东南沿海高速铁路沿线环境风特性研究

徐 影 谢 俊 栾立宸

(1．中南大学轨道交通安全教育部重点实验室， 长沙 410075；2．铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

东南沿海高速铁路沿线环境风特性研究

徐 影1谢 俊1栾立宸2

(1．中南大学轨道交通安全教育部重点实验室， 长沙 410075；2．铁道第三勘察设计院集团有限公司， 天津 300142)

文章针对大风环境下的东南沿海某高速铁路的行车安全问题，研究了该铁路沿线的环境风特性。通过提取沿线关键监测点处超过高速铁路列车环境风速管制值的测风点数据，分析最大风速段全天环境风特性以及最大风速点各月环境风特性，得到了该东南沿海高速铁路沿线平均风速、阵风因子、湍流强度的变化规律。研究表明：该铁路沿线环境风速呈现明显的季节性，夏季风速明显偏高；最大风速段全天环境风特性较为一致，10 min平均风速最大值出现在同一时段，湍流强度和阵风因子值的离散度较大，且随平均风速的升高呈现下降趋势，当平均风速超过2 m/s时，湍流强度值一般不超过0.50，阵风因子值一般在2.00左右波动；最大风速点处各月最大平均风速不超过13 m/s，湍流强度值集中分布在0.10～1.00区间，阵风因子值与湍流强度值的变化趋势一致，且阵风因子值集中分布在1.00～8.00区间；最大风速点处风速系数离散度大，且风速上升系数与风速回落系数无关。以上环境风特征分析可用于该区域的环境风速预测模型的建立。

东南沿海； 高速铁路； 风环境； 特性

高速列车运行速度较高，其周围气流变化剧烈，如果遇到大风等恶劣气候，列车将可能受到较强的横向风，导致车体两侧压差过大，造成列车脱轨、倾覆等一系列严重的铁路事故发生。我国东南沿海地区人员流动大、铁路网密集，已开通的杭福深客运专线等一系列沿海高速铁路，大大提高了该地区旅客输送效率。同我国其他地区相比，东南沿海及海岛等地为我国风能极为丰富的地区，每年的台风、短时强对流等气候灾害较为多发[1]。受台风等天气影响，以及自身地理位置特点，该地区起风速度快，平均风速偏大，脉动速率大。这些风环境因素给高速列车的安全运营带来了较大的挑战。

国内外学者为研究不同风速对建筑结构的影响建立了多种环境风速模型。Yan等人建立了模拟台风边界层风场特性分析模型并利用台风Caitlin、Kinna、Mireille风速风向实测数据验证该模型的适用性[2]；Holmes等人提出用于描述下击暴流水平风速及风向的经验数学模型[3]；Chen和Letchford在Holmes模型基础上提出deterministic-stochastic混合分析模型，将速度的脉动模拟为均匀渐变的随机过程[4]；Avdakovic等人利用小波变换法分析了2007年B&H(Bosnia-Herzegovina)国家3个不同测风位置全年每小时平均风速时程[5]；Xu等人建立了顺风向非平稳风速模型，将顺风向风速表示成确定性时变平均风和零均值脉动风两部分[6-7]；罗雄等人根据有限的原始风速数据，利用快速富氏变换和希尔伯特变换，建立非平稳随机过程数学模型，以数字模拟方法产生所需的随机样本[8]；孙海等人提出强风环境非平稳风速分析模型，重新定义了风特性参数计算公式并给出经验模型法确定时变平均风的步骤[9]；赵杨针对极端风的突变特点，提出阶跃气流模型[10]。以上所建模型主要采用数学上的模拟和变换，再根据实测数据验证模型的适用性，建模之前未结合特定地区大量实测风速的典型特征，且模型均未针对铁路沿线风特性，有必要根据沿线实测风速的典型特征建立符合该区域的环境风速模型，以期为沿海高速列车气动特性分析及行车安全评估提供风速模型参考。

1 沿线环境风速数据采集

1.1 线路概况和测风点

温州-厦门客运专线由多条线路衔接而成，于2009年开始陆续开通，并于2013年全线通车，是我国“四纵四横”客运专线中的一部分。线路总里程约为573.3 km，其中桥梁和隧道占全线的62.56%，该线路所经地区受台风和季风影响频繁，风速较大且风况较复杂。以此条客运专线作为大风实测段，测风点如图1所示。

图1 测风点位置图(局部)

在此待测线路的关键站点(沿线的所有大山垭口地段)共计72个测风点采集风速样本数据，可以对全线的环境风特性进行统计分析。测点列表如表1所示。

表1 全线测风点基本情况

1.2 数据采集设备和数据预处理

每一个测风点配备一个大风监测系统，该系统的现场设备由2套风速仪、数据采集单元组成，设置在沿线大桥上的铁路接触网立柱上，设置高度为(4±0.1) m风速仪布置方法如图2所示。

图2 风速仪布置

风速传感器用不锈钢支架固定于接触网立柱上，传感器每秒(动态响应频率为60 Hz)实时发送一回风速风向数据到GSM-R基站监控单元并自动存储。风速仪探头量程为：±80 m/s(±5%测量值)，测量精度<0.03 m/s。环境温度为-20℃～70℃。两个风速仪呈相互垂直角水平安装。

收集的所有测风点风速数据样本量很大，首先依据我国铁路现行的高速铁路列车环境风速管制值设定警报值[11]，只提取出超过各个分级限值的样本数据作为分析数据。2012年1月至10月的环境风实测数据大风报警情况统计表如表2所示。

表2 全线2012年01～10月大风报警统计表

2 环境风特性参数

近地环境风由平均风和脉动风组成，平均风引起的静风载荷作用在列车上直接影响到列车的气动特性及运行稳定性，容易使列车轮轨动力学特性及轮轨接触关系发生变化，可能会诱发列车倾覆超限及脱轨等一系列安全隐患。脉动风引起的脉动风载荷作用在车体上会导致车体脉冲气动力的突变，有可能会导致行车安全问题。且高密度的荷载往复作用在车体上可能会引起车体部分结构的疲劳破坏，同时影响运行列车的乘坐舒适性。环境风作用在高速列车上，会引起列车姿态的响应，当这种响应超过一定限度时，会对行车安全构成威胁。

一般来说，风在高速列车上的作用力可以分成3类[12]:

(1)平均风引起的平均风载荷，决定着列车的涡振、静风失稳等风振问题；

(2)脉动风引起的脉动风载荷，决定着列车的抖振问题；

(3)风与高速列车耦合振动产生的惯性力。

鉴于此，对于所采集到的风速数据，需关注其以下特性：

(1)对风振问题，研究风的平均风特性，包括平均风速和平均风速剖面等；

(2)对抖振问题，研究风的湍流脉动特性，包括湍流强度、阵风因子和风加速度等。

环境风特性分析所需参数包括平均风特性参数和脉动风特性参数，风场特性参数随着地形地貌、地理位置以及气候条件的不同而不同。

2.1 平均风速

平均风速反映环境风在一定时距内的速度水平。对于所采集的风速数据，其包含有水平风速和风向两重信息。风速仪测得两个角度的风速数据，得到合速度，把该风速分解到对照轨道方向建立的正交坐标轴上，如图3所示。

图3 平均风速分解

其中x方向表示沿轨道方向，y方向表示垂直轨道方向，θ为主风向和列车之间的夹角，U为环境风速在列车行驶方向的分速度。平均时距T的长度决定了平均风速的计算结果，时距太长或太短都不利于分析平均风特性，本文平均时距取为10 min。研究表明，最大和最小风速之差的平均值，随时距的增加而增大，但当时距增大到10 min以后变得缓慢，表明10 min这个时距得出的风速平均值是具有代表性的[13]。在具体计算中，将10 min作为的计算时距T，计算式如下：

(1)

2.2 阵风因子

(2)

G值是一个无量纲参数，其值越大，说明风速脉动的强度越大。

2.3 湍流强度

湍流强度I表示风速在时域和空域上变化的剧烈程度，也反映风的脉动强度。我国将湍流强度定义为10 min的环境风标准偏差值与平均风速的比值，其计算方法如下：

(3)

式中：σ——环境风的标准偏差值。

I值是一个无量纲参数，其值越大，说明风速脉动的强度越大。

3 数据分析和结果

从全线的风速信息监测数据表1中看出，其中5～8月报警次数和级别均高于其他季节，因此判定夏季为该铁路所处地区的风季，这与当地台风特征相吻合，环境风速呈现出明显的季节性，夏季风速明显偏高。此外FXF1031测风点与WFF0786测风点在2012年5月和7月各出现过一次4级报警，在发生报警的时刻该段行驶的列车必须停轮避风。从运营管理的角度出发，需要重点分析这两个测风点以及临近测风点在该报警时段的环境风特性。

3.1 最大风速段全天风特性分析

图4 测风点FXF1019和FXF1031处平均风速

由图4可知，FXF1031测风点在报警日所测瞬时风速达到30.10 m/s，持续稳定111 s后回落到3.11 m/s，而临近测风点所测最大风速均不超过12 m/s。FXF1031测风点处10 min平均风速最大值为15.29 m/s，各测风点全天10 min平均风速总体变化幅度较大。

选取测风点WFF0786及其前后各2个测风点WFF0782、WFF0784、WFF0790、WFF0792，5个测风点较均匀的分布在沿线方向10 km范围内。测风点WFF0784和WFF0786在2012年7月16日全天1 s时程风速和10 min平均风速如图5所示。另外3个测风点1 s时程风速及10 min平均风速分布与图5(a)相似。可以看出WFF0786测风点在报警日所测瞬时风速达到35.19 m/s，持续稳定8 s后回落到32.63 m/s，临近测风点均在同一时段出现了风速最值。WFF0786测风点处10 min平均风速最大值为12.88 m/s，各测风点平均风特性相似，在最大风速时段外的10 min平均风速集中分布在0.50～3.05 m/s区间，总体变化幅度较小。

图5 WFF0784和WFF0786处平均风速

同样选取FXF1010～FXF1044 5个测风点，将这5个测风点报警当天风速数据按照10 min时距分成不同的子样本，计算每个子样本中脉动风速标准方差值及10 min时距内所有3 s平均风速最大值，再根据式(2)和式(3)计算这5个测风点在报警日全天湍流强度与阵风因子值，测风点FXF1019和FXF1031全天湍流强度与阵风因子随10 min平均风速分布情况如图6所示。另外3个测风点湍流强度与阵风因子分布情况与图6(a)相似。

图6 测风点FXF1019和FXF1031湍流强度及阵风因子分布

根据图6可知，FXF1031测风点处湍流强度值分布在0.10～3.40区间，阵风因子值分布在0.50～34.93区间，其幅值和离散程度远高于临近测风点，结合FXF1031测风点及其临近测风点的平均风特性，认为该日风速数据不可信，风速超限属于误报。

同样选取WFF0782～WFF0792 5个测风点，分析其脉动风特性。测风点WFF0784和WFF0786全天湍流强度与阵风因子随10 min平均风速分布情况如图7。另外3个测风点湍流强度与阵风因子分布与图7(a)相似。

图7 测风点WFF0784和WFF0786湍流强度及阵风因子分布

由图7可知，WFF0786测风点及其临近测风点的湍流强度值集中分布在0.10～1.20区间，阵风因子值集中分布在1.25～8.00区间，其幅值和离散程度较为一致。随着平均风速的升高，湍流强度与阵风因子值均呈下降趋势，当平均风速超过2 m/s时，各测风点湍流强度值一般不超过0.50，阵风因子值一般在2.00左右波动。

WFF0782～WFF0792 5个测风点在沿线方向10 km范围内组成的最大风速段在报警日当天平均风特性相似，10 min平均风速最大值均出现在同一时段。与文献[16]中沿海地区台风登陆时的环境风特性相比，沿线最大风速段瞬时风速最大值与沿海台风中心最大风速相近，但10 min平均风速最大值偏低，总体平均风速水平也偏低，表明沿海铁路沿线强风与沿海台风相比，强风持续时间偏短且整体风力偏弱。湍流强度和阵风因子值随平均风速的升高而减小，这与沿海地区台风特性[17]及内陆典型风区强风特性[18]分析结果一致。

3.2 最大风速点各月风特性分析

最大风速出现在WFF0786测风点，因此将该测风点作为沿线典型大风点。将WFF0786测风点在2012年前10个月的监测数据以月份为单位分为10组，每组以当月最大风速出现日为基准，取其前后连续共7 d的风速数据组成当月样本，各月样本信息如表3所示。

表3 各月样本信息

6、7月份最大风速点处各项风特性参数分析结果分别如图8和图9所示，其他月份湍流强度及阵风因子分布规律与图8、图9相似，10 min平均风速最大值介于6、7月份之间。

图8、图9可知：最大风速点处各月最大平均风速不超过13 m/s，7月份最大平均风速为12.93 m/s，6月份最大平均风速为6.21 m/s。前10个月最大风速点处湍流强度及阵风因子总体平均值分别为0.38和2.23，表明最大风速点总体脉动强度较高。湍流强度及阵风因子值在各月中的分布规律一致，呈现一定的正相关性，均在较低平均风速水平中分布较集中，且湍流强度大小集中分布在0.10～1.00区间，最大值不超过2.00，阵风因子值集中分布在1.00～8.00区间，最大值不超过16.00。随着平均风速的升高，湍流强度及阵风因子值的分布范围迅速收敛，离散度降低，在大于5 m/s的平均风速中湍流强度值一般不超过0.50，阵风因子值一般不超过2.00，湍流强度及阵风因子值在大于10 m/s的平均风速水平中分布概率很小。

图8 6月风特性参数分布

图9 7月风特性参数分布

由于各样本实测风速时程均为非平稳随机过程，环境风速具有一定的突变性，在突变过程中风速变化快且破坏性强。本文定义风速系数λi来描述环境风速突变过程，如下式：

(4)

式中：i=1，2——表风速上升和回落过程；U1——突变前风速大小；U2——突变后风速大小； △t——风速突变所用时间。

表4 各样本最大风速时段风特性统计

为了进一步分析各样本最大风速时段环境风速突变过程，表4统计了WFF0786测风点在样本S1～S10中从平均风速U上升到风速峰值Um所用时间t1、风速峰值持续时间tc、从风速峰值回落到平均风速所用时间t2，以及这期间所对应的风速系数(风速上升系数λ1和风速回落系数λ2)、湍流强度I和阵风因子G。

由表4可知，在每月最大风速时段环境风速突变过程中，对应的湍流强度及阵风因子值都较大。表明此时环境风的脉动能量较大；湍流强度值集中分布在0.10～0.30区间，阵风因子值集中分布在1.30～2.50区间，湍流强度与阵风因子对应关系较好，当阵风因子值增大时，湍流强度值也增大。风速系数的离散程度高，且风速上升系数与风速回落系数无关。

4 结论

通过对东南沿海铁路沿线环境风特性分析，文中得到以下结论：

(1)东南沿海某铁路沿线环境风速呈现明显的季节性，夏季风速明显偏高。沿线最大风速段内各处全天环境风特性相似，10 min平均风速最大值出现在同一时段。

(2)阵风因子及湍流强度的幅值、离散程度较为一致，且均随平均风速的升高呈现下降趋势。

(3)最大风速点处各月最大平均风速不超过13 m/s；环境风总体脉动强度较高，湍流强度与阵风因子的对应关系较好，变化趋势一致，集中分布在较低平均风速水平中。

(4)随着平均风速的升高，湍流强度和阵风因子的分布范围均迅速收敛，离散度降低。

(5)在各月最大风速时段环境风速突变过程中，最大风速点处风速系数离散程度高，且风速上升系数与风速回落系数无关。

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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，在读硕士研究生。

中国铁路总公司科技研究开发计划重大课题(2014T002-A)

1674—8247(2016)05—0001—07

U298.1

A