流場能量牽引在鐵路橋梁防風設計中的應用

劉宗峰

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

1 工程概況

新建南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐，位于新疆自治區吐魯番市內，蘭新高鐵與南疆鐵路交叉處，線路自蘭新高鐵大河沿站引出后，在南疆鐵路吐魯番站至珍珠泉站區間設置頭道河線路所接入南疆鐵路。線路建成后，動車從蘭新高鐵沿此樞紐聯絡線能進入南疆鐵路開赴南疆，此項目有重要的政治及經濟意義。

新疆地區是典型的內陸性氣候，且周圍地勢相對平坦，受北方西伯利亞冷空氣影響，風力極大，大風時間長。天山山脈呈東西走向，是一道南北向的屏障，西伯利亞產生的冷重氣流向南進入準噶爾盆地后，因高山阻擋，擁積在天山北側，山脈埡口是氣流的天然通道[1-2]，受天山南北的氣壓差和埡口的通道效用，冷重空氣通過天山埡口后，極速向南，順坡走行，流速持續加快形成極端大風。氣流經風口風速增大，流經鐵路地區，造成嚴重風害[3]。

新疆是我國風沙地貌分布最廣、沙丘類型最為復雜多樣的省區[4]，自然條件惡劣，人煙稀少，起風速度快，持續時間長，風速高，風沙完全不同于其他風沙地區，是世界罕有的極端風沙區域。新疆境內三十里風區的風力最為強勁，是我國乃至世界上鐵路風災最嚴重的地區之一[5]。南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐位于著名的三十里風區。本段橋梁位于高鐵及普速鐵路之間，針對高鐵及普速鐵路梁的特點，選用適宜梁型，對防風結構展開研究。南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐地理位置見圖1。

圖1 南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐聯絡線地理位置

2 大風區鐵路主要問題

既有南疆鐵路經常遭受大風危害，風區大風頻繁，風力強勁，風速變化劇烈[6]。蘭新鐵路、南疆鐵路自開通后，多次受到新疆大風的威脅，大風對鐵路多次造成重大安全事故。新疆鐵路主要風口分布見圖2。

相關資料顯示，因大風造成停輪事故頻發，損毀貨車111節，客車11節。造成列車脫軌、傾覆事故32起，危及行車安全，嚴重影響了運輸效益，行車安全，造成了不良社會影響。列車停運、限速天數多等問題，嚴重影響鐵路運營安全及正常運營[7]。

圖2 新疆鐵路主要風口分布

3 大風區橋梁擋風結構設置研究

蘭新高鐵與南疆鐵路聯絡線位于吐魯番北側，走行于新疆著名的三十里風區的風口處，風力強勁，大風頻繁，12級以上大風經常發生，線路防風設計是本線的重點。防風技術是蘭新高鐵建設和運營的控制性因素[8]。

對于一些特殊的風環境，如特大橋、高架橋等，列車的繞流流場改變更為突出，作用于列車上的氣動力顯著增大。相關文獻對蘭新高鐵及南疆鐵路風區都進行了研究[9]，本項目根據地形及橋高等特點對前期項目的成果進一步細化，對橋梁防風展開研究。

3.1 工程所在地風速的確定

把頻率出現最多的大風風向稱為大風主導風向或大風盛行風向。繪制大風風向玫瑰圖，可定量反映鐵路沿線的大氣氣流情況[10]。根據南疆鐵路，蘭新鐵路防風技術研究報告，本項目位于三十里風區，三個泉風口處。三十里風區大風時風向W、WNW、SN。圖3為三十里風區代表性大風主導風向統計玫瑰圖。該區年平均風速1.6 m/s，主導風向E，大風時風向W、WNW、SN為主。

假設橋址處近地層內10 min平均最大風速隨高度變化遵循冪指數分布，其公式為

(1)

式中，VZ為Z高度處的風速；V1為Z1高度處的風速；α為風速高度變化冪指數，其值的大小即表明了風速垂直切變的強度。

根據南疆鐵路的梯度研究及風速研究資料(圖4)，將氣象站30年，50年，100年一遇10 min平均最大風速代入公式(1)，計算出30年，50年，100年一遇10 min平均最大風速。計算得100年一遇10 min平均最大風速53 m/s，主導風向NW，設計采用百年一遇10 min平均最大風速。當線路走向與風向夾角垂直，使得在這些地段運行的列車主要受橫風影響，列車安全運營的危險最大[11]。

圖3 三十里風區代表性大風主導風向統計玫瑰圖

(注：實線為實測值，虛線為模式計算值)圖4 南疆鐵路梯度風監測站10 min平均 最大風速隨高度輪廓線

3.2 采用的橋梁方案研究

根據聯絡線特點，南疆鐵路為客貨共線鐵路，采用2101系列T梁，荷載標準采用”中-荷載”。蘭新高鐵荷載標準采用“ZK-活載”。為兼顧南疆鐵路荷載高的要求，本線采用“中-荷載”。受最小曲線半徑R=700 m影響，本線速度目標值不高，本線初步擬定采用2109聲屏障箱梁改造或者采用2101系列T梁改造(圖5)。橋梁擋風結構考慮在梁體迎風側加設擋風鋼板的構造形式來降低大風對行駛中的列車的沖擊影響，橋梁上設置擋風屏后，列車的側向阻力系數、側傾力矩系數明顯減小(表1)。

圖5 加裝擋風屏后的橋梁橫斷面

表1 2109系列簡支箱梁與2101系列簡支T梁的擋風結構比選分析

綜合以上比較，2109系列簡支箱梁雖然擋風屏結構相對簡單，但橫向預應力鋼束需要架梁后高空作業，施工工序復雜，時間較長，質量難以保證，故最終選用2101系列簡支T梁[12]。

4 擋風結構研究方法

大風對列車的沖擊荷載是流場加載在列車上的作用，要減小風力對列車的危害，首先要研究清楚受力機理及力學模型。研究大風流場荷載可采用以下幾種方法。

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4.1 流場數值計算

用數值計算方法求解描述流場流動的方程組，獲得流場相關信息，建立流場數值計算模型(圖6)。數值模擬計算不受試驗固有條件的約束，可以將各種現象或者條件分別考慮，在工程設計的初級階段能夠通過計算得到大量流場信息，用于多方案比選，且具有研究周期短、費用低的優勢，是研究橋梁列車防風的一種重要手段。

圖6 流場數值計算模型

4.2 風洞試驗

通過建立列車、橋梁、擋風屏模型進行風洞試驗(圖7)，測量安裝擋風屏后內部的風場變化規律、列車的氣動荷載、擋風屏和橋梁的氣動力系數。通過多次試驗得出常用跨度簡支梁采用的車橋三分力系數。根據三分力系數，可以計算出對于不同風速下列車靜止狀態傾覆力矩與穩定力矩的關系列表，從而選用適宜擋風結構。

圖7 風洞試驗模型

4.3 動力學仿真

三維動車數值模擬顯示，列車氣動力受列車運行速度影響較大。評價列車的抗風安全性，綜合考慮風洞試驗和動車數值模擬兩個方面的結果，對擋風結構進行動力特性分析(圖8)。

根據振動力學理論，通過比較擋風結構的固有頻率與列車風壓的作用頻率，當作用頻率與結構固有頻率相近時，即產生共振現象，否則不會產生共振。采用有限元軟件Midas分別對擋風結構的動力特性進行分析。經分析得擋風板面外彎曲振動基階頻率為48.34 Hz，擋風結構整體結構面外彎曲振動基階頻率為8.8 Hz。

圖8 動力學仿真分析數據

5 研究結果分析

根據計算研究結果，在迎風側設置擋風結構，防護效果較好。考慮列車高度影響，車體上所受的阻力、升力、傾覆力矩等隨擋風墻高度增加而減少，當擋風屏高度逐漸加高達到4 m時，幅度趨于平穩，滿足使用要求(圖9)。當高度繼續增加時，擋風效果有所增強，但增加幅度小。考慮減小結構自重對梁體的翼緣板壓力的影響，擋風結構最終高度選用4 m。

圖9 流場勢能分布模型

由以上模型分析可知，當風荷載受到梁體、擋風結構、列車的阻擋時，流場會相應變化，迎風側梁體及擋風結構外側，風速大小及氣流形式變化明顯。擋風結構足夠強時才能抵抗住外側風力，但擋風結構安裝在T梁翼緣板處，受結構構造尺寸限制，只有通過擋風板結構的形狀調整及開孔等對流場勢能進行牽引疏導，才能達到預期的擋風效果。

6 擋風結構擋風機理

6.1 擋風板設置

采用柱板式擋風結構，橋梁縱向每2 m設置1道H型鋼擋風立柱，立柱通過螺栓與預先埋入梁體內的預埋件連接。在橋梁梁部迎風側安裝耐候鋼制的橋梁擋風板。擋風結構開孔單元板通過螺栓與立柱連接，覆蓋在H型鋼立柱內側。

擋風板采用帶孔波形鋼板，擋風板不但可以改變一部分來流風通過擋風板后的風向，也可以使來流風通過擋風板以后形成板后空氣紊流，能最大限度地損失來流風的動能，降低來流風的風速，從而達到擋風的目的(圖10)。擋風板的抗彎能力主要通過波高的加高或板厚的加厚實現的[16]。同時波形鋼板是立體結構，整體剛度大，較平面鋼板整體穩定性好。

圖10 波形板擋風原理示意

擋風板上開孔受氣流特點影響，采用圓形和橢圓形較好。單一的采用圓孔或橢圓孔，透過擋風板的氣流較單一，容易同方向匯集，不利于消掉氣流能量。采用圓孔及橢圓孔交錯布置，透過擋風板各個透風孔的氣流方向，大小，風壓強度均不相同，容易達成板后氣流紊亂的效果，進一步消解氣流能量[17]。

在驗算中，應用有限元計算軟件Midas建立了擋風板模型(圖11)及桿系有限元模型(圖12)。根據建立的有限元模型進行擋風板結構的相關驗算(表2)。在用Midas軟件進行建模時，采用了梁單元。對于T形梁，在縱向上選取了2 m長的梁段，且只選取了單片T梁，在梁底采用固結的約束方式，在兩根T梁濕接縫的位置處也是采用固結。

圖11 擋風板應力云圖

圖12 T梁、擋風板控制截面位置有限元模型

荷載主力+附加力截面位置軸力/kN剪力/kN彎矩/(kN·m)橋面板端60.11-21.17-17.47擋砟槽根部26.6258.93-14.6水平鋼件根部62.5523.24-16.86柱根部-4.0822.444.8斜撐-52.460.24-0.34

受擋風結構所傳遞過來的橫向風力影響，原來通橋2101的T梁截面受力性能已經不能滿足增加風荷載后的受力要求。經計算，對梁體進行改造，將擋風結構側擋砟墻向外側加厚5 cm，向上加厚5 cm，橋面板向上加厚5 cm，受控截面處的鋼筋也相應加強。如圖13所示。

圖13 通橋2101系列T梁改造截面示意(單位：mm)

擋風立柱與梁體擋砟槽采用螺栓、套筒、銷釘和擋板等連接，N2焊釘與N1預埋π鋼采用自動螺柱焊；擋風立柱根部與T梁馬蹄部分連接，采用φ80×5 mm，材質為Q355NHD圓截面鋼管，起到斜向支撐作用，底部馬蹄部分采用預埋N7，N5鋼板，斜撐鋼管長度根據N6圓鋼位置調整。螺栓及螺母采用多元合金共滲+達可樂技術+封閉層處理。預埋件具體尺寸如圖14、圖15所示[18]。

圖14 擋砟墻預埋件

圖15 立柱斜撐底部預埋件

受風荷載影響，橫向力增加明顯，橋梁傾覆系數重新檢算，支座選用時注意選用滿足要求的支座型號。橋墩作用力增加明顯，對墩身護面鋼筋進行加強，樁基長度及樁基配筋等經計算后相應也有所增加。

列車進出風屏障時，產生的脈動氣壓不僅作用于風屏障結構，而且也作用于列車本身，對列車運行安全產生威脅。對于風屏障結構而言，受到該脈沖壓力波的作用可能會毀壞，對于鋼擋風結構而言，長時間、高密度的荷載往復作用會引起結構的疲勞破壞[19]。擋風立柱需達到疲勞檢算要求。

6.2 透風步板對風場勢能牽引

水平氣流沖擊到列車上，氣流轉為向上和向下兩個方向，向上的氣流排向周圍高空。而向下的氣流受到橋頂面不透風結構的抵擋，再反沖到列車底部，形成一個提升力，與向上的風力及水平風力形成一個圍繞著列車的扭轉彎矩。列車傾覆就是受這個扭轉彎矩作用發生的。

將迎風側梁體不透風的RPC人行道步板改用透風結構，對T梁下部側面結構進行局部處理。當水平氣流沖擊到列車后，反轉向下的氣流會通過人行道步板向下排走，不會再反沖到列車底部形成提升力，減小了風力對列車的扭轉彎矩，進一步增強了擋風效果。

減弱大風的破壞作用，通過對氣流進行疏導，對風場勢能進行牽引，改變風場勢能作用方向，效果明顯優于純粹依靠擋風結構，通過加強擋風結構自身的結構強度來抵抗大風破壞。施工完成后的擋風結構見圖16。

圖16 施工完成后的擋風結構

7 結語

橋梁處于高空中，考慮橋上防風結構重力對梁體受力有較大影響[20]。橋梁擋風結構難以通過加強自身強度來抵抗風力。這種高空中的防風結構設計應該以改用輕型結構，對氣流以疏導為主，牽引風場勢能為發展方向。在本項目的防風設計研究中發現：(1)擋風結構制造紊流消耗有害風向，防護作用明顯好于靠加強結構自身強度來抵抗風害；(2)對氣流進行疏導，對風場勢能進行牽引，改變風荷載影響作用顯著；(3)鐵路橋梁結構防風設計，應該以風場勢能的研究為主方向，局限于平面的受力關系研究勢必會影響防風設計思路。

南疆鐵路至蘭新高鐵樞紐已于2017年12月1日建成通車。開通后，高鐵可通過此樞紐直通南疆，實現了“高鐵進南疆”的目的，增進了民族間友誼，縮短了南疆與烏魯木齊及內地的旅行時間，保障了社會的穩定，有重要的政治及經濟意義。

本項目橋梁的防風設計，引入了流場勢能牽引的概念，為以后的強風區的防風設計開拓了思路，具有很好的方向指引作用。