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        淺談路基防風(fēng)工程的研究認(rèn)識

        2016-12-06 07:36:22聶犇
        工程建設(shè)與設(shè)計 2016年10期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)速研究

        聶犇

        (武漢鐵四院工程咨詢有限公司,武漢430063)

        淺談路基防風(fēng)工程的研究認(rèn)識

        聶犇

        (武漢鐵四院工程咨詢有限公司,武漢430063)

        新建蘭新高鐵是我國第一條穿越新疆大風(fēng)區(qū)的高速客運(yùn)鐵路,防風(fēng)效果是蘭新高鐵建設(shè)及運(yùn)營安全的控制性因素。在對大風(fēng)觀測、實驗研究及既有線擋風(fēng)墻的觀測基礎(chǔ)上,結(jié)合理論分析、數(shù)值模擬計算及風(fēng)洞試驗的研究成果,同時結(jié)合擋風(fēng)墻的設(shè)計思路,讓我們對擋風(fēng)墻的設(shè)計有一個明確的認(rèn)識。

        路基;擋風(fēng)墻;高速鐵路;風(fēng)壓

        【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.08.029

        1 引言

        全長1700km的蘭新高鐵有700余km位于新疆境內(nèi),主要通過五大風(fēng)區(qū),分別是安西、煙墩、百里、三十里及達(dá)坂城風(fēng)區(qū)。全線有近1/3的線路位于五大風(fēng)區(qū)中。

        風(fēng)區(qū)內(nèi)人煙稀少,自然環(huán)境惡劣,是我國鐵路風(fēng)災(zāi)最為嚴(yán)重的地區(qū)。已建成的蘭新鐵路自運(yùn)營以來,因大風(fēng)導(dǎo)致的傾覆、脫軌事故就有30余起,造成的列車停運(yùn)、軌道積沙、接觸網(wǎng)受流不穩(wěn)等問題更是十分普遍。

        因此,研究及設(shè)計風(fēng)區(qū)的防風(fēng)工程對保證蘭新高鐵在大風(fēng)條件下安全運(yùn)營具有極為重要的作用。

        2 沿線大風(fēng)區(qū)特征及工程分區(qū)

        2.1 大風(fēng)地區(qū)的主要特點

        從目前掌握的資料看,新疆境內(nèi)風(fēng)區(qū)特點主要為季節(jié)性強(qiáng)、風(fēng)期長、速度大、速度變化快及風(fēng)向穩(wěn)定。

        2.2 防風(fēng)工程分區(qū)

        防風(fēng)工程主要分為5區(qū),分別是大風(fēng)極少區(qū)(Ⅰ區(qū))、大風(fēng)低發(fā)區(qū)(Ⅱ區(qū))、大風(fēng)一般區(qū)(Ⅲ區(qū))、大風(fēng)易發(fā)區(qū)(Ⅳ區(qū))和大風(fēng)頻繁區(qū)(Ⅴ區(qū))。

        3 路基防風(fēng)技術(shù)研究

        3.1 路基防風(fēng)工程研究的主要內(nèi)容

        目前,國內(nèi)許多學(xué)者對風(fēng)區(qū)普速鐵路擋風(fēng)墻的高度的最適值[1-3]及不同擋風(fēng)墻的擋風(fēng)效果[4]做了許多研究及觀測,但是對于預(yù)留350km/h速度的蘭新鐵路第二雙線高速鐵路擋風(fēng)墻的研究目前還不是很多,因此2009年11月,在搜集國內(nèi)外資料的基礎(chǔ)上,鐵道第一勘察設(shè)計院(以下簡稱“鐵一院”)與中南大學(xué)合作展開《蘭新第二雙線路基防風(fēng)數(shù)值分析研究》,開展大風(fēng)區(qū)條件下,風(fēng)、車、路、擋風(fēng)墻等耦合空氣動力特性和列車安全運(yùn)行的計算研究。

        研究采用理論分析、數(shù)值模擬計算、優(yōu)化設(shè)計相結(jié)合的方法開展研究。以數(shù)值模擬計算為主,對無防風(fēng)設(shè)施動車組氣動特性、設(shè)防風(fēng)設(shè)施后動車組氣動特性等進(jìn)行數(shù)值計算,以此為基礎(chǔ)進(jìn)行擋風(fēng)墻墻形、位置和高度的優(yōu)化研究。

        在路基防風(fēng)數(shù)值分析研究的基礎(chǔ)上,鐵一院還與中南大學(xué)進(jìn)一步合作展開《蘭新第二雙線路基防風(fēng)技術(shù)風(fēng)洞實驗研究及動模型實驗研究》的研究。通過風(fēng)洞試驗,驗證、修正了模擬計算結(jié)論,同時還利用中南大學(xué)的列車空氣動力特性動模型試驗系統(tǒng),對項目要求的不同擋風(fēng)墻形式和列車單車、交會工況下,其結(jié)構(gòu)與列車模型表面壓力波傳播規(guī)律、出口微壓波變化進(jìn)行測試與分析,得出列車高速運(yùn)行及不同防風(fēng)結(jié)構(gòu)的氣動力特性,為蘭新第二雙線路基防風(fēng)工程的實施提供依據(jù)。

        3.2 路基防風(fēng)工程研究的初步結(jié)果

        3.2.1 無防風(fēng)設(shè)施條件下列車氣動性能研究

        列車在無防風(fēng)設(shè)施條件下以不同的速度在不同高度的路基上運(yùn)行時,列車受到的傾覆力矩與路基高度的變化規(guī)律基本一致,從車頭到車尾所受力矩依次減小。同時列車受到的傾覆力矩隨行駛速度增大而增大;對于一、二線上運(yùn)行的列車所受傾覆力矩基本一致,但都隨路基高度減小而減少;在運(yùn)行條件相同的情況下,傾覆力矩也會隨著風(fēng)速的減小而減小。

        3.2.2 擋風(fēng)墻合理位置研究

        研究初步結(jié)果表明:列車以350km/h速度運(yùn)行,橫向風(fēng)速為60m/s時,無論是6.1m、5.7m,還是5.3m高的擋風(fēng)墻,位于一、二線的列車所受傾覆力矩從頭到尾依次增大;然而,對于列車所受氣動力平均最小的是擋墻高度為5.7m的時候,此時,一、二線列車的氣動性能相對最佳。

        3.2.3 擋風(fēng)墻合理高度計算研究

        經(jīng)過數(shù)值分析,結(jié)合列車運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的綜合考慮,同時也要考慮擋風(fēng)墻的防沙作用,為確保列車安全運(yùn)行,擋風(fēng)墻高度的設(shè)置主要如下:

        1)路塹

        路塹深度≥5m時,擋風(fēng)墻高度不小于2.0m,設(shè)置在塹頂處,環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

        2m<路塹深度≤5m時,宜在塹頂設(shè)置高度不小于3.0m的擋風(fēng)墻,環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

        路塹深度≤2m時,宜在塹頂設(shè)置高度不小于3.5m的擋風(fēng)墻,環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

        2)路堤

        路堤高度≤3m時,宜在路肩設(shè)置高度不小于4.0m高的擋風(fēng)墻,環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

        3m<路堤高度≤5m時,宜在路肩設(shè)置高度不小于4.0m高的擋風(fēng)墻,環(huán)境風(fēng)速不超過45m/s。

        5m<路堤高度≤7m時,宜在路肩設(shè)置高度不小于3.5m高的擋風(fēng)墻,環(huán)境風(fēng)速不超過40m/s。

        路堤高度≥7m時,一般采用半封閉或者封閉結(jié)構(gòu),外界風(fēng)速小于50m/s。如果只有迎風(fēng)側(cè)設(shè)置擋風(fēng)墻,外界風(fēng)速小于35m/s。

        路堤高度、環(huán)境風(fēng)速直接影響路堤擋風(fēng)墻的效果。對于列車氣動性能,路堤高度越高,風(fēng)的增速效應(yīng)就會越明顯,擋風(fēng)墻所能防護(hù)的環(huán)境風(fēng)速就越低。處于相同環(huán)境下的路堤,風(fēng)速增大時,3.5m高的擋風(fēng)墻防風(fēng)效果要低于4.0m高的擋風(fēng)墻,但墻高如果大于4m,就會在二線產(chǎn)生負(fù)壓。墻高大于4.0m時擋風(fēng)墻加高意義不大。所以,對于路堤段落,在僅考慮列車傾覆力矩時,擋風(fēng)墻的高度為3.5~4m。

        4 擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

        4.1 風(fēng)荷載的確定

        擋風(fēng)墻所受的荷載主要為:水平風(fēng)力(F)及抗力、擋風(fēng)墻自身重力(G)、所受地基反力(P)。我們比較容易確定擋風(fēng)墻自身重力及地基反力、水平抗力,如何確定水平風(fēng)力是確定擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)的重要因素。風(fēng)向和風(fēng)速指標(biāo)目前可由氣象部門提供資料,但如何將風(fēng)速轉(zhuǎn)換成風(fēng)力,是擋風(fēng)墻設(shè)計的重點。中科院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所通過試驗[5]研究,得出了風(fēng)速與風(fēng)力的轉(zhuǎn)換公式,具體如下:

        式中,F(xiàn)為水平風(fēng)力,kN;A為受風(fēng)面積,m2;ρ為空氣密度,取1.247kg/m3;Cd為阻力系數(shù),取0.62;V為風(fēng)速,m/s。

        地形平坦情況下,當(dāng)均勻的風(fēng)速遇到障礙物時,風(fēng)速將重新分布(見圖1)。最底部為0,頂端為無障礙物時的風(fēng)速,風(fēng)速隨高度的變化函數(shù)為

        式中,u為摩阻速度;z為擋風(fēng)墻高度,mm;k為地表粗糙度,一般取地表砂礫平均直徑的1/20~1/30倍,地表以圓礫土為主時取0.4mm。

        圖1 風(fēng)速—高度關(guān)系

        擋風(fēng)墻的傾覆力矩:

        式中,l為擋風(fēng)墻長度,計算時取1m;h為擋風(fēng)墻的高度(m);f(z)為風(fēng)壓、風(fēng)速函數(shù)。

        風(fēng)力作用點高度H為

        擋風(fēng)墻所受的力(F)為

        實際上,位于高填方路肩上的擋風(fēng)墻,風(fēng)力作用會受沿路堤邊坡而上,影響墻面下部,因此將擋風(fēng)墻所受的風(fēng)壓看作沿墻高均勻分布。

        另外,擋風(fēng)墻上所受的風(fēng)荷載也可以采用《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB 10002.1—2005)中的風(fēng)荷載公式:

        式中,W為風(fēng)荷載強(qiáng)度,Pa;W0為基本風(fēng)壓值,Pa,其中W0=1/ 1.6v2;k1為風(fēng)載體形系數(shù);k2為風(fēng)壓高度變化系數(shù);k3為地形、地理條件系數(shù)。

        4.2 反方向荷載檢算

        反方向荷載檢算時,風(fēng)速取20.7m/s。

        4.3 地基反力的計算

        由于懸臂式擋風(fēng)墻立柱猶如一懸臂式擋墻,為防止因基底承載力不足而造成的擋風(fēng)墻傾覆,對基底地基承載力也有一定的要求。

        地基反力計算公式為

        式中,e為地基基礎(chǔ)的偏心距,e=M/(F+G);G為基礎(chǔ)及其臺階上填土的總重。

        對于懸臂式擋風(fēng)墻,設(shè)計時除考慮擋風(fēng)墻自身的結(jié)構(gòu)外,還應(yīng)滿足擋風(fēng)墻的抗傾覆安全系數(shù)K0≥1.5,抗滑移安全系數(shù)Kc≥

        1.3 的要求。

        對于柱板式擋風(fēng)墻,其擋風(fēng)立柱錨固端長度應(yīng)根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)相關(guān)規(guī)定計算確定。

        4.4 結(jié)構(gòu)配筋

        在確定好擋風(fēng)墻結(jié)構(gòu)尺寸后,根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》、進(jìn)行擋風(fēng)墻各部位的配筋計算。

        5 結(jié)語

        一直以來,對高速鐵路擋風(fēng)墻的研究一直處于空白階段,得益于蘭新二線高速鐵路的建設(shè),鐵道部專門成立專項基金對其研究。通過理論分析、數(shù)值模擬計算及風(fēng)洞試驗的研究成果,同時結(jié)合擋風(fēng)墻的設(shè)計思路,讓我們對擋風(fēng)墻的設(shè)計有一個明確的認(rèn)識,對高速鐵路擋風(fēng)墻的設(shè)計起著借鑒作用。

        【1】王厚雄,高注,王蜀東.擋風(fēng)墻高度的研究[J].中國鐵道科學(xué),1990,11 (1):14-22

        【2】劉鳳化.不同類型擋風(fēng)墻對類車運(yùn)行安全防護(hù)效果的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2006,37(1):176-182.

        【3】高廣軍,段麗麗.單線路堤上擋風(fēng)墻高度研究[J].中南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2011,42(1):254-258.

        【4】李熒.蘭新線百里風(fēng)區(qū)不同型式擋風(fēng)墻防風(fēng)效果評估[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督,2011,40(1):34-37,42.

        【5】鐵道第一勘察設(shè)計院,西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗研究中心,中南大學(xué)高速列車研究中心,中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所.蘭新線百里風(fēng)區(qū)防風(fēng)工程試驗研究階段成果報告[R].2003.

        Discussion on the Research of the Roadbed Windproof Project

        NIE Ben

        (Wuhan Railwaly Siyuan Engineering Consulting Co.Ltd.,Wuhan430063,China)

        The new-built Lan-Xin railway is the first high-speed passenger railway through the Xinjiang gale area and the windproof effect is among the governing factors of the Lan-Xin railway construction and operation safety.This paperis based on wind observation,experimental study and observation to the existing wind-break walls,and combines with the research findings of theoretical analysis,numerical simulation calculation and wind tunnel test,including the design ideas of the wind-break walls.In this way we can have a clear understanding of thew ind-break wall design.

        roadbed;wind-break walls;high-speed railway;wind pressure

        U213.1+4

        A

        1007-9467(2016)08-0056-02

        2016-07-27

        聶犇(1984~),男,江西南昌人,工程師,從事鐵路路基設(shè)計咨詢與研究。

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