滬昆高鐵北盤江特大橋?qū)эL(fēng)欄桿防風(fēng)效果風(fēng)洞試驗(yàn)研究

陳 列,徐錫江,謝海清,呂 娜,張 鶴

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031； 2.四川睿鐵科技有限責(zé)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(fēng)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(fēng)、季風(fēng)的威脅，最大風(fēng)速可達(dá)到25 m/s，大風(fēng)已成為橋梁安全行車的重大隱患之一[1-2]。經(jīng)風(fēng)-車-橋動(dòng)力分析，車輛在強(qiáng)側(cè)風(fēng)環(huán)境下運(yùn)行時(shí)，空氣阻力、升力、側(cè)向力迅速增加，并且產(chǎn)生較強(qiáng)的傾覆力矩，嚴(yán)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(shí)現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)橋梁設(shè)計(jì)運(yùn)營(yíng)目標(biāo)，北盤江特大橋需要設(shè)計(jì)合理的橋梁擋風(fēng)設(shè)施，滿足列車在大風(fēng)環(huán)境下全速(350 km/h)安全通過橋梁。

1.2 國(guó)內(nèi)外防風(fēng)裝置研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外的橋梁防風(fēng)產(chǎn)品主要有以下幾種[6-9]。

(1)分離式風(fēng)屏障

該風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)與橋梁獨(dú)立設(shè)置，應(yīng)用于蘭新高鐵“百里風(fēng)區(qū)”。該結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)單，各自功能明確。

(2)與梁體連接的格柵式風(fēng)屏障

該風(fēng)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(shè)置在人行橫道外側(cè)邊緣處。

(3)具有擋風(fēng)作用的梁體

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

以上各種形式的橋梁擋風(fēng)結(jié)構(gòu)中，分離式風(fēng)屏障最大的優(yōu)點(diǎn)是橋梁和風(fēng)屏障分別施工，各自受力，但不適合高橋。具有擋風(fēng)作用的梁體擋風(fēng)效果最佳，但造價(jià)高、工藝復(fù)雜。與梁體相連的擋風(fēng)結(jié)構(gòu)在鐵路橋上應(yīng)用較少，且不能完全滿足高速列車在大風(fēng)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(zhǎng)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(dú)特，復(fù)雜的地形地貌導(dǎo)致氣象條件使得該橋常年遭受陣風(fēng)、季風(fēng)強(qiáng)勁大風(fēng)的威脅，最大風(fēng)速可達(dá)到25 m/s，列車通過橋梁設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)300 km。

本研究結(jié)合風(fēng)屏障防風(fēng)機(jī)理[10-14]，研發(fā)一種新型的防風(fēng)裝置——導(dǎo)風(fēng)欄桿，該裝置集擋風(fēng)、導(dǎo)風(fēng)及欄桿功能于一體。

2 導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

單根導(dǎo)風(fēng)欄桿主要由擋風(fēng)面、導(dǎo)風(fēng)角、通風(fēng)孔、加強(qiáng)肋、安裝孔構(gòu)成，主要擋風(fēng)面近似為一個(gè)扇形結(jié)構(gòu)，安裝后與橋梁橫向成一定角度，擋風(fēng)面上部均布通風(fēng)孔。另外，導(dǎo)風(fēng)欄桿上部有一個(gè)較大的導(dǎo)風(fēng)角。本設(shè)計(jì)中兩個(gè)角度旨在改變強(qiáng)側(cè)風(fēng)的方向，減小風(fēng)荷載對(duì)導(dǎo)風(fēng)欄桿的受力，同時(shí)減小主梁受力，導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)示意

導(dǎo)風(fēng)欄桿安裝在橋梁兩側(cè)的邊緣，向外傾斜，擋風(fēng)的同時(shí)起到了護(hù)欄的作用。導(dǎo)風(fēng)欄桿安裝示意見圖2。

圖2 導(dǎo)風(fēng)欄桿安裝示意

安裝前須先安裝預(yù)埋件，隨后將導(dǎo)風(fēng)欄桿安裝在預(yù)埋件上。每根導(dǎo)風(fēng)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(qiáng)度，避免單根受彎過大，安裝完成后的導(dǎo)風(fēng)欄桿見圖3。

圖3 導(dǎo)風(fēng)欄桿

3 導(dǎo)風(fēng)欄桿風(fēng)洞試驗(yàn)

3.1 導(dǎo)風(fēng)欄桿設(shè)計(jì)參數(shù)(表1)

根據(jù)北盤江特大橋的風(fēng)向特征、風(fēng)力大小，運(yùn)營(yíng)列車高度、運(yùn)行速度等，擬定了透風(fēng)率、導(dǎo)風(fēng)角、高度等4組不同參數(shù)的導(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)，高度3.0 mm，安裝間距0.6 m。

表1 導(dǎo)風(fēng)欄桿設(shè)計(jì)參數(shù)

注：擋風(fēng)面和導(dǎo)風(fēng)角如圖1所示，擋風(fēng)面角度和導(dǎo)風(fēng)面角度均指該面與橋梁順橋向的角度。

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

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(zhǎng)2.095 m，寬0.446 7 m，高0.133 3 m；列車節(jié)段模型長(zhǎng)2.095 m，寬0.093 m，高0.120 m。模型用紅松木和層板制作，導(dǎo)風(fēng)欄桿按設(shè)計(jì)參數(shù)采用塑料板整體雕刻制作。試驗(yàn)在均勻流條件下進(jìn)行，因?qū)эL(fēng)欄桿的擋風(fēng)面已經(jīng)與橋梁橫向形成了一個(gè)夾角，因此試驗(yàn)風(fēng)攻角α=0°，測(cè)試列車的三分力系數(shù)。加載風(fēng)速分別為15 m/s和18 m/s，并考慮了主梁的影響，導(dǎo)風(fēng)欄桿風(fēng)洞試驗(yàn)見圖4。

圖4 導(dǎo)風(fēng)欄桿風(fēng)洞試驗(yàn)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

在15 m/s和18 m/s兩種測(cè)試風(fēng)速下的三分力試驗(yàn)結(jié)果接近，說明試驗(yàn)可靠度較高，試驗(yàn)結(jié)果取15 m/s的測(cè)試值。表2分別給出了標(biāo)準(zhǔn)梁段在各種導(dǎo)風(fēng)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(fēng)孔為30 mm時(shí)的列車三分力小于透風(fēng)孔為25 mm時(shí)的列車三分力，風(fēng)倒角為10°時(shí)的列車三分力小于20°時(shí)的列車三分力，導(dǎo)風(fēng)欄桿最寬寬度為480 mm時(shí)的三分力小于寬度為420 mm的列車三分力。綜合各設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)風(fēng)欄桿方案4為較優(yōu)設(shè)計(jì)。

4 風(fēng)車橋動(dòng)力分析

取導(dǎo)風(fēng)欄桿4的風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試得到的三分力系數(shù)對(duì)北盤江特大橋進(jìn)行風(fēng)車橋動(dòng)力分析，分析安裝導(dǎo)風(fēng)欄桿后的橋梁在不同等級(jí)風(fēng)速下是否滿足行車安全和乘坐舒適度的標(biāo)準(zhǔn)。見表3。

表3 無導(dǎo)風(fēng)欄桿和安裝導(dǎo)風(fēng)欄桿4的風(fēng)車橋動(dòng)力分析評(píng)判結(jié)果對(duì)比

結(jié)果表明：無導(dǎo)風(fēng)欄桿，橋面風(fēng)速在20 m/s時(shí)，CRH2動(dòng)車組時(shí)速達(dá)到220 km時(shí)，車體加速度已超過安全值。安裝導(dǎo)風(fēng)欄桿后，橋面風(fēng)速在20 m/s時(shí)，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(dāng)橋面風(fēng)速達(dá)到22.5 m/s時(shí)，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(dǎo)風(fēng)欄桿結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果，車輛的阻力系數(shù)下降幅度不大，因而車輛的動(dòng)力響應(yīng)改善程度不夠理想的情況，其主要原因?yàn)閷?dǎo)風(fēng)欄桿下部結(jié)構(gòu)較小引起導(dǎo)風(fēng)欄桿整體透風(fēng)率過大。

5.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

為減小導(dǎo)風(fēng)欄桿的透風(fēng)率，在第二次風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)將欄桿間距減小為0.5 m，并作了下部設(shè)置高1.0 m的實(shí)心板和不設(shè)下部實(shí)心板的比對(duì)，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)見圖5。導(dǎo)風(fēng)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(shí)心板的導(dǎo)風(fēng)欄桿風(fēng)洞試驗(yàn)

表4 導(dǎo)風(fēng)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(dǎo)風(fēng)欄桿下部加1 m高實(shí)心板后列車的阻力系數(shù)明顯小于下部未加實(shí)心板的阻力系數(shù)，說明列車下部的風(fēng)荷載對(duì)列車有較大的影響，下部加1 m高實(shí)心板后的導(dǎo)風(fēng)欄桿可以大大減小列車受到的風(fēng)荷載。為進(jìn)一步證明優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性，再次進(jìn)行風(fēng)車橋的動(dòng)力響應(yīng)分析。

5.2 風(fēng)-車-橋動(dòng)力響應(yīng)分析

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

表5 滬昆高鐵北盤江導(dǎo)風(fēng)欄桿優(yōu)化后風(fēng)車橋動(dòng)力分析評(píng)判結(jié)果匯總

根據(jù)橋梁動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果，橋面平均風(fēng)速22.5 m/s和25 m/s時(shí)，所有工況下車輛動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果均滿足要求。優(yōu)化后最優(yōu)工況(下部設(shè)置1 m墻體)與優(yōu)化前最優(yōu)工況(導(dǎo)風(fēng)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(fēng)荷載明顯降低，由此可說明車輛的動(dòng)力響應(yīng)較優(yōu)化前明顯改善。綜上所述，導(dǎo)風(fēng)欄桿優(yōu)化后橋梁和車輛動(dòng)力性能在橋面平均風(fēng)速25 m/s及以下時(shí)，列車可以按設(shè)計(jì)時(shí)速350 km安全通過，無需限速，同時(shí)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(shè)置1 m墻體)與優(yōu)化前最優(yōu)工況(導(dǎo)風(fēng)欄桿4)相比，主梁阻力系數(shù)由2.545 4變?yōu)?.466 6，說明導(dǎo)風(fēng)欄桿在滿足擋風(fēng)性能的同時(shí)對(duì)主梁的阻力系數(shù)影響并不大。

6 實(shí)橋安裝及驗(yàn)證

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

運(yùn)營(yíng)至此,列車在大風(fēng)時(shí)期均以設(shè)計(jì)時(shí)速300 km全速安全通行,導(dǎo)風(fēng)欄桿自身結(jié)構(gòu)完好。

圖6 北盤江特大橋?qū)эL(fēng)欄桿實(shí)橋安裝

圖7 列車時(shí)速333 km時(shí)在車上看到的導(dǎo)風(fēng)欄桿和景觀

7 結(jié)論

通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試不同結(jié)構(gòu)導(dǎo)風(fēng)欄桿的氣動(dòng)系數(shù),采用風(fēng)車橋動(dòng)力分析方法研究導(dǎo)風(fēng)欄桿對(duì)列車安全性能和主梁的影響,結(jié)論如下。

(1)導(dǎo)風(fēng)欄桿的應(yīng)用消除了大風(fēng)對(duì)北盤江特大橋列車高速運(yùn)營(yíng)安全的不利影響,保證列車全天候安全運(yùn)行,同時(shí)提高了列車的乘坐舒適性。

(2)導(dǎo)風(fēng)欄桿兼具擋風(fēng)、導(dǎo)風(fēng)、欄桿功能于一體,同時(shí)發(fā)揮了橋梁防風(fēng)、行人安全防護(hù)的功能。

(3)部分風(fēng)通過有角度的擋風(fēng)面和帶折角的傾斜導(dǎo)風(fēng)葉片進(jìn)行轉(zhuǎn)向,減小了風(fēng)荷載對(duì)導(dǎo)風(fēng)欄桿的受力,同時(shí)減小主梁的受力。