滬昆高鐵北盤江特大橋?qū)эL欄桿防風效果風洞試驗研究

陳 列,徐錫江,謝海清,呂 娜,張 鶴

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031； 2.四川睿鐵科技有限責任公司,成都 610000； 3.成都亞佳工程新技術(shù)開發(fā)有限公司,成都 610083)

1 工程概述

1.1 北盤江特大橋?qū)эL欄桿研發(fā)的必要性

北盤江特大橋地處峽谷，常年遭受陣風、季風的威脅，最大風速可達到25 m/s，大風已成為橋梁安全行車的重大隱患之一[1-2]。經(jīng)風-車-橋動力分析，車輛在強側(cè)風環(huán)境下運行時，空氣阻力、升力、側(cè)向力迅速增加，并且產(chǎn)生較強的傾覆力矩，嚴重影響車輛的橫向穩(wěn)定性，造成列車行車安全問題[2-3]。

為實現(xiàn)高標準橋梁設計運營目標，北盤江特大橋需要設計合理的橋梁擋風設施，滿足列車在大風環(huán)境下全速(350 km/h)安全通過橋梁。

1.2 國內(nèi)外防風裝置研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外的橋梁防風產(chǎn)品主要有以下幾種[6-9]。

(1)分離式風屏障

該風屏障結(jié)構(gòu)與橋梁獨立設置，應用于蘭新高鐵“百里風區(qū)”。該結(jié)構(gòu)受力簡單，各自功能明確。

(2)與梁體連接的格柵式風屏障

該風屏障采用豎向立柱加橫向板條組成，板條可以做成不同形式，通常設置在人行橫道外側(cè)邊緣處。

(3)具有擋風作用的梁體

西班牙馬德里-薩拉格薩-法國邊境高速鐵路線上的Ebro橋，該橋主跨為120 m，梁體與防風結(jié)構(gòu)做成整體，防風效果顯著，也增加了景觀效果。

以上各種形式的橋梁擋風結(jié)構(gòu)中，分離式風屏障最大的優(yōu)點是橋梁和風屏障分別施工，各自受力，但不適合高橋。具有擋風作用的梁體擋風效果最佳，但造價高、工藝復雜。與梁體相連的擋風結(jié)構(gòu)在鐵路橋上應用較少，且不能完全滿足高速列車在大風環(huán)境下安全通過。

1.3 北盤江特大橋概況

滬昆高鐵北盤江特大橋是滬昆高鐵貴州段的控制性工程，位于貴州省黔西南自治州晴隆縣光照電站下游1.2 km，橋梁全長727.35 m，主橋結(jié)構(gòu)為鋼管拱外包混凝土拱橋，拱跨為445 m。該橋地處峽谷，跨度大、主梁布局形式獨特，復雜的地形地貌導致氣象條件使得該橋常年遭受陣風、季風強勁大風的威脅，最大風速可達到25 m/s，列車通過橋梁設計時速達300 km。

本研究結(jié)合風屏障防風機理[10-14]，研發(fā)一種新型的防風裝置——導風欄桿，該裝置集擋風、導風及欄桿功能于一體。

2 導風欄桿結(jié)構(gòu)特點

單根導風欄桿主要由擋風面、導風角、通風孔、加強肋、安裝孔構(gòu)成，主要擋風面近似為一個扇形結(jié)構(gòu)，安裝后與橋梁橫向成一定角度，擋風面上部均布通風孔。另外，導風欄桿上部有一個較大的導風角。本設計中兩個角度旨在改變強側(cè)風的方向，減小風荷載對導風欄桿的受力，同時減小主梁受力，導風欄桿結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 導風欄桿結(jié)構(gòu)示意

導風欄桿安裝在橋梁兩側(cè)的邊緣，向外傾斜，擋風的同時起到了護欄的作用。導風欄桿安裝示意見圖2。

圖2 導風欄桿安裝示意

安裝前須先安裝預埋件，隨后將導風欄桿安裝在預埋件上。每根導風欄桿以一定的間距排列，上部采用鋼管把所有欄桿從中部連成整體，增加整體受力強度，避免單根受彎過大，安裝完成后的導風欄桿見圖3。

圖3 導風欄桿

3 導風欄桿風洞試驗

3.1 導風欄桿設計參數(shù)(表1)

根據(jù)北盤江特大橋的風向特征、風力大小，運營列車高度、運行速度等，擬定了透風率、導風角、高度等4組不同參數(shù)的導風欄桿結(jié)構(gòu)，高度3.0 mm，安裝間距0.6 m。

表1 導風欄桿設計參數(shù)

注：擋風面和導風角如圖1所示，擋風面角度和導風面角度均指該面與橋梁順橋向的角度。

3.2 風洞試驗

主梁節(jié)段模型及列車采用1∶30的幾何縮尺比，主梁節(jié)段模型長2.095 m，寬0.446 7 m，高0.133 3 m；列車節(jié)段模型長2.095 m，寬0.093 m，高0.120 m。模型用紅松木和層板制作，導風欄桿按設計參數(shù)采用塑料板整體雕刻制作。試驗在均勻流條件下進行，因?qū)эL欄桿的擋風面已經(jīng)與橋梁橫向形成了一個夾角，因此試驗風攻角α=0°，測試列車的三分力系數(shù)。加載風速分別為15 m/s和18 m/s，并考慮了主梁的影響，導風欄桿風洞試驗見圖4。

圖4 導風欄桿風洞試驗

3.3 試驗結(jié)果

在15 m/s和18 m/s兩種測試風速下的三分力試驗結(jié)果接近，說明試驗可靠度較高，試驗結(jié)果取15 m/s的測試值。表2分別給出了標準梁段在各種導風欄桿下的靜力三分力系數(shù)值。

表2 各種工況下車橋三分力系數(shù)

從以上結(jié)果比較可知，透風孔為30 mm時的列車三分力小于透風孔為25 mm時的列車三分力，風倒角為10°時的列車三分力小于20°時的列車三分力，導風欄桿最寬寬度為480 mm時的三分力小于寬度為420 mm的列車三分力。綜合各設計參數(shù)，導風欄桿方案4為較優(yōu)設計。

4 風車橋動力分析

取導風欄桿4的風洞試驗測試得到的三分力系數(shù)對北盤江特大橋進行風車橋動力分析，分析安裝導風欄桿后的橋梁在不同等級風速下是否滿足行車安全和乘坐舒適度的標準。見表3。

表3 無導風欄桿和安裝導風欄桿4的風車橋動力分析評判結(jié)果對比

結(jié)果表明：無導風欄桿，橋面風速在20 m/s時，CRH2動車組時速達到220 km時，車體加速度已超過安全值。安裝導風欄桿后，橋面風速在20 m/s時，CRH2和ICE3兩種車型的車體加速度、行車安全性及舒適性均合格；但當橋面風速達到22.5 m/s時，兩種車型的車體加速度仍有部分超出要求值，行車安全不能完全保證。

5 導風欄桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)前述計算結(jié)果，車輛的阻力系數(shù)下降幅度不大，因而車輛的動力響應改善程度不夠理想的情況，其主要原因為導風欄桿下部結(jié)構(gòu)較小引起導風欄桿整體透風率過大。

5.1 風洞試驗

為減小導風欄桿的透風率，在第二次風洞試驗時將欄桿間距減小為0.5 m，并作了下部設置高1.0 m的實心板和不設下部實心板的比對，試驗現(xiàn)場見圖5。導風欄桿優(yōu)化后的車、橋三分力系數(shù)見表4。

圖5 下部加1 m高實心板的導風欄桿風洞試驗

表4 導風欄桿優(yōu)化后的車、橋三分力系數(shù)

通過表4的三分力系數(shù)可以看出，導風欄桿下部加1 m高實心板后列車的阻力系數(shù)明顯小于下部未加實心板的阻力系數(shù)，說明列車下部的風荷載對列車有較大的影響，下部加1 m高實心板后的導風欄桿可以大大減小列車受到的風荷載。為進一步證明優(yōu)化設計的可行性，再次進行風車橋的動力響應分析。

5.2 風-車-橋動力響應分析

鑒于優(yōu)化前方案已經(jīng)能夠滿足橋面風速20 m/s條件下的行車安全和乘坐舒適性要求，因此對優(yōu)化后方案僅分析橋面風速22.5 m/s和25 m/s下的橋梁和車輛動力響應結(jié)果，見表5。

表5 滬昆高鐵北盤江導風欄桿優(yōu)化后風車橋動力分析評判結(jié)果匯總

根據(jù)橋梁動力響應計算結(jié)果，橋面平均風速22.5 m/s和25 m/s時，所有工況下車輛動力響應計算結(jié)果均滿足要求。優(yōu)化后最優(yōu)工況(下部設置1 m墻體)與優(yōu)化前最優(yōu)工況(導風欄桿4)相比，列車的阻力系數(shù)由1.001 5減小為0.384 8，可知列車所受風荷載明顯降低，由此可說明車輛的動力響應較優(yōu)化前明顯改善。綜上所述，導風欄桿優(yōu)化后橋梁和車輛動力性能在橋面平均風速25 m/s及以下時，列車可以按設計時速350 km安全通過，無需限速，同時滿足旅客乘坐舒適性的要求。

另外，優(yōu)化后最優(yōu)工況(下部設置1 m墻體)與優(yōu)化前最優(yōu)工況(導風欄桿4)相比，主梁阻力系數(shù)由2.545 4變?yōu)?.466 6，說明導風欄桿在滿足擋風性能的同時對主梁的阻力系數(shù)影響并不大。

6 實橋安裝及驗證

導風欄桿2013年在北盤江特大橋安裝,安裝時正值季風,安裝過程中明顯感受到安裝導風欄桿的橋梁內(nèi)部風小于未安裝導風欄桿的部分。安裝后試車過程中,乘客乘坐舒適、平穩(wěn),同時可看到外部景觀。北盤江特大橋?qū)эL欄桿安裝完成見圖6,以時速333 km試車時在車上看到的導風欄桿和景觀見圖7。

運營至此,列車在大風時期均以設計時速300 km全速安全通行,導風欄桿自身結(jié)構(gòu)完好。

圖6 北盤江特大橋?qū)эL欄桿實橋安裝

圖7 列車時速333 km時在車上看到的導風欄桿和景觀

7 結(jié)論

通過風洞試驗測試不同結(jié)構(gòu)導風欄桿的氣動系數(shù),采用風車橋動力分析方法研究導風欄桿對列車安全性能和主梁的影響,結(jié)論如下。

(1)導風欄桿的應用消除了大風對北盤江特大橋列車高速運營安全的不利影響,保證列車全天候安全運行,同時提高了列車的乘坐舒適性。

(2)導風欄桿兼具擋風、導風、欄桿功能于一體,同時發(fā)揮了橋梁防風、行人安全防護的功能。

(3)部分風通過有角度的擋風面和帶折角的傾斜導風葉片進行轉(zhuǎn)向,減小了風荷載對導風欄桿的受力,同時減小主梁的受力。