云桂鐵路南盤江特大橋導風欄桿研究

任 偉, 何庭國, 陳克堅, 胡玉珠

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川成都 610031)

1 工程概況

隨著我國西南山區高速鐵路的快速發展，越來越多地遇到了需采用大跨橋梁進行跨越的高山峽谷地形(圖1)。這些峽谷地形有一個典型的特點就是橋梁高度高、風速大，局部月份的瞬間風速可達30 m/s。云桂鐵路南盤江特大橋橋址處就屬于這種地形，橋面與溝底高差達到270 m，峽谷瞬時最大風速達24 m/s，約為十級大風[1]。后期運營過程中，在最大峽谷風力作用下，列車通過大橋時存在較大的安全隱患，因此大橋的抗風設計顯得尤為關鍵。

圖1 山區峽谷地形特點

2 國內外大橋抗風設計現狀

2.1 國內大橋抗風設計現狀

國內鐵路風屏障目前主要應用于西北風沙較大地區，早期我國既有蘭新線采用的是一種分離式擋風結構，即在鐵路橋梁的迎風側單獨修建一座橋梁，在該橋梁上修建風屏障[2](圖2)。

圖2 分離式擋風結構示意

該方案的優點是擋風結構與鐵路橋梁完全分開，結構受力明確，但缺點也很明顯，單獨修建一座橋梁，造價高，景觀效果差，特別是橋梁高度較高時則不太適用。

新建蘭新高鐵在分離式方案基礎上進行了優化，采用了與梁體連接在一起的板式橋梁擋風結構(圖3)。該方案擋風板采用帶孔鋼板，根據風洞試驗結果來看，這種帶孔鋼板能夠較大地消耗風的動能且景觀效果較分離式方案更好。但該方案主要目的是擋住來風，避免來風對行車的影響，缺點在于會對梁產生較大的橫向風力，對梁受力不利。

圖3 蘭新高鐵擋風結構示意

2.2 國外大橋抗風設計現狀

國外對橋梁擋風結構的研究起步較早，根據橋梁自身的地形和結構特點，采用的擋風結構種類與國內也有較大的差異。如法國米洛高架橋采用的是一種格柵式橋梁擋風結構[3](圖4)。而西班牙馬德里-薩拉戈薩-法國的高速鐵路Ebro橋則在梁部設計中兼顧了擋風功能，該橋采用了一種腹板開孔的槽型梁結構[2](圖5)。

圖4 米洛高架橋擋風結構示意

圖5 Bero橋擋風結構示意

以上國內外橋梁擋風結構的設計也為我國山區高速鐵路峽谷強風地區橋梁抗風設計提供了很好的思路和方法。

3 云桂鐵路南盤江特大橋導風欄桿設計

云桂鐵路南盤江特大橋全長852.43 m，主橋為單跨416 m上承式鋼筋混凝土拱橋，拱圈為懸鏈線，拱軸系數m=1.8，矢高99 m，矢跨比為f/L=1/4.2。拱圈采用單箱三室的等高變寬箱型截面，高8.5 m，寬度從拱頂至拱腳18～28 m變化[1]。為解決南盤江特大橋峽谷風作用下的行車安全問題，設計了一種集擋風和導風功能于一體的新型橋面擋風結構——導風欄桿。

導風欄桿體系為特殊設計的迎風面均布通風孔的多根帶有一定傾角和導風角的金屬欄桿，欄桿頂距梁頂約3.5 m，導風葉片間距50 cm，下部設置1 m高基礎[1]，在增強橋梁防風效果的同時將安裝導風欄桿的預埋件置于墻體中保證安裝的穩固。施工時多根導風欄桿獨立安裝，增強了在高處安裝的安全性如圖6～圖9所示。

圖6 導風欄桿結構示意

圖7 橋面布置示意

圖8 導風欄桿布置

圖9 橋面導風欄桿安裝效果

4 導風欄桿性能驗證

為驗證南盤江特大橋導風欄桿的抗風性能，進行了相關的風洞試驗和風-車-橋耦合動力響應分析。

4.1 風洞試驗

風洞試驗在西南交通大學單回流串聯雙試驗段工業風洞(XNJD-1)第二試驗段中進行，主梁節段模型及列車采用1∶30的幾何縮尺比。針對導風欄桿設置間距50 cm、60 cm、70 cm，導風角20 °、30 °、40 °以及擋板孔徑25 mm、30 mm等不同方案進行了實驗，實驗模型如圖10所示。實驗結果表明欄桿間距50 cm、導風角30 °、擋板孔徑30 mm方案的防風效果最好，可降低橫向風力50 %以上[4]。

圖10 導風欄桿風洞試驗模型

4.2 風-車-橋動力分析

風-車-橋耦合動力分析采用多自由度有限元模型，主要進行不采用導風欄桿以及不同方案導風欄桿條件下的分析計算，考察其列車和橋梁動力性能。有限元計算模型如圖11所示。

圖11 全橋有限元模型示意

風-車-橋耦合動力分析結果與風動實驗較為吻合，欄桿間距50 cm、導風角30 °、擋板孔徑30 mm方案的防風效果最好。按該方案設置導風欄桿后列車的阻力系數從1.139 8減小為0.384 8[4]，列車所受風荷載明顯降低，橋梁和車輛動力性能在橋面平均風速25 m/s及以下時均滿足規范要求，能夠保證列車安全舒適運行。

5 結束語

南盤江特大橋導風欄桿設計新穎、造型美觀、安裝方便， 經風洞試驗和風-車-橋耦合動力分析結果表明安裝導風欄桿后可有效降低橫向風力50%以上。目前該導風欄桿已獲得國家發明專利并在云桂鐵路南盤江特大橋上成功應用，大橋通車兩年多來列車運行安全平穩。該導風欄桿體系的成功研發也為后續山區峽谷強風地去高度鐵路橋梁的防風設計提供了經驗。