云桂铁路南盘江特大桥导风栏杆研究
2019-09-03何庭国陈克坚胡玉珠
任 伟, 何庭国, 陈克坚, 胡玉珠
(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川成都 610031)
1 工程概况
随着我国西南山区高速铁路的快速发展，越来越多地遇到了需采用大跨桥梁进行跨越的高山峡谷地形(图1)。这些峡谷地形有一个典型的特点就是桥梁高度高、风速大，局部月份的瞬间风速可达30 m/s。云桂铁路南盘江特大桥桥址处就属于这种地形，桥面与沟底高差达到270 m，峡谷瞬时最大风速达24 m/s，约为十级大风[1]。后期运营过程中，在最大峡谷风力作用下，列车通过大桥时存在较大的安全隐患，因此大桥的抗风设计显得尤为关键。
图1 山区峡谷地形特点
2 国内外大桥抗风设计现状
2.1 国内大桥抗风设计现状
国内铁路风屏障目前主要应用于西北风沙较大地区，早期我国既有兰新线采用的是一种分离式挡风结构，即在铁路桥梁的迎风侧单独修建一座桥梁，在该桥梁上修建风屏障[2](图2)。
图2 分离式挡风结构示意
该方案的优点是挡风结构与铁路桥梁完全分开，结构受力明确，但缺点也很明显，单独修建一座桥梁，造价高，景观效果差，特别是桥梁高度较高时则不太适用。
新建兰新高铁在分离式方案基础上进行了优化，采用了与梁体连接在一起的板式桥梁挡风结构(图3)。该方案挡风板采用带孔钢板，根据风洞试验结果来看，这种带孔钢板能够较大地消耗风的动能且景观效果较分离式方案更好。但该方案主要目的是挡住来风，避免来风对行车的影响，缺点在于会对梁产生较大的横向风力，对梁受力不利。
图3 兰新高铁挡风结构示意
2.2 国外大桥抗风设计现状
国外对桥梁挡风结构的研究起步较早，根据桥梁自身的地形和结构特点，采用的挡风结构种类与国内也有较大的差异。如法国米洛高架桥采用的是一种格栅式桥梁挡风结构[3](图4)。而西班牙马德里-萨拉戈萨-法国的高速铁路Ebro桥则在梁部设计中兼顾了挡风功能，该桥采用了一种腹板开孔的槽型梁结构[2](图5)。
图4 米洛高架桥挡风结构示意
图5 Bero桥挡风结构示意
以上国内外桥梁挡风结构的设计也为我国山区高速铁路峡谷强风地区桥梁抗风设计提供了很好的思路和方法。
3 云桂铁路南盘江特大桥导风栏杆设计
云桂铁路南盘江特大桥全长852.43 m，主桥为单跨416 m上承式钢筋混凝土拱桥，拱圈为悬链线，拱轴系数m=1.8，矢高99 m，矢跨比为f/L=1/4.2。拱圈采用单箱三室的等高变宽箱型截面，高8.5 m，宽度从拱顶至拱脚18～28 m变化[1]。为解决南盘江特大桥峡谷风作用下的行车安全问题，设计了一种集挡风和导风功能于一体的新型桥面挡风结构——导风栏杆。
导风栏杆体系为特殊设计的迎风面均布通风孔的多根带有一定倾角和导风角的金属栏杆，栏杆顶距梁顶约3.5 m，导风叶片间距50 cm，下部设置1 m高基础[1]，在增强桥梁防风效果的同时将安装导风栏杆的预埋件置于墙体中保证安装的稳固。施工时多根导风栏杆独立安装，增强了在高处安装的安全性如图6～图9所示。
图6 导风栏杆结构示意
图7 桥面布置示意
图8 导风栏杆布置
图9 桥面导风栏杆安装效果
4 导风栏杆性能验证
为验证南盘江特大桥导风栏杆的抗风性能，进行了相关的风洞试验和风-车-桥耦合动力响应分析。
4.1 风洞试验
风洞试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业风洞(XNJD-1)第二试验段中进行，主梁节段模型及列车采用1∶30的几何缩尺比。针对导风栏杆设置间距50 cm、60 cm、70 cm，导风角20 °、30 °、40 °以及挡板孔径25 mm、30 mm等不同方案进行了实验，实验模型如图10所示。实验结果表明栏杆间距50 cm、导风角30 °、挡板孔径30 mm方案的防风效果最好，可降低横向风力50 %以上[4]。
图10 导风栏杆风洞试验模型
4.2 风-车-桥动力分析
风-车-桥耦合动力分析采用多自由度有限元模型，主要进行不采用导风栏杆以及不同方案导风栏杆条件下的分析计算，考察其列车和桥梁动力性能。有限元计算模型如图11所示。
图11 全桥有限元模型示意
风-车-桥耦合动力分析结果与风动实验较为吻合，栏杆间距50 cm、导风角30 °、挡板孔径30 mm方案的防风效果最好。按该方案设置导风栏杆后列车的阻力系数从1.139 8减小为0.384 8[4]，列车所受风荷载明显降低，桥梁和车辆动力性能在桥面平均风速25 m/s及以下时均满足规范要求，能够保证列车安全舒适运行。
5 结束语
南盘江特大桥导风栏杆设计新颖、造型美观、安装方便， 经风洞试验和风-车-桥耦合动力分析结果表明安装导风栏杆后可有效降低横向风力50%以上。目前该导风栏杆已获得国家发明专利并在云桂铁路南盘江特大桥上成功应用，大桥通车两年多来列车运行安全平稳。该导风栏杆体系的成功研发也为后续山区峡谷强风地去高度铁路桥梁的防风设计提供了经验。
