劉宏昌
【摘要】本文圍繞著擋風(fēng)墻進(jìn)行探討,首先論述了擋風(fēng)墻的使用原理,以及擋風(fēng)墻在我國西部戈壁大風(fēng)區(qū)的使用現(xiàn)狀。隨后,本文結(jié)合具體的實例詳細(xì)分析了擋風(fēng)墻設(shè)計和結(jié)構(gòu)形式選擇的要點。以期能夠為我國擋風(fēng)墻的建設(shè)提供有價值的參考。
【關(guān)鍵詞】擋風(fēng)墻;設(shè)計;結(jié)構(gòu)形式
中圖分類號:S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
一、前言
擋風(fēng)墻建設(shè)之后,為我國大風(fēng)戈壁區(qū)的交通帶來了一道人工屏障,維護(hù)了我國的交通的穩(wěn)定運行。但是,擋風(fēng)墻的建設(shè)必須要有科學(xué)的設(shè)計方案,所選擇的的結(jié)構(gòu)形式也必須要滿足交通建設(shè)的需要。因此,研究擋風(fēng)墻設(shè)計與結(jié)構(gòu)形式很有必要。
二、擋風(fēng)墻的原理分析
通過以往的擋風(fēng)墻防風(fēng)氣動性能研究表明,擋風(fēng)墻之所以有良好的保護(hù)列車安全運行的作用,其原因在于外界橫向來流經(jīng)過擋風(fēng)墻后,擋風(fēng)墻后和列車的周圍流場結(jié)構(gòu)發(fā)生改變,有利于提高車輛的傾覆穩(wěn)定性。其流場的改變主要有:
1、氣流經(jīng)過擋風(fēng)墻后流速大幅度降低。氣流繞過擋風(fēng)墻在頂部邊緣分離,形成很強(qiáng)的氣流剪切層,從而導(dǎo)致產(chǎn)生尾渦區(qū),風(fēng)洞試驗和實車試驗表明,在尾渦區(qū)內(nèi)平均風(fēng)速較低,約為l0m高路肩處平均風(fēng)速的20%。
2、擋風(fēng)墻后車輛的壓力分布改變。以棚車為例,無擋風(fēng)墻時車體迎風(fēng)面為正壓,當(dāng)擋風(fēng)墻高度2. 4m時,棚車四個面均受到負(fù)壓作用,且各負(fù)壓有相互抵消的趨勢,傾覆力矩接近于零,使得車輛在擋風(fēng)墻后的氣動性能大為改善,極大地提高了車輛穩(wěn)定性。
三、擋風(fēng)墻在我國西部使用現(xiàn)狀
我國西部新疆等的戈壁強(qiáng)風(fēng)區(qū)大風(fēng)活動頻繁、風(fēng)速高、風(fēng)期長、季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)向穩(wěn)定、起風(fēng)速度快等特點。對鐵路有影響的典型風(fēng)區(qū)諸如阿拉山口風(fēng)區(qū)、百里風(fēng)區(qū)、三十里風(fēng)區(qū),在百里風(fēng)區(qū)瞬時最大風(fēng)速可以達(dá)到 64 m/s。強(qiáng)風(fēng)地區(qū)的強(qiáng)風(fēng)空氣流運動對途經(jīng)該區(qū)的列車產(chǎn)生兩方面直接破壞作用,一方面強(qiáng)風(fēng)攜沙礫流擊破車窗、損壞車身甚至吹翻列車,另一方面強(qiáng)風(fēng)過境后,大量沙礫物質(zhì)沉落掩埋軌道,致使列車被迫停駛。因此,戈壁強(qiáng)風(fēng)地區(qū)區(qū)域內(nèi)的鐵路防風(fēng)安全與線路維護(hù)問題十分突出。以蘭新鐵路為例,全線經(jīng)過的強(qiáng)風(fēng)區(qū)距離為 525km,占蘭新線全長的 54% 。自通車以來,屢次發(fā)生列車被迫減速、停運,甚至發(fā)生整列列車被吹翻的交通事故。為了保障列車的安全運行,在大風(fēng)區(qū)鐵路沿線構(gòu)筑了多種擋風(fēng)墻。
四、擋風(fēng)墻設(shè)計應(yīng)用案例
連云港—霍爾果斯高速公路(G30)新疆段橫穿百里風(fēng)區(qū)(見圖1)、 三十里風(fēng)區(qū), 一年中有320d風(fēng)力在8級以上, 瞬時最大風(fēng)速60m/s, 相當(dāng)于17級颶風(fēng)。 2012年3月20日4~15時, 因大風(fēng)原因, 蘭新鐵路十三間房段客、 貨車全部停運, 停運車輛達(dá)80多列; 一碗泉至紅山口高速公路數(shù)百輛車輛滯留, 車窗玻璃被風(fēng)刮起的碎石擊碎, 數(shù)輛大型貨車被大風(fēng)刮翻, 交警部門只好組織裝甲車對被困乘客進(jìn)行緊急搜救; 國家電網(wǎng)十三間房120千伏變電所多處塔架損壞。 大風(fēng)天氣給公路、鐵路運輸造成較大影響, 給居民出行帶來不便, 為了保證大風(fēng)環(huán)境下公路鐵路的行車安全和正常運營, 在大風(fēng)區(qū)重點路段布設(shè)有效的擋風(fēng)墻十分重要。
圖1 百里風(fēng)區(qū)示意圖
1、擋風(fēng)墻設(shè)計
(一)設(shè)計原則
效果好,就高不就低,堅固耐用,經(jīng)濟(jì)環(huán)保,因地制宜,美觀大方。
(二)風(fēng)力等級
風(fēng)力等級是擋風(fēng)墻設(shè)計考慮的重要因素。風(fēng)力等級劃分見表1。
表1風(fēng)力等級表
(三)穩(wěn)定性驗算
擋風(fēng)墻的穩(wěn)定設(shè)計是重中之重,直接影響到擋風(fēng)墻的使用效果。擋風(fēng)墻的高度及其距路基邊緣的寬度需要根據(jù)力學(xué)計算進(jìn)行確定,以“兜風(fēng)”為最佳效果。以格賓網(wǎng)箱為例,假定為重力式擋墻,且墻身為不透風(fēng)結(jié)構(gòu)(事實上網(wǎng)箱內(nèi)填料有孔隙,是透風(fēng)結(jié)構(gòu),分析時透風(fēng)因素等暫未考慮)。
(1)迎風(fēng)面穩(wěn)定分析
擋風(fēng)墻斷面圖見圖2,斷面計算模型簡化圖見圖3。
圖2擋風(fēng)墻斷面圖
圖3斷面計算模型簡化圖
①風(fēng)速與風(fēng)壓
根據(jù)伯努利方程得出的關(guān)系公式:
在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下,氣壓為101.3kPa,溫度為15℃,空氣重度r為0.01225kN/m3,緯度為45°處的重力加速度g為9.8m/s2,公式(1)變?yōu)椋?/p>
此公式為用風(fēng)速估計風(fēng)壓的通用公式。注意,空氣重度和重力加速度隨緯度和海拔高度而變,一般來說,空氣密度在高原上要比在平原地區(qū)小,也就是說同樣的風(fēng)速在相同的溫度下,其產(chǎn)生的風(fēng)壓在高原上比在平原地區(qū)小。我們設(shè)計擋風(fēng)墻,應(yīng)該考慮迎風(fēng)面上作用的最大風(fēng)力情況下情況,則空氣密度取值在平原地區(qū)常溫下的情況,采用公式(2)計算最大風(fēng)壓。
根據(jù)計算機(jī)模擬試驗結(jié)果,載重60t的列車的臨界翻車風(fēng)速約為50m/s,相當(dāng)于22kN·m的傾覆力矩。所以,擋風(fēng)墻只要將傾覆力矩減弱至22kN·m以下,就可以保證列車不傾覆。擋風(fēng)墻高度越高,擋風(fēng)效果越好,但在經(jīng)濟(jì)上未必合理可行。根據(jù)不同擋風(fēng)墻后傾覆力矩的數(shù)值模擬結(jié)果,3m高的墻可使60m/s風(fēng)速的傾覆力矩減至22kN·m以下,3.25m高的墻可使64m/s風(fēng)速的的傾覆力矩減至22kN·m以下。
②風(fēng)速與風(fēng)力
擋風(fēng)墻上的作用力主要有:水平風(fēng)力、自重力、地基反力和地基水平抗力。中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所通過試驗、分析,擬合而成風(fēng)速和風(fēng)力的關(guān)系為:
在平坦地形條件下,均勻風(fēng)速當(dāng)遇到阻擋物時,風(fēng)速將重新分布,最底部為0,頂端為無阻擋物時的風(fēng)速,風(fēng)速隨高度變化。在此處考慮擋墻風(fēng)力作用時,應(yīng)考慮最危險的情況。擋風(fēng)墻位于填方路肩,墻面下部將會受到順路堤邊坡而上的風(fēng)力作用,那么假定擋風(fēng)墻所受風(fēng)速為沿墻高均勻分布,此種情況風(fēng)力作用大于其他情況。
③作用力分析
a)風(fēng)力迎風(fēng)面風(fēng)力沿墻面均勻分布,利用公式(2)得迎風(fēng)面墻面受力為:
wp=v2/1600
=60×60/1600=2.25kN/m2
則單位物體表面面積上受到60m/s的風(fēng)力作用約為225kg,4m高迎風(fēng)面每延米=受到的風(fēng)力F=9kN/m;
利用公式(3)得4m高迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力為:
取兩種風(fēng)力計算結(jié)果的最大值,則迎風(fēng)面每延米受到的風(fēng)力
F=11.1332kN/m(滑動力);
b)抗滑穩(wěn)定系數(shù)
抗滑系數(shù)大于1.3,滿足規(guī)范要求(一般土質(zhì)地基上擋墻受到基本荷載組合,一級擋墻抗滑系數(shù)不小于1.3);
c)抗傾穩(wěn)定系數(shù)
傾覆力矩為風(fēng)力作用,基礎(chǔ)網(wǎng)箱背風(fēng)處基腳點為圓心,假設(shè)風(fēng)力沿墻體均勻分布,則作用點為墻高的一半,則有
抗傾系數(shù)大于1.5,滿足規(guī)范要求(一般土質(zhì)地基上擋墻受到基本荷載組合,一級擋墻抗傾系數(shù)不小于1.5);
d)地基應(yīng)力
(2)背風(fēng)面穩(wěn)定分析
因為設(shè)計的擋墻為非對稱結(jié)構(gòu),所以應(yīng)該考慮墻背來風(fēng)的情況。
①風(fēng)力計算
如果迎風(fēng)面考慮幾何坡度,迎風(fēng)面頂角與基腳處的連線與豎直面夾角為19.29°。假定風(fēng)力垂直作用在連線上,則風(fēng)力與水平方向夾角為19.29°,則水平分力沒有風(fēng)力直接作用在墻體表面的力大。那在擋墻擋風(fēng)的情況下,考慮最危險的作用力,則還是假定風(fēng)力沿墻體均勻分布,作用點還是在墻高二分之一處。F=11.1332kN/m,力矩為M=22.2664kN·m/m
②抗滑穩(wěn)定系數(shù)
③抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)
通過計算,發(fā)現(xiàn)背面風(fēng)力達(dá)到60m/s時,擋墻依然不會產(chǎn)生滑動及傾覆。
(3)迎風(fēng)面不考慮埋深穩(wěn)定分析
考慮基礎(chǔ)層埋深在土內(nèi),不計算基礎(chǔ)的重量,只考慮上層4m高箱體。參數(shù)取值設(shè)定在不安全情況。
①風(fēng)力作用,依然考慮風(fēng)力沿墻體均勻分布,作用點在墻高二分之一處,F(xiàn)=11.1332kN/m,力矩為M=22.2664kN·m/m。
②四層墻體自重G=126kN/m,網(wǎng)箱重量對基腳力矩M=225kN·m/m。
③抗滑穩(wěn)定系數(shù)
抗滑力F=f×G=0.35×126=44.1kN/m
實際上,第四層網(wǎng)箱和第五層網(wǎng)箱是用雙股扎絲20cm間距綁扎的,且網(wǎng)箱內(nèi)的石料具有棱角,因此實際的摩擦系數(shù)不應(yīng)小于0.35,這里也是保守取值,考慮危險情況。
(4)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)
因此即使考慮風(fēng)力作用在上四層,沒有基礎(chǔ)埋深的情況依然滿足穩(wěn)定要求。但因為有其他未知因素,加入埋深,提高安全系數(shù)。
2、擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式及比選
(一)擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式
格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻和較常用的二種擋風(fēng)墻形式進(jìn)行結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)比較分別見圖4、圖5、圖6。
圖4 對拉式擋風(fēng)墻
圖5L型柱板式擋風(fēng)墻
圖6 格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻
(1)對拉式擋風(fēng)墻
對拉式擋風(fēng)墻墻高3~4m,寬1.5m,墻面板為十字形,板幅采用1.0m×1.0m的C15鋼筋混凝土預(yù)制板,板厚0.15m。墻面板采用鋼筋拉桿對拉,左右對稱結(jié)構(gòu),墻內(nèi)填夯實圓礫,墻頂用混凝土預(yù)制塊封頂。
(2)L型柱板式擋風(fēng)墻
L型柱板式擋風(fēng)墻由L形柱和擋風(fēng)板組成,L形柱高4.0m,埋深1.0m,柱截面成“工”字形,兩翼寬為0.5m,翼高0.215m,腹板寬0.5m,高為0.17m,現(xiàn)澆施工。擋風(fēng)板總長3.4m,寬0.5m,板厚0.15m。路基邊坡及路肩采用漿砌片塊石防護(hù)。
(3)格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻
格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻為工程用機(jī)編鋼絲網(wǎng)箱組合體結(jié)構(gòu),高4.0m,埋深1.0m,頂寬1.0m。填充料采用堅固密實、耐風(fēng)化好的石料,如卵石、礫石,填充料的粒徑控制10~25cm且達(dá)到80%以上。路基邊坡及路肩采用漿砌片塊石防護(hù)。
(二)性能比較
在防風(fēng)性能方面,格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻與對拉式擋風(fēng)墻和L型柱板式擋風(fēng)墻相同;在成本方面,對拉式擋風(fēng)墻最高,格賓網(wǎng)箱擋風(fēng)墻最低。三種形式的綜合比較見表2。
表2擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)形式比較表
通過以上比較和結(jié)合新疆的特殊地理環(huán)境,推薦采用柔性格賓網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)的擋風(fēng)墻。
五、結(jié)束語
綜上所述,擋風(fēng)墻的建設(shè)必須建立在科學(xué)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上,因此,在擋風(fēng)墻建設(shè)之前,必須要調(diào)查擋風(fēng)墻所處區(qū)域的地理環(huán)境特征,進(jìn)而優(yōu)選設(shè)計方案和結(jié)構(gòu)形式,確保擋風(fēng)墻建設(shè)完成后使用的有效性。
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