結(jié)構(gòu)等由于自重較輕、連接較弱,會產(chǎn)生與原結(jié)構(gòu)的剝離現(xiàn)象,形成風(fēng)致硬飄物,對高鐵線路網(wǎng)構(gòu)成威脅[5].2018年,京滬高鐵廊坊至北京段沿線一民房屋面彩鋼板(52 m×7 m)受6級大風(fēng)作用飄起并撞擊高鐵,造成40余趟列車停運(yùn).

我國東南沿海地區(qū)高鐵網(wǎng)絡(luò)縱橫,沿線建設(shè)較多,且處于強(qiáng)/臺風(fēng)多發(fā)區(qū)域,最大風(fēng)速甚至高達(dá)60 m/s,易造成屋面和圍護(hù)結(jié)構(gòu)破壞,因此,該區(qū)域高鐵沿線面臨的潛在威脅不容忽視.近年來,國內(nèi)外諸多學(xué)者對風(fēng)致飛射物或硬飄物飛行狀態(tài)開展了分析和研究.文獻(xiàn)[6]采用試驗(yàn)的方法研究平板狀飛射物的飛行特性,獲得板轉(zhuǎn)動過程中的升、阻力和翻轉(zhuǎn)彎矩,指明其風(fēng)力系數(shù)與風(fēng)攻角有關(guān),并發(fā)現(xiàn)求解結(jié)果與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比對良好;文獻(xiàn)[7]、文獻(xiàn)[8]對塊狀和板狀硬飄物進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究,建立了立方體和平板狀硬飄物的起飛初速;文獻(xiàn)[9]研究了硬飄物豎向速度與其所受風(fēng)力的影響,探討了空氣湍流特性對硬飄物整個飛行狀態(tài)和飛行軌跡的影響,基于風(fēng)洞試驗(yàn)建立了平板狀硬飄物風(fēng)力系數(shù)與風(fēng)攻角的關(guān)系,進(jìn)而求得其運(yùn)動方程；文獻(xiàn)[10]建立6自由度硬飄物計(jì)算模型,驗(yàn)證了風(fēng)致硬飄物的橫向運(yùn)動特性；文獻(xiàn)[11]基于文獻(xiàn)[10]的方法模擬板狀硬飄物,分析不同風(fēng)攻角板狀硬飄物的飛行軌跡;文獻(xiàn)[12]采用CFD數(shù)值模擬方法研究主要參數(shù)風(fēng)攻角、轉(zhuǎn)動角速度對板的飛行狀態(tài)影響;文獻(xiàn)[13]基于CFD數(shù)值模擬,計(jì)算了棒狀硬飄物運(yùn)動軌跡,發(fā)現(xiàn)其氣動力與當(dāng)前時刻位移和相對速度關(guān)系緊密,與前狀態(tài)無關(guān),但分析中未考慮風(fēng)場和硬飄物的耦合;文獻(xiàn)[14]基于CFD數(shù)值模擬,對屋面板的破壞和硬飄物情況進(jìn)行分析,給出破壞的最大風(fēng)速和最大撞擊能量.

我國《鐵路安全管理?xiàng)l例》第53條規(guī)定,禁止在鐵路導(dǎo)線兩側(cè)各500 m范圍內(nèi)升放風(fēng)箏、氣球等低空漂浮物體,但《鐵路安全管理?xiàng)l例》尚未對擬建或在建構(gòu)筑物有明確避讓距離要求,更無針對強(qiáng)風(fēng)區(qū)高鐵沿線構(gòu)筑物的避讓距離.本文以沿海地區(qū)某現(xiàn)役輕鋼工業(yè)廠房為研究對象,圍繞強(qiáng)風(fēng)作用下屋面彩鋼板即板狀風(fēng)致硬漂物典型參數(shù)影響展開研究,闡明板狀風(fēng)致硬飄物在風(fēng)速、廠房高度和板特征長度3個參數(shù)影響下的飛行軌跡和影響輻射范圍,給出避讓范圍或安全距離,為高鐵沿線安全運(yùn)營提供保障,也為相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的編制提供參考.

1 板狀硬飄物的飛行方程和計(jì)算基本理論

板狀硬飄物飛行過程受到重力、風(fēng)升力和阻力共同作用,同時考慮風(fēng)壓作用點(diǎn)與板重心不重合而產(chǎn)生的翻轉(zhuǎn)效應(yīng),最終板狀硬飄物會產(chǎn)生水平及豎直向位移和翻轉(zhuǎn)角位移.[15]圖1為板狀風(fēng)致硬飄物幾何尺寸和相關(guān)角度關(guān)系.圖1中：β為相對風(fēng)速與水平方向的夾角；θ為平板與水平方向的夾角；α為相對風(fēng)速與平板之間的夾角,即風(fēng)攻角,α=β+θ.

對于一般板狀硬飄物,其受到沿著相對風(fēng)速方向的風(fēng)阻力、垂直于相對風(fēng)速方向的風(fēng)升力、翻轉(zhuǎn)彎矩,當(dāng)進(jìn)行水平和豎向兩個方向分解時,板狀風(fēng)致硬飄物的平面內(nèi)運(yùn)動方程可表達(dá)為:

(a) 硬飄物幾何尺寸

(1)

式中:ρa(bǔ)為空氣密度;A為板狀硬飄物的面積;l為特征長度;um、vm為硬飄物水平、豎向速度;U為風(fēng)速;CD、CL、CM分別為阻力、升力、翻轉(zhuǎn)系數(shù);m、I為板狀硬飄物的質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量;x、z、θ分別為水平、豎向位移、板的轉(zhuǎn)角;t為時間.

已知板狀硬飄物的初始CD、CL、CM、um、vm,則可以根據(jù)式(1)獲得初始加速度,規(guī)定時間間隔Δt,進(jìn)一步可計(jì)算Δt時刻速度和位移,將Δt時刻速度、位移作為初始量,若已知該時刻CD、CL、CM,則可獲得2Δt時刻速度和位移,依次類推,直至豎向坐標(biāo)為0.至此可得到硬飄物整個的飛行動態(tài)軌跡.板狀硬飄物的阻力、升力和翻轉(zhuǎn)系數(shù)與法向力系數(shù)CN相關(guān),而CN與其各狀態(tài)的風(fēng)攻角α相關(guān),[15]存在關(guān)系:

(2)

式中:c為風(fēng)的作用點(diǎn)和板的幾何中心間距;l為其特征長度;c/l滿足:

(3)

考慮Magnus效應(yīng)對升力系數(shù)CL的影響:

(4)

式中:ω為板翻轉(zhuǎn)的角速度,即dθ/dt;ω0為0.64U/l.

2 板狀風(fēng)致硬漂物的典型參數(shù)分析

以浙江沿海某城市在役廠房為研究對象,廠房縱向柱距7.2 m,縱向尺寸9 m×7.2 m,橫向?qū)挾?0 m,檐口高度7.8 m,屋脊高度8.8 m,雙坡坡度1∶15.研究硬飄物(屋面壓型鋼板)在風(fēng)作用下的運(yùn)動情況,屋面板有效覆蓋寬度為0.75 m,厚度為0.5 mm,廠房的檁條間距1.6 m,則屋面板的特征長度為1.6 m.鋼材為Q235碳素結(jié)構(gòu)鋼，密度為7.85 g/cm3.一般來說,橫向風(fēng)比縱風(fēng)引起的屋面板風(fēng)吸力大,故只分析橫風(fēng)影響.本文主要考慮風(fēng)速、廠房高度、板特征長度3個參數(shù)對其飛行特性的影響.飛行過程采用Matlab軟件進(jìn)行分析,分析時間間隔0.01 s.在硬飄物飛行的過程中，由于順風(fēng)向脈動風(fēng)相對于平均風(fēng)來說相對較小，所以脈動風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)壓可忽略不計(jì)，本文只考慮平均風(fēng)造成的風(fēng)壓,并且假定硬漂物穩(wěn)定飛行,不考慮飛行過程中由于脈動風(fēng)產(chǎn)生的振動效應(yīng)[13].根據(jù)式(1)，通過升力、阻力以及翻轉(zhuǎn)彎矩實(shí)現(xiàn)風(fēng)速到風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換.

2.1 風(fēng)速對板狀風(fēng)致硬漂物的影響

調(diào)研浙江省登陸臺風(fēng)的相關(guān)信息,排名前三的為:2006年臺風(fēng)“桑美”,登陸風(fēng)速部分測站達(dá)到68 m/s; 2019年臺風(fēng)“利奇馬”,最大風(fēng)速達(dá)到60 m/s;2020年臺風(fēng)“黑格比”,最大風(fēng)速59.8 m/s.臺風(fēng)登陸最大風(fēng)速約為60 m/s;一般風(fēng)速達(dá)到32.7～36.9 m/s即可劃分為颶風(fēng),風(fēng)速12級,破壞力極大;對于8～9級大風(fēng)、烈風(fēng),一般風(fēng)速介于17.2～24.4 m/s.此處風(fēng)速考慮采用60、40、20 m/s三種情況,分別對應(yīng)于極大臺風(fēng)、颶風(fēng)、大風(fēng).

計(jì)算在不同風(fēng)速條件下硬飄物的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動距離,如圖2和表1所示.由圖2和表1可見,隨著風(fēng)速的增大,硬飄物滯留空中的運(yùn)動時間增加、飛行距離逐漸增大.在飛行過程中存在著上升、下降交替的行為,并且飛行時伴隨著自身的轉(zhuǎn)動,靈敏度約為5.05.

(a) 風(fēng)速20 m/s

表1 不同風(fēng)速板狀硬飄物的運(yùn)動情況

2.2 廠房高度對板狀風(fēng)致硬漂物的影響

廠房高度的增加加大了硬漂物的飛行時間,增加了飛行距離.設(shè)定最大風(fēng)速為60 m/s,廠房高度參數(shù)選取檐口高度7.8、9.0、10.2 m,廠房屋脊高度8.8、10.0、11.2 m.圖3和表2列出其不同高度條件下的運(yùn)動軌跡圖.

由圖3和表2可見,隨著廠房高度的增大,硬飄物滯留空中的運(yùn)動時間增加、飛行距離逐漸增大.飛行過程仍然伴隨著上升和下降行為,同時伴隨轉(zhuǎn)動.靈敏度約為2.81.

(a) 高度7.8 m

表2 不同廠房高度板狀硬飄物的運(yùn)動情況

2.3 板特征長度對板狀風(fēng)致硬漂物的影響

當(dāng)寬度不變,風(fēng)致屋面板破壞時,板的特征長度變化將導(dǎo)致板的自重、轉(zhuǎn)動慣量、翻轉(zhuǎn)角度等發(fā)生顯著變化.以板特征長度1.6、3.2、4.8 m三種情況作為分析參數(shù),板寬0.72 m不變,圖4和表3列出不同特征長度條件下硬漂物的運(yùn)動軌跡圖.

(a) 特征長度1.6 m

表3 不同特征長度板狀風(fēng)致硬飄物的運(yùn)動情況

由圖4和表3可見,隨著板的特征長度增加,硬飄物滯留空中的運(yùn)動時間增加、飛行距離增大.飛行過程仍然伴隨著上升和下降,同時伴隨轉(zhuǎn)動,靈敏度約為0.56.

2.4 強(qiáng)風(fēng)區(qū)板狀風(fēng)致硬飄物飛行特性

分析表明,風(fēng)速、廠房高度和板的特征長度對板狀風(fēng)致硬飄物的飛行狀態(tài)都有著較大的影響,其中,風(fēng)速影響最為顯著,廠房高度影響次之,板特征長度影響較弱.板狀風(fēng)致硬飄物漂浮過程為升降兼具,且伴有翻轉(zhuǎn).當(dāng)風(fēng)速為60 m/s、廠房屋脊高度為11.2 m時,一塊尺寸0.72 m×4.8 m的壓型鋼板水平飛行距離可高達(dá)532.45 m.因此,在極端條件下,飛行距離存在超過500 m的可能性,這與我國《鐵路安全管理?xiàng)l例》第53條規(guī)定的要求相當(dāng).規(guī)范要求顯然還需要增強(qiáng),尤其是針對我國華東沿海伴有極強(qiáng)臺風(fēng)地區(qū)的高鐵線路,應(yīng)加強(qiáng)既有建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的連接,同時,對擬建建筑物,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)考慮建設(shè)的避讓距離,建議安全距離增至600～700 m.

3 結(jié)語

考慮到華東沿海地區(qū)臺風(fēng)較多,本文以浙江某沿海城市在役廠房為研究對象,研究廠房屋面板在強(qiáng)風(fēng)作用下板狀風(fēng)致硬飄物的飛行特性.選取風(fēng)速、廠房高度和板特征長度作為研究參數(shù),分析板狀風(fēng)致硬飄物在不同參數(shù)變化下的影響范圍,對高鐵沿線擬建或既有廠房提出設(shè)計(jì)或整改意見,以保證線路安全運(yùn)營.得到如下結(jié)論和建議:

1) 板狀風(fēng)致硬飄物在飛行過程中伴有升、降、翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動特性;

2) 風(fēng)速、廠房高度、板特征長度對硬飄物的運(yùn)動特性存在影響,其中,風(fēng)速對硬飄物的影響最為顯著,廠房高度影響次之,板特征長度影響較弱;

3) 風(fēng)速、廠房高度、板特征長度增加均會造成板狀風(fēng)致硬飄物水平飛行距離和飛行時間的增加,極端條件下,當(dāng)風(fēng)速為60 m/s、廠房高度為11.2 m、板特征長度為4.8 m時,板狀風(fēng)致硬飄物水平飛行距離高達(dá)532.45 m;

4) 建議應(yīng)加強(qiáng)強(qiáng)風(fēng)區(qū)既有建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)連接,對擬建建筑物應(yīng)適當(dāng)考慮避讓距離,建議安全距離增至600～700 m,建議系統(tǒng)編制對應(yīng)風(fēng)速條件下建筑物的避讓距離.