鐵路拱形防風明洞風荷載研究

靳寶成

鐵路拱形防風明洞風荷載研究

靳寶成

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

蘭新鐵路第二雙線穿過著名的百里風區、三十里風區,其風害極為嚴重。為了最大限度地減少限速和停輪,在百里風區的核心區采用設置防風明洞的防護措施。通過CFD數值模擬與風洞模型試驗研究,得出了作用在防風明洞表面的風荷載隨風速增大而增大,且迎風側為正壓、背風側及拱頂為負壓的分布規律。

防風明洞;風荷載;分布規律

1 概述

蘭新鐵路第二雙線東起甘肅省省會蘭州市,途經青海省省會西寧,穿越祁連山山脈進入甘肅省河西走廊西行,西至新疆維吾爾自治區首府烏魯木齊市,沿線穿過了甘肅境內的安西風區和新疆境內的煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區,大風區的長度合計約330 km。其中尤以百里風區風力強勁,大風頻繁,風害極為嚴重。既有蘭新鐵路、南疆鐵路雖然在部分風口地段增設了擋風墻,但每年仍會出現停輪及其他安全事故,給鐵路的運輸生產造成了重大損失。為了保證蘭新鐵路第二雙線列車安全、快速及正常運營,最大限度地減少限速和停輪,在百里風區的核心區地段設置了防風明洞[1]。本文以百里風區防風明洞為背景,開展了拱形明洞結構表面風荷載的研究。

2 百里風區特點及大風資料

2.1 風區特點

根據既有資料,百里風區大風主要有以下幾方面的特點。

(1)風速高:據現場實測,最大風速達60 m/s,是全世界鐵路內陸大風風速最高的地區。

(2)風期長:一年中的大風天數也相當高,大于8級風的大風天數基本上都超過100 d。

(3)季節性強:每年冬春交替季節大風最為集中,占全年大風天數的30%以上,風速也最大。秋冬交替季節大風天氣也較多,但最大風速小于冬春交替季節。

(4)風向穩定:風區大風主要受寒潮天氣影響,因素單一,加之區域遼闊平坦,每次大風所經路線較為固定。

(5)起風速度快:在15～40 min內,風區大風天氣風速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。以2008年4月17日開始的一場大風為例,十三間房西測風點風速從1.2 m/s增加到20 m/s只用了15 min,其后用了不到1.5 h風速便達到了32.7 m/s(12級)以上,見圖1。

圖1 十三間房西測風點2008年4月17日風速變化曲線

2.2 風速統計

根據附近13個氣象站資料以及烏魯木齊鐵路局、新疆維吾爾自治區氣象科技服務中心在既有蘭新鐵路沿線建立的43個大風觀測站多年的觀測資料,結合本項目初測期間增設的8個觀測站資料,通過對比和綜合分析,研究新建蘭新第二雙線沿線風速、風向、風壓在平面、剖面的變化規律以及不同高度大風與風速變化情況,得出線路沿線特別是重點區域風速、風向的時空分布及變化規律。

防風明洞所處的百里風區核心區的大風資料如表1所示[2]。

表1 百里風區核心區的大風資料

3 防風明洞結構

防風明洞是在路基上(以路堤為主)設置,結合其氣候特點和自然環境因素,考慮到混凝土結構耐久性和安全可靠性好、養護維修工作量小;拱形結構形狀圓順、受力條件好、圬工量小、投資省。通過比較分析,采用基底不封閉(無仰拱和底板)、內輪廓與一般隧道相同的鋼筋混凝土拱形結構,邊墻置于明挖縱梁和樁基礎上,見圖2[3]。

4 風荷載的研究

圖2 防風明洞橫斷面[4](單位:cm)

風荷載為結構的主要荷載之一,其計算與取值對結構設計起著至關重要的影響。風速具有隨時間、空間的變異性,其大小是瞬時無規律變化的,并隨距地面高度增大而增大,《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001)規定的風壓計算是基本風壓乘以風振系數確定,并給出了全國主要城市的基本風壓。由于防風明洞區域距氣象臺站較遠,加上特殊的地形、地貌因素影響,其基本風壓與規范數值存在較大的差異,為此,有必要根據防風明洞的結構、尺寸參數及路基形式的特殊性,通過CFD數值模擬值計算分析和風洞模型試驗,進行比較分析驗證。

4.1 規范計算值

4.1.1 計算方法

根據《建筑結構荷載規范》(GB50009—2001),垂直于建筑物表面的風荷載標準值wK按下述公式計算

式中 βZ——高度z處的風振系數;

μS——風荷載體型系數;

μZ——風壓高度變化系數;

w0——基本風壓,kN/m2。

w0是按重現期為100年的10 min平均年最大風速,利用貝努利公式w0=v20/1 600(kN/m2)計算確定。根據大風監測及分析研究成果,百里風區重現期為100年的10 min平均年最大風速v0=53.2 m/s[5]。

4.1.2 計算結果

結構承受的風荷載分布如圖3所示[6]。

圖3 風荷載分布示意

結構各部位承受的風壓值為:

Wk1=3.44 kPa

Wk2=2.58 kPa

Wk3=-3.44 kPa

Wk4=-2.15 kPa

4.2 CFD數值模擬值

4.2.1 計算模型

數值方法的核心理論是計算流體力學,即CFD。CFD的基本思想是把原來在時間域及空間域上的連續的物理量的場,用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替,通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組,然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。CFD是在流動基本方程控制下對流動的數值模擬,以得到復雜問題流場內速度、壓力等物理量的分布[7]。

為了計算的準確性,根據不同模型計算尺寸和邊界條件的計算結果進行對比,確定合理且計算精度滿足的模型。模型尺寸選擇如下:外部高400 m;寬 400 m;長1 000 m的外界大氣環境模型。

網格劃分質量的好壞直接影響到計算的穩定性以及計算結果精確性。在CFD有限容積程序中,考慮到流體運動模型某些區域幾何形式比較復雜,而采用四節點四面體單元具有較強的適應性,對三維模型的網格劃分一般采用四節點的四面體單元,本計算對于隧道內采用TGrid程序劃分四面體網格,網格邊長1.5,共35萬個單元。對于靠近隧道的外部空間采用Cooper程序劃分六面體網格,邊長2,共100萬個單元。對于離隧道較遠區域采用Cooper程序劃分六面體網格,邊長5,共110萬個單元。共劃分網格245萬個,計算模型及網格劃分如圖4所示。

圖4 明洞CFD模型及網格劃分

4.2.2 計算結果

外界風速根據大風監測及分析研究成果的重現期為100年的極大風速v=70 m/s,將模型進行CFD計算分析,迭代計算收斂后得到計算結果,剖取橫截面,通過DISPLAY云圖得到橫斷面壓力場云圖,見圖5,并根據壓力云圖繪制出明洞結構受力圖,見圖6。其中右側為迎風側,左側為背風側[8]。

4.3 風洞模型試驗

4.3.1 模型及試驗設備

防風明洞風洞試驗模型的幾何縮尺比取為1∶30,模型洞壁由雙層1 mm厚塑料板制成,塑料板中間布置測壓管,分別測得上下表面風壓。

圖5 橫斷面壓力場云圖

圖6 橫斷面表面風壓力圖(單位:Pa)

根據百里風區的地貌特點及風特性,其地表粗糙度屬于A類地表,因而邊界層模擬依據A類地表進行大氣邊界層流場模型,見圖7。

圖7 風洞模型試驗

4.3.2 計算結果

考慮到百里風區大風來流風向較為穩定,且其基本與線路垂直,試驗風向取與線路垂直的橫風向。

每個斷面內外表面各布置15個測點,如圖8所示,每個測點處布置測壓管,分別可以測量內外表面的風壓。對明洞沿壁內、外表面分別測量出壓力系數,將兩者相減即得測點處總的壓力系數[9]。

圖8 各測壓點布置

各測點表面的風壓系數見表2,計算得到在重現期為100年的10 min平均年最大風速v0=53.2 m/s時,結構表面的風荷載見圖9[10]。

表2 各測點表面的風壓系數

圖9 明洞表面風壓力圖(單位:Pa)

4.4 結論

對規范計算結果、CFD數值模擬研究成果和風洞模型試驗研究成果對比見表3。

表3 風荷載對比kPa

通過分析對比,作用于拱形防風明洞結構表面的風荷載分布規律一致,其特征和大小取值詳述如下。

(1)作用在結構表面的風荷載隨著風速的增大而增大;

(2)迎風側墻腳與邊墻部位的風荷載基本相同,且為正壓,其大小取值為邊墻3.44 kPa,拱腳2.58 kPa;

(3)背風側墻腳與邊墻、拱腳部位的風荷載基本相同,且為負壓,其大小取值為2.15 kPa;

(4)拱頂為負壓,且大于背風側,其大小取值為3.44 kPa。

5 結語

目前國內外針對防風沙工程的研究僅在普速鐵路路基與橋梁擋風墻方面,擋風墻仍然無法從根本上解決風害、沙害對鐵路運輸的影響。防風明洞能夠將外界大風環境與洞內行車環境相對隔離,能夠有效隔絕外部環境與行車運輸之間的相互影響,可在大風區、沿海地區鐵路、公路以及其他環境敏感區防護隔離工程中廣泛應用。

大風荷載為防風明洞結構的主要荷載,直接影響結構的設計參數和使用性能,國內外在此領域尚無研究和實施的先例。風荷載的研究是在理論分析、數值模擬研究和模型試驗研究的基礎上,還需要結合試驗段的現場測試與研究成果,進行進一步驗證和優化。蘭新鐵路第二雙線在百里風區設置的防風明洞試驗段共1 149 m,已全部施工完成,相關測試、試驗、研究正在進行中。

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[2] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.防風工程修改初步設計文件[Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

[3] 新疆氣象科技服務中心.2009年春季氣象分析報告[Z].烏魯木齊:新疆氣象科技服務中心,2009.

[4] 何永旺.蘭新第二雙線防風明洞預制方案研究[J].國防交通工程與技術,2011(4):24-27.

[5] 中鐵第一勘察設計院集團有限公司.防風明洞試驗段設計圖[Z].西安:中鐵第一勘察設計院集團有限公司,2010.

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[7] 盛智平.蘭新鐵路防風明洞結構形式設計研究[J].鐵道建筑, 2011(4):80-82.

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[9] 西南交通大學.蘭新第二雙線防風明洞數值模擬研究[R].成都:西南交通大學,2009.

[10]西南交通大學.蘭新第二雙線防風明洞風洞試驗研究[R].成都:西南交通大學,2009.

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Study of Wind Load on Arched Anti-wind Opencut Tunnel for Railway

JIN Bao-cheng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

The second double-tracked Lanzhou-Xinjiang Railway passes through the famous“100 km wind zone”and“30 km wind zone”where the wind hazards are very serious.Therefore,in order to minimize both speed limitaiton and wheel stopping,the anti-wind opencut tunnel was installed as a prevention measure at the core area of“100 km wind zone”.In this study,after the CFD numerical simulation as well as wind-tunnel model experiment and research,the distribution pattern of wind load acting on the anti-wind opencut tunnel surface was ascertained as follows:the wind load will increase with the increasing of wind speed;the wind load presentes positive pressure on the windward side,and presents negative pressure on the leeward side and on the arch crown.

anti-wind opencut tunnel;wind load;distribution pattern

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.014

1004-2954(2014)04-0061-04

2013-07-30;

2013-08-16

靳寶成(1976—),男,高級工程師,1999畢業于長沙鐵道學院交通土建專業,工學學士,E-mail:jbcwlq@126.com。