流场能量牵引在铁路桥梁防风设计中的应用

刘宗峰

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

1 工程概况

新建南疆铁路至兰新高铁枢纽，位于新疆自治区吐鲁番市内，兰新高铁与南疆铁路交叉处，线路自兰新高铁大河沿站引出后，在南疆铁路吐鲁番站至珍珠泉站区间设置头道河线路所接入南疆铁路。线路建成后，动车从兰新高铁沿此枢纽联络线能进入南疆铁路开赴南疆，此项目有重要的政治及经济意义。

新疆地区是典型的内陆性气候，且周围地势相对平坦，受北方西伯利亚冷空气影响，风力极大，大风时间长。天山山脉呈东西走向，是一道南北向的屏障，西伯利亚产生的冷重气流向南进入准噶尔盆地后，因高山阻挡，拥积在天山北侧，山脉垭口是气流的天然通道[1-2]，受天山南北的气压差和垭口的通道效用，冷重空气通过天山垭口后，极速向南，顺坡走行，流速持续加快形成极端大风。气流经风口风速增大，流经铁路地区，造成严重风害[3]。

新疆是我国风沙地貌分布最广、沙丘类型最为复杂多样的省区[4]，自然条件恶劣，人烟稀少，起风速度快，持续时间长，风速高，风沙完全不同于其他风沙地区，是世界罕有的极端风沙区域。新疆境内三十里风区的风力最为强劲，是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一[5]。南疆铁路至兰新高铁枢纽位于著名的三十里风区。本段桥梁位于高铁及普速铁路之间，针对高铁及普速铁路梁的特点，选用适宜梁型，对防风结构展开研究。南疆铁路至兰新高铁枢纽地理位置见图1。

图1 南疆铁路至兰新高铁枢纽联络线地理位置

2 大风区铁路主要问题

既有南疆铁路经常遭受大风危害，风区大风频繁，风力强劲，风速变化剧烈[6]。兰新铁路、南疆铁路自开通后，多次受到新疆大风的威胁，大风对铁路多次造成重大安全事故。新疆铁路主要风口分布见图2。

相关资料显示，因大风造成停轮事故频发，损毁货车111节，客车11节。造成列车脱轨、倾覆事故32起，危及行车安全，严重影响了运输效益，行车安全，造成了不良社会影响。列车停运、限速天数多等问题，严重影响铁路运营安全及正常运营[7]。

图2 新疆铁路主要风口分布

3 大风区桥梁挡风结构设置研究

兰新高铁与南疆铁路联络线位于吐鲁番北侧，走行于新疆著名的三十里风区的风口处，风力强劲，大风频繁，12级以上大风经常发生，线路防风设计是本线的重点。防风技术是兰新高铁建设和运营的控制性因素[8]。

对于一些特殊的风环境，如特大桥、高架桥等，列车的绕流流场改变更为突出，作用于列车上的气动力显著增大。相关文献对兰新高铁及南疆铁路风区都进行了研究[9]，本项目根据地形及桥高等特点对前期项目的成果进一步细化，对桥梁防风展开研究。

3.1 工程所在地风速的确定

把频率出现最多的大风风向称为大风主导风向或大风盛行风向。绘制大风风向玫瑰图，可定量反映铁路沿线的大气气流情况[10]。根据南疆铁路，兰新铁路防风技术研究报告，本项目位于三十里风区，三个泉风口处。三十里风区大风时风向W、WNW、SN。图3为三十里风区代表性大风主导风向统计玫瑰图。该区年平均风速1.6 m/s，主导风向E，大风时风向W、WNW、SN为主。

假设桥址处近地层内10 min平均最大风速随高度变化遵循幂指数分布，其公式为

(1)

式中，VZ为Z高度处的风速；V1为Z1高度处的风速；α为风速高度变化幂指数，其值的大小即表明了风速垂直切变的强度。

根据南疆铁路的梯度研究及风速研究资料(图4)，将气象站30年，50年，100年一遇10 min平均最大风速代入公式(1)，计算出30年，50年，100年一遇10 min平均最大风速。计算得100年一遇10 min平均最大风速53 m/s，主导风向NW，设计采用百年一遇10 min平均最大风速。当线路走向与风向夹角垂直，使得在这些地段运行的列车主要受横风影响，列车安全运营的危险最大[11]。

图3 三十里风区代表性大风主导风向统计玫瑰图

(注：实线为实测值，虚线为模式计算值)图4 南疆铁路梯度风监测站10 min平均 最大风速随高度轮廓线

3.2 采用的桥梁方案研究

根据联络线特点，南疆铁路为客货共线铁路，采用2101系列T梁，荷载标准采用”中-荷载”。兰新高铁荷载标准采用“ZK-活载”。为兼顾南疆铁路荷载高的要求，本线采用“中-荷载”。受最小曲线半径R=700 m影响，本线速度目标值不高，本线初步拟定采用2109声屏障箱梁改造或者采用2101系列T梁改造(图5)。桥梁挡风结构考虑在梁体迎风侧加设挡风钢板的构造形式来降低大风对行驶中的列车的冲击影响，桥梁上设置挡风屏后，列车的侧向阻力系数、侧倾力矩系数明显减小(表1)。

图5 加装挡风屏后的桥梁横断面

表1 2109系列简支箱梁与2101系列简支T梁的挡风结构比选分析

综合以上比较，2109系列简支箱梁虽然挡风屏结构相对简单，但横向预应力钢束需要架梁后高空作业，施工工序复杂，时间较长，质量难以保证，故最终选用2101系列简支T梁[12]。

4 挡风结构研究方法

大风对列车的冲击荷载是流场加载在列车上的作用，要减小风力对列车的危害，首先要研究清楚受力机理及力学模型。研究大风流场荷载可采用以下几种方法。

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4.1 流场数值计算

用数值计算方法求解描述流场流动的方程组，获得流场相关信息，建立流场数值计算模型(图6)。数值模拟计算不受试验固有条件的约束，可以将各种现象或者条件分别考虑，在工程设计的初级阶段能够通过计算得到大量流场信息，用于多方案比选，且具有研究周期短、费用低的优势，是研究桥梁列车防风的一种重要手段。

图6 流场数值计算模型

4.2 风洞试验

通过建立列车、桥梁、挡风屏模型进行风洞试验(图7)，测量安装挡风屏后内部的风场变化规律、列车的气动荷载、挡风屏和桥梁的气动力系数。通过多次试验得出常用跨度简支梁采用的车桥三分力系数。根据三分力系数，可以计算出对于不同风速下列车静止状态倾覆力矩与稳定力矩的关系列表，从而选用适宜挡风结构。

图7 风洞试验模型

4.3 动力学仿真

三维动车数值模拟显示，列车气动力受列车运行速度影响较大。评价列车的抗风安全性，综合考虑风洞试验和动车数值模拟两个方面的结果，对挡风结构进行动力特性分析(图8)。

根据振动力学理论，通过比较挡风结构的固有频率与列车风压的作用频率，当作用频率与结构固有频率相近时，即产生共振现象，否则不会产生共振。采用有限元软件Midas分别对挡风结构的动力特性进行分析。经分析得挡风板面外弯曲振动基阶频率为48.34 Hz，挡风结构整体结构面外弯曲振动基阶频率为8.8 Hz。

图8 动力学仿真分析数据

5 研究结果分析

根据计算研究结果，在迎风侧设置挡风结构，防护效果较好。考虑列车高度影响，车体上所受的阻力、升力、倾覆力矩等随挡风墙高度增加而减少，当挡风屏高度逐渐加高达到4 m时，幅度趋于平稳，满足使用要求(图9)。当高度继续增加时，挡风效果有所增强，但增加幅度小。考虑减小结构自重对梁体的翼缘板压力的影响，挡风结构最终高度选用4 m。

图9 流场势能分布模型

由以上模型分析可知，当风荷载受到梁体、挡风结构、列车的阻挡时，流场会相应变化，迎风侧梁体及挡风结构外侧，风速大小及气流形式变化明显。挡风结构足够强时才能抵抗住外侧风力，但挡风结构安装在T梁翼缘板处，受结构构造尺寸限制，只有通过挡风板结构的形状调整及开孔等对流场势能进行牵引疏导，才能达到预期的挡风效果。

6 挡风结构挡风机理

6.1 挡风板设置

采用柱板式挡风结构，桥梁纵向每2 m设置1道H型钢挡风立柱，立柱通过螺栓与预先埋入梁体内的预埋件连接。在桥梁梁部迎风侧安装耐候钢制的桥梁挡风板。挡风结构开孔单元板通过螺栓与立柱连接，覆盖在H型钢立柱内侧。

挡风板采用带孔波形钢板，挡风板不但可以改变一部分来流风通过挡风板后的风向，也可以使来流风通过挡风板以后形成板后空气紊流，能最大限度地损失来流风的动能，降低来流风的风速，从而达到挡风的目的(图10)。挡风板的抗弯能力主要通过波高的加高或板厚的加厚实现的[16]。同时波形钢板是立体结构，整体刚度大，较平面钢板整体稳定性好。

图10 波形板挡风原理示意

挡风板上开孔受气流特点影响，采用圆形和椭圆形较好。单一的采用圆孔或椭圆孔，透过挡风板的气流较单一，容易同方向汇集，不利于消掉气流能量。采用圆孔及椭圆孔交错布置，透过挡风板各个透风孔的气流方向，大小，风压强度均不相同，容易达成板后气流紊乱的效果，进一步消解气流能量[17]。

在验算中，应用有限元计算软件Midas建立了挡风板模型(图11)及杆系有限元模型(图12)。根据建立的有限元模型进行挡风板结构的相关验算(表2)。在用Midas软件进行建模时，采用了梁单元。对于T形梁，在纵向上选取了2 m长的梁段，且只选取了单片T梁，在梁底采用固结的约束方式，在两根T梁湿接缝的位置处也是采用固结。

图11 挡风板应力云图

图12 T梁、挡风板控制截面位置有限元模型

荷载主力+附加力截面位置轴力/kN剪力/kN弯矩/(kN·m)桥面板端60.11-21.17-17.47挡砟槽根部26.6258.93-14.6水平钢件根部62.5523.24-16.86柱根部-4.0822.444.8斜撑-52.460.24-0.34

受挡风结构所传递过来的横向风力影响，原来通桥2101的T梁截面受力性能已经不能满足增加风荷载后的受力要求。经计算，对梁体进行改造，将挡风结构侧挡砟墙向外侧加厚5 cm，向上加厚5 cm，桥面板向上加厚5 cm，受控截面处的钢筋也相应加强。如图13所示。

图13 通桥2101系列T梁改造截面示意(单位：mm)

挡风立柱与梁体挡砟槽采用螺栓、套筒、销钉和挡板等连接，N2焊钉与N1预埋π钢采用自动螺柱焊；挡风立柱根部与T梁马蹄部分连接，采用φ80×5 mm，材质为Q355NHD圆截面钢管，起到斜向支撑作用，底部马蹄部分采用预埋N7，N5钢板，斜撑钢管长度根据N6圆钢位置调整。螺栓及螺母采用多元合金共渗+达可乐技术+封闭层处理。预埋件具体尺寸如图14、图15所示[18]。

图14 挡砟墙预埋件

图15 立柱斜撑底部预埋件

受风荷载影响，横向力增加明显，桥梁倾覆系数重新检算，支座选用时注意选用满足要求的支座型号。桥墩作用力增加明显，对墩身护面钢筋进行加强，桩基长度及桩基配筋等经计算后相应也有所增加。

列车进出风屏障时，产生的脉动气压不仅作用于风屏障结构，而且也作用于列车本身，对列车运行安全产生威胁。对于风屏障结构而言，受到该脉冲压力波的作用可能会毁坏，对于钢挡风结构而言，长时间、高密度的荷载往复作用会引起结构的疲劳破坏[19]。挡风立柱需达到疲劳检算要求。

6.2 透风步板对风场势能牵引

水平气流冲击到列车上，气流转为向上和向下两个方向，向上的气流排向周围高空。而向下的气流受到桥顶面不透风结构的抵挡，再反冲到列车底部，形成一个提升力，与向上的风力及水平风力形成一个围绕着列车的扭转弯矩。列车倾覆就是受这个扭转弯矩作用发生的。

将迎风侧梁体不透风的RPC人行道步板改用透风结构，对T梁下部侧面结构进行局部处理。当水平气流冲击到列车后，反转向下的气流会通过人行道步板向下排走，不会再反冲到列车底部形成提升力，减小了风力对列车的扭转弯矩，进一步增强了挡风效果。

减弱大风的破坏作用，通过对气流进行疏导，对风场势能进行牵引，改变风场势能作用方向，效果明显优于纯粹依靠挡风结构，通过加强挡风结构自身的结构强度来抵抗大风破坏。施工完成后的挡风结构见图16。

图16 施工完成后的挡风结构

7 结语

桥梁处于高空中，考虑桥上防风结构重力对梁体受力有较大影响[20]。桥梁挡风结构难以通过加强自身强度来抵抗风力。这种高空中的防风结构设计应该以改用轻型结构，对气流以疏导为主，牵引风场势能为发展方向。在本项目的防风设计研究中发现：(1)挡风结构制造紊流消耗有害风向，防护作用明显好于靠加强结构自身强度来抵抗风害；(2)对气流进行疏导，对风场势能进行牵引，改变风荷载影响作用显著；(3)铁路桥梁结构防风设计，应该以风场势能的研究为主方向，局限于平面的受力关系研究势必会影响防风设计思路。

南疆铁路至兰新高铁枢纽已于2017年12月1日建成通车。开通后，高铁可通过此枢纽直通南疆，实现了“高铁进南疆”的目的，增进了民族间友谊，缩短了南疆与乌鲁木齐及内地的旅行时间，保障了社会的稳定，有重要的政治及经济意义。

本项目桥梁的防风设计，引入了流场势能牵引的概念，为以后的强风区的防风设计开拓了思路，具有很好的方向指引作用。