高速鐵路棚護支架空氣動力效應分析

張建民,陳寶良,李 達

(中國交通建設股份有限公司,江蘇蘇州 215122)

1 工程概況

滬寧城際鐵路設計時速 300 km,虹橋上行線在里程 HQSDK2+607.653～HQSDK2+829.153處跨越既有滬寧鐵路,該路段動車運營時速達到 250 km,在該處立交橋型布置為 57 m+100 m+63 m連續梁;原設計為掛籃施工,由于工期比較緊,后來改為現澆支架施工,施工安全風險高,是全線的重點工程,也是目前全國已知的跨越時速最高的再建既有線施工工程。當高速列車通過時會產生風吸效應,對支架造成影響,如何保證既有鐵路正常運行,保證施工安全是面臨的最大難題,所以對棚護支架的空氣動力效應進行分析是保證施工安全必要前提,也是棚護支架設計的依據。在此項工程實施前沒有成功的經驗可以借鑒,我單位在滬寧城際鐵路施工中經過理論研究和實踐運用,成功地解決該問題,以下內容主要以滬寧城際虹橋上行單線特大橋施工為例加以闡述(圖1、表1)。

圖1 滬寧城際鐵路與既有滬寧鐵路平面位置關系

表1 滬寧城際虹橋上行單線特大橋與既有線關系

2 工程地質與氣象條件

線路位于長江三角洲平原區,均為第四系地層覆蓋,系江河、湖泊、海相沉積形成,為黏土、粉質黏土夾粉細砂層;夏季多雨,常受臺風影響。

3 棚護支架結構簡介

跨既有線中跨支架采用 φ1.2m鉆孔灌注樁,高 1 m、寬 1.8 m條形基礎,條形基礎上預埋鋼板,設置φ630 mm鋼管樁,鋼管樁之間采用[]25a型鋼斜撐和[]25a雙支型鋼平聯,鋼管樁上部設置鋼板牛腿,牛腿上部縱向鋪設 I25a型鋼縱梁,縱梁之間鋪設單塊寬 4 m、長 17 m防護棚架,質量 4.3 t,鋼管樁頂縱向鋪設3I40a型鋼,上部跨線吊裝雙層貝雷梁,貝雷梁頂節點位置設置縱向 I20b型鋼和橫向 I20b型鋼,上部采用碗扣式支架調整箱梁線形,上部縱向 I10型鋼、橫向 10 cm×10 cm方木(圖2)。

圖2 立面、平面布置(單位:cm)

邊跨的支架基礎采用 φ40 cm、間距 1.2 m的 CFG樁,上面采用兩層擴大基礎,基礎上預埋件與鋼管連接,鋼管立柱采用 φ630 mm、δ10 mm螺旋鋼管,鋼管樁之間采用[]25a型鋼斜撐和[]25a雙支型鋼平聯,鋼管樁頂縱向鋪設 2I45b型鋼,橫向設置 H600×200型鋼,型鋼頂再設置縱向 I20b型鋼和橫向 I20b型鋼,上部再采用碗扣式支架調整箱梁線形,上部縱向 I10型鋼、橫向 10 cm×10 cm方木,模板采用竹膠板完成箱梁澆筑。

4 高速列車通過棚戶支架時空氣動力效應分析

4.1 分析情況

情況 1:當支架空載時,火車經過產生風吸效應會對鋼管樁底預埋件受力產生較為不利影響。

情況 2:高速列車通過時,列車的頭部產生壓力波,對棚戶支架頂面可能會產生向上的較大推力,影響安全。

4.2 空氣動力效應計算

基于問題 1,考慮計算簡化,采用了如圖3所示的高速列車模型幾何參數。出發點是為了計算支架底部所受風力的大小或者分布。

圖3 高速列車模型幾何參數示意(單位:mm)

4.2.1 棚戶支架

既有滬寧鐵路上行中心線到棚戶支架中心連線的距離為 6.0m;既有滬寧鐵路上行中心線到鐵路護欄的距離為 4.7 m。鐵路護欄和臨時施工的棚戶支架與路軌平行,設定聯合作用的計算尺寸為 H×W×L=5.0m×3.0 m×6.0 m。

既有滬寧鐵路兩側安裝的實際支架長達 106 m,由于頂部做了防護層,高速列車通過時會產生一定程度的“活塞效應”。

當高速列車通過棚戶支架時產生的風致效應,是指列車高速運行引發的列車與建筑物之間湍流、繞流流動產生的壓力,這一問題十分復雜,歸為非定常(Unsteady Flow)具有相對移動邊界的湍流、繞流(Turbulent Flow)問題。后面的計算結論中產生的負壓即為前面的報告中提到的“火車通過時的風吸效應”。當建筑物距離列車較近,而列車速度較高時,這種繞流對建筑物有很大的甚至是破壞性影響。

我單位聘請有專業資質的西南交通大學土木學院橋梁系基于非定常湍流、繞流理論的空氣動力仿真計算(具體計算過程不再描述)結果總結出了如下的結論。

4.2.2 有關計算結論

(1)壓力系數隨著建筑物內側面與軌道中心距離d而變化

圖4列出了建筑物內側面與軌道中心距離 d=6.0m和 d=4.7 m下兩種情況,列車駛向建筑物時建筑物內側面中心點的壓力系數變化值。可以看出,當列車剛剛駛向建筑物時,壓力系數逐步增加;當列車頭部到達中心點時,壓力系數達到最大值;列車頭部駛過中心點后,壓力系數很快降至最底點,然后逐步回升,仍保持負壓;當列車尾部駛過中心點時,壓力系數有明顯下降,然后逐步回升至零附近。兩者的規律一致,但當列車軌道中心與建筑物內側面的距離增大至 6.0 m時,壓力系數極值有明顯下降。壓力系數定義:Cp=(Pi-P∞)/q∞,其中 Pi為測點壓力,P∞為無窮遠處來流靜壓,這里指當地大氣壓;q∞為無窮遠處來流動壓,q∞=ρ,ρ為當地大氣密度,V∞為來流速度,這里指列車運行速度。

圖4 內側面中心點壓力系數變化

(2)建筑物不同側面壓力系數的變化

考察的計算尺度范圍內,建筑物的內側面、外側面、迎風面、背風面中心點的壓力系數變化。從圖5中可以看出,列車駛向建筑物時,迎風面和內側面:壓力系數逐步增加,當列車頭部到達迎風面和內側面中點時,兩中心點壓力系數分別達到最大值,迎風面的正壓峰值較大,內側面較小。列車頭部駛過迎風面和內側面后,兩點壓力系數很快降至最底點,內側面負壓峰值較大,迎風面較小,接著迎風面和內側面壓力逐步回升,內側面仍保持負壓,而迎風面升至正壓,但量級較小。外側面和背風面:當列車頭部到達時,外側面和背風面兩中心點壓力系數降至最低點。列車頭部駛過時,壓力系數逐步回升,并保持負壓。當列車尾部駛過中心點時,壓力系數都有下降,然后逐步回升至零附近。

圖5 建筑物四個側面中心點壓力系數變化

(3)內側面的面荷載隨軌心距離的改變變化值

若設垂直于內側面的面荷載 Ph,圖6則顯示了在速度分別為 v=160km/h和v=250 km/h兩種工況下,改變軌心與建筑物內側面間距時,內側面的面荷載 Ph的變化圖。由圖7可看出,隨著間距的增加,面荷載以較快的速度降低。

圖6 水平方向垂直于內側面的面荷載隨間距改變變化

(4)棚戶支架所受的空氣壓力

具體到既有滬寧鐵路線上的棚戶支架,當單獨一列列車通過,鐵路護欄無遮時,棚戶支架的內側面直接受力。擬定列車速度 v=250km/h,軌心到支架內側面間距大約為 6.5m時,列車頭部駛過內側面后,該點壓力系數很快降至最底點,內側面負壓峰值較大。由圖6可以基本得到支架內側面的面荷載 Ph約為 236 N/m2。這一荷載已經降為峰值面壓力荷載的大約 24%。若考慮鐵路護欄對支架面的遮擋,那么支架所受的峰值面壓力荷載將更小。也即火車經過時產生的風吸效應由于受鐵路護欄的第一層防護,直接對鋼管樁支架的影響減小。

4.2.3 斷面上空氣壓力監測點的變化趨勢

根據現場實施的測點安排情況,圖7是類似一座方形隧道口的立面圖上某一斷面安排了 K1～K11的分布的風場壓力監測點,當列車從左側高速進入棚戶支架圍起的空間區域時,其中列車長度為 110 m,列車速度為 250km/h(70 m/s),阻塞比為0.082 2,測點斷面位于距離入口 55 m。經過現場精密儀器實測得到圖8數據結果。

4.2.4 對支架頂棚的受力分析

圖7 支架斷面風場中壓力監測點(單位:cm)

圖8 同一斷面各點處的最大壓力變化

如果按支架頂棚斷面各點處的最大壓力值作用在頂棚上,可以對頂棚產生一定的影響,頂棚區間一半面積大小約 25 m2,當按照圖8結果取最大的峰值壓力1.34k Pa,產生的向上的推力為 33.5 kN,一半支架及模板等的重力是 53.73/2=26.86 kN,因此,簡單擱置時高速列車通過時可能有一定的危害,但構造上頂棚在兩端已經約束,足以承受向上的推力,應無慮。由于受鐵路護欄的擋風作用,鋼管樁支架底部直接受風力影響較小。支架頂棚當不增強約束時,高速列車通過時,通過施加約束,空載狀態下應無恙。

5 結語

經過以上高速列車通過頂棚時空氣動力效應分析,又結合現場施工情況以及實際測量的數據結果,防護棚架設計結構,即能滿足上部鋼筋混凝土結構施工受力需要,也能承受高速列車通過時產生的空氣動力效應對支架頂棚造成的危害。棚架搭設完成以后的施工過程中,高速列車運行沒有減速也未停運,成功地解決了既有鐵路與新建鐵路相互干擾、相互影響的問題,安全得到了有效保證,為以后相似跨既有鐵路工程提供了寶貴的經驗。

[1] 西南交通大學.高速列車通過棚戶支架時空氣動力效應計算分析[R].成都:2009.

[2] TB—10002.1—2005,鐵路橋涵設計基本規范[S].

[3] 鐵辦 2008—190,鐵路營業線施工安全管理辦法[S].

[4] 太原工學院.震動計算[M].北京:中國建筑工業出版社,1978.