徐 影 謝 俊 欒立宸

(1．中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410075；2．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

東南沿海高速鐵路沿線環(huán)境風(fēng)特性研究

徐 影1謝 俊1欒立宸2

(1．中南大學(xué)軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410075；2．鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司， 天津 300142)

文章針對(duì)大風(fēng)環(huán)境下的東南沿海某高速鐵路的行車安全問(wèn)題，研究了該鐵路沿線的環(huán)境風(fēng)特性。通過(guò)提取沿線關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)處超過(guò)高速鐵路列車環(huán)境風(fēng)速管制值的測(cè)風(fēng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，分析最大風(fēng)速段全天環(huán)境風(fēng)特性以及最大風(fēng)速點(diǎn)各月環(huán)境風(fēng)特性，得到了該東南沿海高速鐵路沿線平均風(fēng)速、陣風(fēng)因子、湍流強(qiáng)度的變化規(guī)律。研究表明：該鐵路沿線環(huán)境風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，夏季風(fēng)速明顯偏高；最大風(fēng)速段全天環(huán)境風(fēng)特性較為一致，10 min平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在同一時(shí)段，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子值的離散度較大，且隨平均風(fēng)速的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，當(dāng)平均風(fēng)速超過(guò)2 m/s時(shí)，湍流強(qiáng)度值一般不超過(guò)0.50，陣風(fēng)因子值一般在2.00左右波動(dòng)；最大風(fēng)速點(diǎn)處各月最大平均風(fēng)速不超過(guò)13 m/s，湍流強(qiáng)度值集中分布在0.10～1.00區(qū)間，陣風(fēng)因子值與湍流強(qiáng)度值的變化趨勢(shì)一致，且陣風(fēng)因子值集中分布在1.00～8.00區(qū)間；最大風(fēng)速點(diǎn)處風(fēng)速系數(shù)離散度大，且風(fēng)速上升系數(shù)與風(fēng)速回落系數(shù)無(wú)關(guān)。以上環(huán)境風(fēng)特征分析可用于該區(qū)域的環(huán)境風(fēng)速預(yù)測(cè)模型的建立。

東南沿海； 高速鐵路； 風(fēng)環(huán)境； 特性

高速列車運(yùn)行速度較高，其周圍氣流變化劇烈，如果遇到大風(fēng)等惡劣氣候，列車將可能受到較強(qiáng)的橫向風(fēng)，導(dǎo)致車體兩側(cè)壓差過(guò)大，造成列車脫軌、傾覆等一系列嚴(yán)重的鐵路事故發(fā)生。我國(guó)東南沿海地區(qū)人員流動(dòng)大、鐵路網(wǎng)密集，已開(kāi)通的杭福深客運(yùn)專線等一系列沿海高速鐵路，大大提高了該地區(qū)旅客輸送效率。同我國(guó)其他地區(qū)相比，東南沿海及海島等地為我國(guó)風(fēng)能極為豐富的地區(qū)，每年的臺(tái)風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)對(duì)流等氣候?yàn)?zāi)害較為多發(fā)[1]。受臺(tái)風(fēng)等天氣影響，以及自身地理位置特點(diǎn)，該地區(qū)起風(fēng)速度快，平均風(fēng)速偏大，脈動(dòng)速率大。這些風(fēng)環(huán)境因素給高速列車的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了較大的挑戰(zhàn)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者為研究不同風(fēng)速對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響建立了多種環(huán)境風(fēng)速模型。Yan等人建立了模擬臺(tái)風(fēng)邊界層風(fēng)場(chǎng)特性分析模型并利用臺(tái)風(fēng)Caitlin、Kinna、Mireille風(fēng)速風(fēng)向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型的適用性[2]；Holmes等人提出用于描述下?lián)舯┝魉斤L(fēng)速及風(fēng)向的經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型[3]；Chen和Letchford在Holmes模型基礎(chǔ)上提出deterministic-stochastic混合分析模型，將速度的脈動(dòng)模擬為均勻漸變的隨機(jī)過(guò)程[4]；Avdakovic等人利用小波變換法分析了2007年B&H(Bosnia-Herzegovina)國(guó)家3個(gè)不同測(cè)風(fēng)位置全年每小時(shí)平均風(fēng)速時(shí)程[5]；Xu等人建立了順風(fēng)向非平穩(wěn)風(fēng)速模型，將順風(fēng)向風(fēng)速表示成確定性時(shí)變平均風(fēng)和零均值脈動(dòng)風(fēng)兩部分[6-7]；羅雄等人根據(jù)有限的原始風(fēng)速數(shù)據(jù)，利用快速富氏變換和希爾伯特變換，建立非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程數(shù)學(xué)模型，以數(shù)字模擬方法產(chǎn)生所需的隨機(jī)樣本[8]；孫海等人提出強(qiáng)風(fēng)環(huán)境非平穩(wěn)風(fēng)速分析模型，重新定義了風(fēng)特性參數(shù)計(jì)算公式并給出經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ù_定時(shí)變平均風(fēng)的步驟[9]；趙楊針對(duì)極端風(fēng)的突變特點(diǎn)，提出階躍氣流模型[10]。以上所建模型主要采用數(shù)學(xué)上的模擬和變換，再根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證模型的適用性，建模之前未結(jié)合特定地區(qū)大量實(shí)測(cè)風(fēng)速的典型特征，且模型均未針對(duì)鐵路沿線風(fēng)特性，有必要根據(jù)沿線實(shí)測(cè)風(fēng)速的典型特征建立符合該區(qū)域的環(huán)境風(fēng)速模型，以期為沿海高速列車氣動(dòng)特性分析及行車安全評(píng)估提供風(fēng)速模型參考。

1 沿線環(huán)境風(fēng)速數(shù)據(jù)采集

1.1 線路概況和測(cè)風(fēng)點(diǎn)

溫州-廈門客運(yùn)專線由多條線路銜接而成，于2009年開(kāi)始陸續(xù)開(kāi)通，并于2013年全線通車，是我國(guó)“四縱四橫”客運(yùn)專線中的一部分。線路總里程約為573.3 km，其中橋梁和隧道占全線的62.56%，該線路所經(jīng)地區(qū)受臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)影響頻繁，風(fēng)速較大且風(fēng)況較復(fù)雜。以此條客運(yùn)專線作為大風(fēng)實(shí)測(cè)段，測(cè)風(fēng)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 測(cè)風(fēng)點(diǎn)位置圖(局部)

在此待測(cè)線路的關(guān)鍵站點(diǎn)(沿線的所有大山埡口地段)共計(jì)72個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)采集風(fēng)速樣本數(shù)據(jù)，可以對(duì)全線的環(huán)境風(fēng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。測(cè)點(diǎn)列表如表1所示。

表1 全線測(cè)風(fēng)點(diǎn)基本情況

1.2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備和數(shù)據(jù)預(yù)處理

每一個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)配備一個(gè)大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由2套風(fēng)速儀、數(shù)據(jù)采集單元組成，設(shè)置在沿線大橋上的鐵路接觸網(wǎng)立柱上，設(shè)置高度為(4±0.1) m風(fēng)速儀布置方法如圖2所示。

圖2 風(fēng)速儀布置

風(fēng)速傳感器用不銹鋼支架固定于接觸網(wǎng)立柱上，傳感器每秒(動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為60 Hz)實(shí)時(shí)發(fā)送一回風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)到GSM-R基站監(jiān)控單元并自動(dòng)存儲(chǔ)。風(fēng)速儀探頭量程為：±80 m/s(±5%測(cè)量值)，測(cè)量精度<0.03 m/s。環(huán)境溫度為-20℃～70℃。兩個(gè)風(fēng)速儀呈相互垂直角水平安裝。

收集的所有測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)樣本量很大，首先依據(jù)我國(guó)鐵路現(xiàn)行的高速鐵路列車環(huán)境風(fēng)速管制值設(shè)定警報(bào)值[11]，只提取出超過(guò)各個(gè)分級(jí)限值的樣本數(shù)據(jù)作為分析數(shù)據(jù)。2012年1月至10月的環(huán)境風(fēng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)大風(fēng)報(bào)警情況統(tǒng)計(jì)表如表2所示。

表2 全線2012年01～10月大風(fēng)報(bào)警統(tǒng)計(jì)表

2 環(huán)境風(fēng)特性參數(shù)

近地環(huán)境風(fēng)由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)組成，平均風(fēng)引起的靜風(fēng)載荷作用在列車上直接影響到列車的氣動(dòng)特性及運(yùn)行穩(wěn)定性，容易使列車輪軌動(dòng)力學(xué)特性及輪軌接觸關(guān)系發(fā)生變化，可能會(huì)誘發(fā)列車傾覆超限及脫軌等一系列安全隱患。脈動(dòng)風(fēng)引起的脈動(dòng)風(fēng)載荷作用在車體上會(huì)導(dǎo)致車體脈沖氣動(dòng)力的突變，有可能會(huì)導(dǎo)致行車安全問(wèn)題。且高密度的荷載往復(fù)作用在車體上可能會(huì)引起車體部分結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，同時(shí)影響運(yùn)行列車的乘坐舒適性。環(huán)境風(fēng)作用在高速列車上，會(huì)引起列車姿態(tài)的響應(yīng)，當(dāng)這種響應(yīng)超過(guò)一定限度時(shí)，會(huì)對(duì)行車安全構(gòu)成威脅。

一般來(lái)說(shuō)，風(fēng)在高速列車上的作用力可以分成3類[12]:

(1)平均風(fēng)引起的平均風(fēng)載荷，決定著列車的渦振、靜風(fēng)失穩(wěn)等風(fēng)振問(wèn)題；

(2)脈動(dòng)風(fēng)引起的脈動(dòng)風(fēng)載荷，決定著列車的抖振問(wèn)題；

(3)風(fēng)與高速列車耦合振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。

鑒于此，對(duì)于所采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù)，需關(guān)注其以下特性：

(1)對(duì)風(fēng)振問(wèn)題，研究風(fēng)的平均風(fēng)特性，包括平均風(fēng)速和平均風(fēng)速剖面等；

(2)對(duì)抖振問(wèn)題，研究風(fēng)的湍流脈動(dòng)特性，包括湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子和風(fēng)加速度等。

環(huán)境風(fēng)特性分析所需參數(shù)包括平均風(fēng)特性參數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)特性參數(shù)，風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)隨著地形地貌、地理位置以及氣候條件的不同而不同。

2.1 平均風(fēng)速

平均風(fēng)速反映環(huán)境風(fēng)在一定時(shí)距內(nèi)的速度水平。對(duì)于所采集的風(fēng)速數(shù)據(jù)，其包含有水平風(fēng)速和風(fēng)向兩重信息。風(fēng)速儀測(cè)得兩個(gè)角度的風(fēng)速數(shù)據(jù)，得到合速度，把該風(fēng)速分解到對(duì)照軌道方向建立的正交坐標(biāo)軸上，如圖3所示。

圖3 平均風(fēng)速分解

其中x方向表示沿軌道方向，y方向表示垂直軌道方向，θ為主風(fēng)向和列車之間的夾角，U為環(huán)境風(fēng)速在列車行駛方向的分速度。平均時(shí)距T的長(zhǎng)度決定了平均風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果，時(shí)距太長(zhǎng)或太短都不利于分析平均風(fēng)特性，本文平均時(shí)距取為10 min。研究表明，最大和最小風(fēng)速之差的平均值，隨時(shí)距的增加而增大，但當(dāng)時(shí)距增大到10 min以后變得緩慢，表明10 min這個(gè)時(shí)距得出的風(fēng)速平均值是具有代表性的[13]。在具體計(jì)算中，將10 min作為的計(jì)算時(shí)距T，計(jì)算式如下：

(1)

2.2 陣風(fēng)因子

(2)

G值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，其值越大，說(shuō)明風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度越大。

2.3 湍流強(qiáng)度

湍流強(qiáng)度I表示風(fēng)速在時(shí)域和空域上變化的劇烈程度，也反映風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度。我國(guó)將湍流強(qiáng)度定義為10 min的環(huán)境風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)偏差值與平均風(fēng)速的比值，其計(jì)算方法如下：

(3)

式中：σ——環(huán)境風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。

I值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù)，其值越大，說(shuō)明風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度越大。

3 數(shù)據(jù)分析和結(jié)果

從全線的風(fēng)速信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表1中看出，其中5～8月報(bào)警次數(shù)和級(jí)別均高于其他季節(jié)，因此判定夏季為該鐵路所處地區(qū)的風(fēng)季，這與當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)特征相吻合，環(huán)境風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性，夏季風(fēng)速明顯偏高。此外FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)與WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在2012年5月和7月各出現(xiàn)過(guò)一次4級(jí)報(bào)警，在發(fā)生報(bào)警的時(shí)刻該段行駛的列車必須停輪避風(fēng)。從運(yùn)營(yíng)管理的角度出發(fā)，需要重點(diǎn)分析這兩個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)以及臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)在該報(bào)警時(shí)段的環(huán)境風(fēng)特性。

3.1 最大風(fēng)速段全天風(fēng)特性分析

圖4 測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1019和FXF1031處平均風(fēng)速

由圖4可知，F(xiàn)XF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)在報(bào)警日所測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到30.10 m/s，持續(xù)穩(wěn)定111 s后回落到3.11 m/s，而臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)所測(cè)最大風(fēng)速均不超過(guò)12 m/s。FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)處10 min平均風(fēng)速最大值為15.29 m/s，各測(cè)風(fēng)點(diǎn)全天10 min平均風(fēng)速總體變化幅度較大。

選取測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0786及其前后各2個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0782、WFF0784、WFF0790、WFF0792，5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)較均勻的分布在沿線方向10 km范圍內(nèi)。測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0784和WFF0786在2012年7月16日全天1 s時(shí)程風(fēng)速和10 min平均風(fēng)速如圖5所示。另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1 s時(shí)程風(fēng)速及10 min平均風(fēng)速分布與圖5(a)相似?？梢钥闯鯳FF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在報(bào)警日所測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到35.19 m/s，持續(xù)穩(wěn)定8 s后回落到32.63 m/s，臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)均在同一時(shí)段出現(xiàn)了風(fēng)速最值。WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)處10 min平均風(fēng)速最大值為12.88 m/s，各測(cè)風(fēng)點(diǎn)平均風(fēng)特性相似，在最大風(fēng)速時(shí)段外的10 min平均風(fēng)速集中分布在0.50～3.05 m/s區(qū)間，總體變化幅度較小。

圖5 WFF0784和WFF0786處平均風(fēng)速

同樣選取FXF1010～FXF1044 5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)，將這5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)報(bào)警當(dāng)天風(fēng)速數(shù)據(jù)按照10 min時(shí)距分成不同的子樣本，計(jì)算每個(gè)子樣本中脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差值及10 min時(shí)距內(nèi)所有3 s平均風(fēng)速最大值，再根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算這5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)在報(bào)警日全天湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子值，測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1019和FXF1031全天湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子隨10 min平均風(fēng)速分布情況如圖6所示。另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子分布情況與圖6(a)相似。

圖6 測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1019和FXF1031湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子分布

根據(jù)圖6可知，F(xiàn)XF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)處湍流強(qiáng)度值分布在0.10～3.40區(qū)間，陣風(fēng)因子值分布在0.50～34.93區(qū)間，其幅值和離散程度遠(yuǎn)高于臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)，結(jié)合FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)及其臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)的平均風(fēng)特性，認(rèn)為該日風(fēng)速數(shù)據(jù)不可信，風(fēng)速超限屬于誤報(bào)。

同樣選取WFF0782～WFF0792 5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)，分析其脈動(dòng)風(fēng)特性。測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0784和WFF0786全天湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子隨10 min平均風(fēng)速分布情況如圖7。另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子分布與圖7(a)相似。

圖7 測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0784和WFF0786湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子分布

由圖7可知，WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)及其臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度值集中分布在0.10～1.20區(qū)間，陣風(fēng)因子值集中分布在1.25～8.00區(qū)間，其幅值和離散程度較為一致。隨著平均風(fēng)速的升高，湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子值均呈下降趨勢(shì)，當(dāng)平均風(fēng)速超過(guò)2 m/s時(shí)，各測(cè)風(fēng)點(diǎn)湍流強(qiáng)度值一般不超過(guò)0.50，陣風(fēng)因子值一般在2.00左右波動(dòng)。

WFF0782～WFF0792 5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)在沿線方向10 km范圍內(nèi)組成的最大風(fēng)速段在報(bào)警日當(dāng)天平均風(fēng)特性相似，10 min平均風(fēng)速最大值均出現(xiàn)在同一時(shí)段。與文獻(xiàn)[16]中沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)的環(huán)境風(fēng)特性相比，沿線最大風(fēng)速段瞬時(shí)風(fēng)速最大值與沿海臺(tái)風(fēng)中心最大風(fēng)速相近，但10 min平均風(fēng)速最大值偏低，總體平均風(fēng)速水平也偏低，表明沿海鐵路沿線強(qiáng)風(fēng)與沿海臺(tái)風(fēng)相比，強(qiáng)風(fēng)持續(xù)時(shí)間偏短且整體風(fēng)力偏弱。湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子值隨平均風(fēng)速的升高而減小，這與沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)特性[17]及內(nèi)陸典型風(fēng)區(qū)強(qiáng)風(fēng)特性[18]分析結(jié)果一致。

3.2 最大風(fēng)速點(diǎn)各月風(fēng)特性分析

最大風(fēng)速出現(xiàn)在WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)，因此將該測(cè)風(fēng)點(diǎn)作為沿線典型大風(fēng)點(diǎn)。將WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在2012年前10個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以月份為單位分為10組，每組以當(dāng)月最大風(fēng)速出現(xiàn)日為基準(zhǔn)，取其前后連續(xù)共7 d的風(fēng)速數(shù)據(jù)組成當(dāng)月樣本，各月樣本信息如表3所示。

表3 各月樣本信息

6、7月份最大風(fēng)速點(diǎn)處各項(xiàng)風(fēng)特性參數(shù)分析結(jié)果分別如圖8和圖9所示，其他月份湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子分布規(guī)律與圖8、圖9相似，10 min平均風(fēng)速最大值介于6、7月份之間。

圖8、圖9可知：最大風(fēng)速點(diǎn)處各月最大平均風(fēng)速不超過(guò)13 m/s，7月份最大平均風(fēng)速為12.93 m/s，6月份最大平均風(fēng)速為6.21 m/s。前10個(gè)月最大風(fēng)速點(diǎn)處湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子總體平均值分別為0.38和2.23，表明最大風(fēng)速點(diǎn)總體脈動(dòng)強(qiáng)度較高。湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值在各月中的分布規(guī)律一致，呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，均在較低平均風(fēng)速水平中分布較集中，且湍流強(qiáng)度大小集中分布在0.10～1.00區(qū)間，最大值不超過(guò)2.00，陣風(fēng)因子值集中分布在1.00～8.00區(qū)間，最大值不超過(guò)16.00。隨著平均風(fēng)速的升高，湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值的分布范圍迅速收斂，離散度降低，在大于5 m/s的平均風(fēng)速中湍流強(qiáng)度值一般不超過(guò)0.50，陣風(fēng)因子值一般不超過(guò)2.00，湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值在大于10 m/s的平均風(fēng)速水平中分布概率很小。

圖8 6月風(fēng)特性參數(shù)分布

圖9 7月風(fēng)特性參數(shù)分布

由于各樣本實(shí)測(cè)風(fēng)速時(shí)程均為非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程，環(huán)境風(fēng)速具有一定的突變性，在突變過(guò)程中風(fēng)速變化快且破壞性強(qiáng)。本文定義風(fēng)速系數(shù)λi來(lái)描述環(huán)境風(fēng)速突變過(guò)程，如下式：

(4)

式中：i=1，2——表風(fēng)速上升和回落過(guò)程；U1——突變前風(fēng)速大??；U2——突變后風(fēng)速大?。?△t——風(fēng)速突變所用時(shí)間。

表4 各樣本最大風(fēng)速時(shí)段風(fēng)特性統(tǒng)計(jì)

為了進(jìn)一步分析各樣本最大風(fēng)速時(shí)段環(huán)境風(fēng)速突變過(guò)程，表4統(tǒng)計(jì)了WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在樣本S1～S10中從平均風(fēng)速U上升到風(fēng)速峰值Um所用時(shí)間t1、風(fēng)速峰值持續(xù)時(shí)間tc、從風(fēng)速峰值回落到平均風(fēng)速所用時(shí)間t2，以及這期間所對(duì)應(yīng)的風(fēng)速系數(shù)(風(fēng)速上升系數(shù)λ1和風(fēng)速回落系數(shù)λ2)、湍流強(qiáng)度I和陣風(fēng)因子G。

由表4可知，在每月最大風(fēng)速時(shí)段環(huán)境風(fēng)速突變過(guò)程中，對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值都較大。表明此時(shí)環(huán)境風(fēng)的脈動(dòng)能量較大；湍流強(qiáng)度值集中分布在0.10～0.30區(qū)間，陣風(fēng)因子值集中分布在1.30～2.50區(qū)間，湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，當(dāng)陣風(fēng)因子值增大時(shí)，湍流強(qiáng)度值也增大。風(fēng)速系數(shù)的離散程度高，且風(fēng)速上升系數(shù)與風(fēng)速回落系數(shù)無(wú)關(guān)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)東南沿海鐵路沿線環(huán)境風(fēng)特性分析，文中得到以下結(jié)論：

(1)東南沿海某鐵路沿線環(huán)境風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性，夏季風(fēng)速明顯偏高。沿線最大風(fēng)速段內(nèi)各處全天環(huán)境風(fēng)特性相似，10 min平均風(fēng)速最大值出現(xiàn)在同一時(shí)段。

(2)陣風(fēng)因子及湍流強(qiáng)度的幅值、離散程度較為一致，且均隨平均風(fēng)速的升高呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

(3)最大風(fēng)速點(diǎn)處各月最大平均風(fēng)速不超過(guò)13 m/s；環(huán)境風(fēng)總體脈動(dòng)強(qiáng)度較高，湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子的對(duì)應(yīng)關(guān)系較好，變化趨勢(shì)一致，集中分布在較低平均風(fēng)速水平中。

(4)隨著平均風(fēng)速的升高，湍流強(qiáng)度和陣風(fēng)因子的分布范圍均迅速收斂，離散度降低。

(5)在各月最大風(fēng)速時(shí)段環(huán)境風(fēng)速突變過(guò)程中，最大風(fēng)速點(diǎn)處風(fēng)速系數(shù)離散程度高，且風(fēng)速上升系數(shù)與風(fēng)速回落系數(shù)無(wú)關(guān)。

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Research of Environmental Wind characteristics of Southeast Coastal High-speed Railway

XU Ying1XIE Jun1LUAN Lichen2

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University,Changsha 410075, China;2. The Third Railway Survey And Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Aiming at the train operation safety problems of a high-speed railway in the southeast coast under the wind environment, this paper analyzes the wind characteristics of the high-speed railway. By extracting the ventilation measuring point wind data which exceed the environmental wind control values of HSR, the all-day wind characteristics in the maximum wind speed section and monthly wind characteristics at the maximum wind speed point of the railway are investigated, and the average wind speed, gust factor, turbulence intensity of the railway are obtained. Analysis shows that the wind speed of the coastal railway presents obviously seasonal, the summer wind speed is higher than those in other seasons. The all-day wind characteristics in the maximum wind speed section are approximately consistent, the maximums of 10-min mean wind speed appear in the same period of time, the discrete degree of turbulence intensity and gust factor are relatively large, and the values of them are found to decrease with the increase of mean wind speed, when the mean wind speed exceeds 2 m/s, turbulence intensity is generally not more than 0.50, gust factor fluctuates around 2.00. The maximum of monthly mean wind speed at the maximum wind speed point is not more than 13m/s, the turbulence intensity intensively distributes in the range of 0.10～1.00, the changing trends of gust factor are same to turbulence intensity, and gust factor intensively distributes in the range of 1.00～8.00. The discrete degree of wind speed coefficient at the maximum wind speed point is relatively large, and the wind speed rising coefficient has nothing to do with the dropping coefficient. The above analysis of wind characteristics can be used for the building of environmental wind model.

southeast coast; HSR; environmental wind; characteristics

2016-05-06

徐影(1989-)，男，在讀碩士研究生。

中國(guó)鐵路總公司科技研究開(kāi)發(fā)計(jì)劃重大課題(2014T002-A)

1674—8247(2016)05—0001—07

U298.1

A