沪昆高铁北盘江特大桥导风栏杆防风效果风洞试验研究

2019-10-11徐锡江谢海清

铁道标准设计 2019年10期

陈列,徐锡江,谢海清,吕娜,张鹤

(1.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031； 2.四川睿铁科技有限责任公司,成都 610000； 3.成都亚佳工程新技术开发有限公司,成都 610083)

1 工程概述

1.1 北盘江特大桥导风栏杆研发的必要性

北盘江特大桥地处峡谷，常年遭受阵风、季风的威胁，最大风速可达到25 m/s，大风已成为桥梁安全行车的重大隐患之一[1-2]。经风-车-桥动力分析，车辆在强侧风环境下运行时，空气阻力、升力、侧向力迅速增加，并且产生较强的倾覆力矩，严重影响车辆的横向稳定性，造成列车行车安全问题[2-3]。

为实现高标准桥梁设计运营目标，北盘江特大桥需要设计合理的桥梁挡风设施，满足列车在大风环境下全速(350 km/h)安全通过桥梁。

1.2 国内外防风装置研究现状

目前，国内外的桥梁防风产品主要有以下几种[6-9]。

(1)分离式风屏障

该风屏障结构与桥梁独立设置，应用于兰新高铁“百里风区”。该结构受力简单，各自功能明确。

(2)与梁体连接的格栅式风屏障

该风屏障采用竖向立柱加横向板条组成，板条可以做成不同形式，通常设置在人行横道外侧边缘处。

(3)具有挡风作用的梁体

西班牙马德里-萨拉格萨-法国边境高速铁路线上的Ebro桥，该桥主跨为120 m，梁体与防风结构做成整体，防风效果显著，也增加了景观效果。

以上各种形式的桥梁挡风结构中，分离式风屏障最大的优点是桥梁和风屏障分别施工，各自受力，但不适合高桥。具有挡风作用的梁体挡风效果最佳，但造价高、工艺复杂。与梁体相连的挡风结构在铁路桥上应用较少，且不能完全满足高速列车在大风环境下安全通过。

1.3 北盘江特大桥概况

沪昆高铁北盘江特大桥是沪昆高铁贵州段的控制性工程，位于贵州省黔西南自治州晴隆县光照电站下游1.2 km，桥梁全长727.35 m，主桥结构为钢管拱外包混凝土拱桥，拱跨为445 m。该桥地处峡谷，跨度大、主梁布局形式独特，复杂的地形地貌导致气象条件使得该桥常年遭受阵风、季风强劲大风的威胁，最大风速可达到25 m/s，列车通过桥梁设计时速达300 km。

本研究结合风屏障防风机理[10-14]，研发一种新型的防风装置——导风栏杆，该装置集挡风、导风及栏杆功能于一体。

2 导风栏杆结构特点

单根导风栏杆主要由挡风面、导风角、通风孔、加强肋、安装孔构成，主要挡风面近似为一个扇形结构，安装后与桥梁横向成一定角度，挡风面上部均布通风孔。另外，导风栏杆上部有一个较大的导风角。本设计中两个角度旨在改变强侧风的方向，减小风荷载对导风栏杆的受力，同时减小主梁受力，导风栏杆结构示意见图1。

图1 导风栏杆结构示意

导风栏杆安装在桥梁两侧的边缘，向外倾斜，挡风的同时起到了护栏的作用。导风栏杆安装示意见图2。

图2 导风栏杆安装示意

安装前须先安装预埋件，随后将导风栏杆安装在预埋件上。每根导风栏杆以一定的间距排列，上部采用钢管把所有栏杆从中部连成整体，增加整体受力强度，避免单根受弯过大，安装完成后的导风栏杆见图3。

图3 导风栏杆

3 导风栏杆风洞试验

3.1 导风栏杆设计参数(表1)

根据北盘江特大桥的风向特征、风力大小，运营列车高度、运行速度等，拟定了透风率、导风角、高度等4组不同参数的导风栏杆结构，高度3.0 mm，安装间距0.6 m。

表1 导风栏杆设计参数

注：挡风面和导风角如图1所示，挡风面角度和导风面角度均指该面与桥梁顺桥向的角度。

3.2 风洞试验

主梁节段模型及列车采用1∶30的几何缩尺比，主梁节段模型长2.095 m，宽0.446 7 m，高0.133 3 m；列车节段模型长2.095 m，宽0.093 m，高0.120 m。模型用红松木和层板制作，导风栏杆按设计参数采用塑料板整体雕刻制作。试验在均匀流条件下进行，因导风栏杆的挡风面已经与桥梁横向形成了一个夹角，因此试验风攻角α=0°，测试列车的三分力系数。加载风速分别为15 m/s和18 m/s，并考虑了主梁的影响，导风栏杆风洞试验见图4。

图4 导风栏杆风洞试验

3.3 试验结果

在15 m/s和18 m/s两种测试风速下的三分力试验结果接近，说明试验可靠度较高，试验结果取15 m/s的测试值。表2分别给出了标准梁段在各种导风栏杆下的静力三分力系数值。

表2 各种工况下车桥三分力系数

从以上结果比较可知，透风孔为30 mm时的列车三分力小于透风孔为25 mm时的列车三分力，风倒角为10°时的列车三分力小于20°时的列车三分力，导风栏杆最宽宽度为480 mm时的三分力小于宽度为420 mm的列车三分力。综合各设计参数，导风栏杆方案4为较优设计。

4 风车桥动力分析

取导风栏杆4的风洞试验测试得到的三分力系数对北盘江特大桥进行风车桥动力分析，分析安装导风栏杆后的桥梁在不同等级风速下是否满足行车安全和乘坐舒适度的标准。见表3。

表3 无导风栏杆和安装导风栏杆4的风车桥动力分析评判结果对比

结果表明：无导风栏杆，桥面风速在20 m/s时，CRH2动车组时速达到220 km时，车体加速度已超过安全值。安装导风栏杆后，桥面风速在20 m/s时，CRH2和ICE3两种车型的车体加速度、行车安全性及舒适性均合格；但当桥面风速达到22.5 m/s时，两种车型的车体加速度仍有部分超出要求值，行车安全不能完全保证。

5 导风栏杆结构的优化

根据前述计算结果，车辆的阻力系数下降幅度不大，因而车辆的动力响应改善程度不够理想的情况，其主要原因为导风栏杆下部结构较小引起导风栏杆整体透风率过大。

5.1 风洞试验

为减小导风栏杆的透风率，在第二次风洞试验时将栏杆间距减小为0.5 m，并作了下部设置高1.0 m的实心板和不设下部实心板的比对，试验现场见图5。导风栏杆优化后的车、桥三分力系数见表4。

图5 下部加1 m高实心板的导风栏杆风洞试验

表4 导风栏杆优化后的车、桥三分力系数

通过表4的三分力系数可以看出，导风栏杆下部加1 m高实心板后列车的阻力系数明显小于下部未加实心板的阻力系数，说明列车下部的风荷载对列车有较大的影响，下部加1 m高实心板后的导风栏杆可以大大减小列车受到的风荷载。为进一步证明优化设计的可行性，再次进行风车桥的动力响应分析。

5.2 风-车-桥动力响应分析

鉴于优化前方案已经能够满足桥面风速20 m/s条件下的行车安全和乘坐舒适性要求，因此对优化后方案仅分析桥面风速22.5 m/s和25 m/s下的桥梁和车辆动力响应结果，见表5。

表5 沪昆高铁北盘江导风栏杆优化后风车桥动力分析评判结果汇总

根据桥梁动力响应计算结果，桥面平均风速22.5 m/s和25 m/s时，所有工况下车辆动力响应计算结果均满足要求。优化后最优工况(下部设置1 m墙体)与优化前最优工况(导风栏杆4)相比，列车的阻力系数由1.001 5减小为0.384 8，可知列车所受风荷载明显降低，由此可说明车辆的动力响应较优化前明显改善。综上所述，导风栏杆优化后桥梁和车辆动力性能在桥面平均风速25 m/s及以下时，列车可以按设计时速350 km安全通过，无需限速，同时满足旅客乘坐舒适性的要求。

另外，优化后最优工况(下部设置1 m墙体)与优化前最优工况(导风栏杆4)相比，主梁阻力系数由2.545 4变为2.466 6，说明导风栏杆在满足挡风性能的同时对主梁的阻力系数影响并不大。