挡风墙设计与结构形式探讨

2014-02-18刘宏昌

城市建设理论研究 2014年5期

关键词：结构形式设计

刘宏昌

【摘要】本文围绕着挡风墙进行探讨，首先论述了挡风墙的使用原理，以及挡风墙在我国西部戈壁大风区的使用现状。随后，本文结合具体的实例详细分析了挡风墙设计和结构形式选择的要点。以期能够为我国挡风墙的建设提供有价值的参考。

【关键词】挡风墙；设计；结构形式

中图分类号：S611 文献标识码： A

一、前言

挡风墙建设之后，为我国大风戈壁区的交通带来了一道人工屏障，维护了我国的交通的稳定运行。但是，挡风墙的建设必须要有科学的设计方案，所选择的的结构形式也必须要满足交通建设的需要。因此，研究挡风墙设计与结构形式很有必要。

二、挡风墙的原理分析

通过以往的挡风墙防风气动性能研究表明，挡风墙之所以有良好的保护列车安全运行的作用，其原因在于外界横向来流经过挡风墙后，挡风墙后和列车的周围流场结构发生改变，有利于提高车辆的倾覆稳定性。其流场的改变主要有:

1、气流经过挡风墙后流速大幅度降低。气流绕过挡风墙在顶部边缘分离，形成很强的气流剪切层，从而导致产生尾涡区，风洞试验和实车试验表明，在尾涡区内平均风速较低，约为l0m高路肩处平均风速的20%。

2、挡风墙后车辆的压力分布改变。以棚车为例，无挡风墙时车体迎风面为正压，当挡风墙高度2. 4m时，棚车四个面均受到负压作用，且各负压有相互抵消的趋势，倾覆力矩接近于零，使得车辆在挡风墙后的气动性能大为改善，极大地提高了车辆稳定性。

三、挡风墙在我国西部使用现状

我国西部新疆等的戈壁强风区大风活动频繁、风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点。对铁路有影响的典型风区诸如阿拉山口风区、百里风区、三十里风区，在百里风区瞬时最大风速可以达到 64 m/s。强风地区的强风空气流运动对途经该区的列车产生两方面直接破坏作用，一方面强风携沙砾流击破车窗、损坏车身甚至吹翻列车，另一方面强风过境后，大量沙砾物质沉落掩埋轨道，致使列车被迫停驶。因此，戈壁强风地区区域内的铁路防风安全与线路维护问题十分突出。以兰新铁路为例，全线经过的强风区距离为 525km，占兰新线全长的 54% 。自通车以来，屡次发生列车被迫减速、停运，甚至发生整列列车被吹翻的交通事故。为了保障列车的安全运行，在大风区铁路沿线构筑了多种挡风墙。

四、挡风墙设计应用案例

连云港—霍尔果斯高速公路（G30）新疆段横穿百里风区（见图1）、三十里风区，一年中有320d风力在8级以上，瞬时最大风速60m/s，相当于17级飓风。 2012年3月20日4~15时，因大风原因，兰新铁路十三间房段客、货车全部停运，停运车辆达80多列；一碗泉至红山口高速公路数百辆车辆滞留，车窗玻璃被风刮起的碎石击碎，数辆大型货车被大风刮翻，交警部门只好组织裝甲车对被困乘客进行紧急搜救；国家电网十三间房120千伏变电所多处塔架损坏。大风天气给公路、铁路运输造成较大影响，给居民出行带来不便，为了保证大风环境下公路铁路的行车安全和正常运营，在大风区重点路段布设有效的挡风墙十分重要。

图1 百里风区示意图

1、挡风墙设计

（一）设计原则

效果好，就高不就低，坚固耐用，经济环保，因地制宜，美观大方。

（二）风力等级

风力等级是挡风墙设计考虑的重要因素。风力等级划分见表1。

表1风力等级表

（三）稳定性验算

挡风墙的稳定设计是重中之重，直接影响到挡风墙的使用效果。挡风墙的高度及其距路基边缘的宽度需要根据力学计算进行确定，以“兜风”为最佳效果。以格宾网箱为例，假定为重力式挡墙，且墙身为不透风结构（事实上网箱内填料有孔隙，是透风结构，分析时透风因素等暂未考虑）。

（1）迎风面稳定分析

挡风墙断面图见图2，断面计算模型简化图见图3。

图2挡风墙断面图

图3断面计算模型简化图

①风速与风压

根据伯努利方程得出的关系公式：

在标准状态下，气压为101.3kPa，温度为15℃，空气重度r为0.01225kN/m3，纬度为45°处的重力加速度g为9.8m/s2，公式（1）变为：

此公式为用风速估计风压的通用公式。注意，空气重度和重力加速度随纬度和海拔高度而变，一般来说，空气密度在高原上要比在平原地区小，也就是说同样的风速在相同的温度下，其产生的风压在高原上比在平原地区小。我们设计挡风墙，应该考虑迎风面上作用的最大风力情况下情况，则空气密度取值在平原地区常温下的情况，采用公式（2）计算最大风压。

根据计算机模拟试验结果，载重60t的列车的临界翻车风速约为50m/s，相当于22kN·m的倾覆力矩。所以，挡风墙只要将倾覆力矩减弱至22kN·m以下，就可以保证列车不倾覆。挡风墙高度越高，挡风效果越好，但在经济上未必合理可行。根据不同挡风墙后倾覆力矩的数值模拟结果，3m高的墙可使60m/s风速的倾覆力矩减至22kN·m以下，3.25m高的墙可使64m/s风速的的倾覆力矩减至22kN·m以下。

②风速与风力

挡风墙上的作用力主要有：水平风力、自重力、地基反力和地基水平抗力。中国科学院寒区旱区环境与工程研究所通过试验、分析，拟合而成风速和风力的关系为：

在平坦地形条件下，均匀风速当遇到阻挡物时，风速将重新分布，最底部为0，顶端为无阻挡物时的风速，风速随高度变化。在此处考虑挡墙风力作用时，应考虑最危险的情况。挡风墙位于填方路肩，墙面下部将会受到顺路堤边坡而上的风力作用，那么假定挡风墙所受风速为沿墙高均匀分布，此种情况风力作用大于其他情况。

③作用力分析

a）风力迎风面风力沿墙面均匀分布，利用公式（2）得迎风面墙面受力为：

wp=v2/1600

=60×60/1600=2.25kN/m2

则单位物体表面面积上受到60m/s的风力作用约为225kg，4m高迎风面每延米=受到的风力F=9kN/m；

利用公式（3）得4m高迎风面每延米受到的风力为：

取两种风力计算结果的最大值，则迎风面每延米受到的风力

F=11.1332kN/m（滑动力）；

b）抗滑稳定系数

抗滑系数大于1.3，满足规范要求（一般土质地基上挡墙受到基本荷载组合，一级挡墙抗滑系数不小于1.3）；

c）抗傾稳定系数

倾覆力矩为风力作用，基础网箱背风处基脚点为圆心，假设风力沿墙体均匀分布，则作用点为墙高的一半，则有

抗倾系数大于1.5，满足规范要求（一般土质地基上挡墙受到基本荷载组合，一级挡墙抗倾系数不小于1.5）；

d）地基应力

（2）背风面稳定分析

因为设计的挡墙为非对称结构，所以应该考虑墙背来风的情况。

①风力计算

如果迎风面考虑几何坡度，迎风面顶角与基脚处的连线与竖直面夹角为19.29°。假定风力垂直作用在连线上，则风力与水平方向夹角为19.29°，则水平分力没有风力直接作用在墙体表面的力大。那在挡墙挡风的情况下，考虑最危险的作用力，则还是假定风力沿墙体均匀分布，作用点还是在墙高二分之一处。F=11.1332kN/m，力矩为M=22.2664kN·m/m

②抗滑稳定系数

③抗倾覆稳定系数

通过计算，发现背面风力达到60m/s时，挡墙依然不会产生滑动及倾覆。

（3）迎风面不考虑埋深稳定分析

考慮基础层埋深在土内，不计算基础的重量，只考虑上层4m高箱体。参数取值设定在不安全情况。

①风力作用，依然考虑风力沿墙体均匀分布，作用点在墙高二分之一处，F=11.1332kN/m，力矩为M=22.2664kN·m/m。

②四层墙体自重G=126kN/m，网箱重量对基脚力矩M=225kN·m/m。

③抗滑稳定系数

抗滑力F=f×G=0.35×126=44.1kN/m

实际上，第四层网箱和第五层网箱是用双股扎丝20cm间距绑扎的，且网箱内的石料具有棱角，因此实际的摩擦系数不应小于0.35，这里也是保守取值，考虑危险情况。

（4）抗倾覆稳定系数

因此即使考虑风力作用在上四层，没有基础埋深的情况依然满足稳定要求。但因为有其他未知因素，加入埋深，提高安全系数。