強(qiáng)風(fēng)場(chǎng)中高速鐵路橋梁列車運(yùn)行安全分析及防風(fēng)措施研究.pdf

1、風(fēng)災(zāi)是影響鐵路運(yùn)營(yíng)安全的主要自然災(zāi)害之一，尤其是我國(guó)西北地區(qū)，鐵路經(jīng)過(guò)幾大風(fēng)區(qū)，時(shí)常發(fā)生列車停駛或傾覆事故，是我國(guó)乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴(yán)重的地區(qū)。
　　建于大風(fēng)區(qū)的橋梁，受到風(fēng)力的激擾會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)，高速運(yùn)行的列車在強(qiáng)勁的橫向風(fēng)壓作用下，在橋上脫軌、傾覆的可能性大大增加。因此，對(duì)風(fēng)荷載作用下車輛與橋梁耦合振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行綜合研究，并采取防風(fēng)措施以確保列車在橋上的運(yùn)行安全性，對(duì)于風(fēng)區(qū)鐵路橋梁和防風(fēng)措施的設(shè)計(jì)建造具有重要的理論和工

2、程意義。本文以在建的蘭新鐵路第二雙線為研究背景，旨在建立一種合理的分析框架，對(duì)風(fēng)荷載作用下車輛與橋梁耦合系統(tǒng)的振動(dòng)響應(yīng)做出估計(jì)，以便評(píng)價(jià)橋梁的動(dòng)力性能和橋上高速列車的走行性能。同時(shí)對(duì)提高列車運(yùn)行安全的防風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，使橋梁在強(qiáng)風(fēng)發(fā)生時(shí)盡量少甚至不限制行車。全文的主要內(nèi)容及成果如下:
　　(1)通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外風(fēng)致列車事故進(jìn)行綜述，闡明了風(fēng)場(chǎng)中防護(hù)列車安全的重要性。然后對(duì)車橋耦合振動(dòng)、風(fēng)致橋梁振動(dòng)、風(fēng)場(chǎng)中車橋系統(tǒng)振動(dòng)分析以及風(fēng)場(chǎng)中列車

3、運(yùn)行安全性和防風(fēng)措施的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納總結(jié)，明確了現(xiàn)階段風(fēng)—車—橋系統(tǒng)動(dòng)力分析和防風(fēng)措施研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，在繼承前人工作的基礎(chǔ)上確定了本文的研究?jī)?nèi)容及主要方法。
　　(2)對(duì)橋址區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行了分析，并采用改進(jìn)的數(shù)值方法模擬了橋址區(qū)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線。分析了風(fēng)場(chǎng)的平均風(fēng)特性和脈動(dòng)風(fēng)特性以及地形、地貌對(duì)風(fēng)特性的影響，著重分析了大風(fēng)區(qū)興建的蘭新鐵路第二雙線上橋梁所處的風(fēng)環(huán)境，戈壁地區(qū)的風(fēng)沙流特性及其對(duì)防風(fēng)屏障的影響。詳述了隨機(jī)脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)

4、的數(shù)值模擬計(jì)算公式，并以白楊河連續(xù)梁橋橋面及橋墩各點(diǎn)風(fēng)速模擬為例加以實(shí)現(xiàn)。
　　(3)對(duì)防風(fēng)屏障進(jìn)行了初步選型并分析了防風(fēng)屏障對(duì)車橋系統(tǒng)氣動(dòng)性能的影響。根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的相關(guān)原理，選擇合適的湍流模型對(duì)氣流經(jīng)過(guò)防風(fēng)屏障這一空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)幾種防風(fēng)屏障的設(shè)計(jì)方案，分析了不同設(shè)計(jì)參數(shù)（包括開(kāi)孔率、高度等）的防風(fēng)屏障對(duì)風(fēng)速的影響規(guī)律，對(duì)橋上防風(fēng)屏障的防風(fēng)效果及有效防護(hù)區(qū)域進(jìn)行定量分析，初步探討防風(fēng)屏障的合理形式和

5、主要設(shè)計(jì)參數(shù)的合理取值。任何形式的防風(fēng)屏障，都會(huì)對(duì)橋面風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)生影響，加強(qiáng)紊流效應(yīng)，使橋梁結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場(chǎng)更加復(fù)雜，當(dāng)列車駛過(guò)時(shí)作用于列車上的風(fēng)荷載與沒(méi)有設(shè)置防風(fēng)屏障時(shí)有明顯區(qū)別，尤其是在列車的背風(fēng)側(cè)。
　　(4)建立了考慮橋上安裝防風(fēng)屏障時(shí)風(fēng)荷載作用下車橋系統(tǒng)動(dòng)力相互作用分析模型，編制了相應(yīng)的計(jì)算分析程序。針對(duì)橋上安裝不同類型風(fēng)屏障的情況，考慮風(fēng)—車—橋—風(fēng)屏障系統(tǒng)的動(dòng)力相互作用，計(jì)算了強(qiáng)風(fēng)與列車共同作用下橋梁和列車的動(dòng)力響應(yīng)及行車安

6、全性指標(biāo)，相較于無(wú)風(fēng)屏障時(shí)，差異明顯。以蘭新鐵路第二雙線上的10跨簡(jiǎn)支箱梁橋?yàn)槔?，分為無(wú)風(fēng)屏障、全段安裝單側(cè)4m風(fēng)屏障、單側(cè)7m風(fēng)屏障及雙側(cè)7m風(fēng)屏障四種情形，計(jì)算分析不同風(fēng)速、不同車速條件下的車橋動(dòng)力響應(yīng)。
　　(5)推導(dǎo)了列車進(jìn)出防風(fēng)屏障時(shí)車體上的風(fēng)荷載變化計(jì)算公式，討論了風(fēng)載突變對(duì)列車運(yùn)行安全的影響;并且計(jì)算了列車運(yùn)行引起的風(fēng)屏障上的氣動(dòng)脈沖力，將其作用于風(fēng)屏障進(jìn)行時(shí)程分析，得到風(fēng)屏障的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)考慮了外部自然風(fēng)的作用。

7、以蘭新鐵路第二雙線上的10跨簡(jiǎn)支箱梁橋?yàn)槔跇蛏?00 m區(qū)段安裝單側(cè)4m風(fēng)屏障、單側(cè)7m風(fēng)屏障和雙側(cè)7m風(fēng)屏障與無(wú)風(fēng)屏障及全段安裝同樣風(fēng)屏障時(shí)車輛的動(dòng)力響應(yīng)及行車安全性指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比;計(jì)算了單側(cè)4m風(fēng)屏障在自然風(fēng)荷載、氣動(dòng)脈沖力荷載以及二者組合時(shí)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)。
　　(6)基于自編的計(jì)算分析程序，計(jì)算了蘭新鐵路第二雙線上常用跨度簡(jiǎn)支箱梁橋、簡(jiǎn)支T梁橋、簡(jiǎn)支槽梁橋以及白楊河連續(xù)梁橋列車運(yùn)行時(shí)車輛、橋梁的動(dòng)力響應(yīng)，考慮橋上全段安