強風(fēng)場中高速鐵路橋梁列車運行安全分析及防風(fēng)措施研究.pdf

1、風(fēng)災(zāi)是影響鐵路運營安全的主要自然災(zāi)害之一，尤其是我國西北地區(qū)，鐵路經(jīng)過幾大風(fēng)區(qū)，時常發(fā)生列車停駛或傾覆事故，是我國乃至世界上鐵路風(fēng)災(zāi)最嚴重的地區(qū)。
　　建于大風(fēng)區(qū)的橋梁，受到風(fēng)力的激擾會產(chǎn)生強烈的振動，同時，高速運行的列車在強勁的橫向風(fēng)壓作用下，在橋上脫軌、傾覆的可能性大大增加。因此，對風(fēng)荷載作用下車輛與橋梁耦合振動系統(tǒng)進行綜合研究，并采取防風(fēng)措施以確保列車在橋上的運行安全性，對于風(fēng)區(qū)鐵路橋梁和防風(fēng)措施的設(shè)計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，對風(fēng)荷載作用下車輛與橋梁耦合系統(tǒng)的振動響應(yīng)做出估計，以便評價橋梁的動力性能和橋上高速列車的走行性能。同時對提高列車運行安全的防風(fēng)結(jié)構(gòu)進行研究，使橋梁在強風(fēng)發(fā)生時盡量少甚至不限制行車。全文的主要內(nèi)容及成果如下:
　　(1)通過對國內(nèi)外風(fēng)致列車事故進行綜述，闡明了風(fēng)場中防護列車安全的重要性。然后對車橋耦合振動、風(fēng)致橋梁振動、風(fēng)場中車橋系統(tǒng)振動分析以及風(fēng)場中列車

3、運行安全性和防風(fēng)措施的研究現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié)，明確了現(xiàn)階段風(fēng)—車—橋系統(tǒng)動力分析和防風(fēng)措施研究的熱點問題，在繼承前人工作的基礎(chǔ)上確定了本文的研究內(nèi)容及主要方法。
　　(2)對橋址區(qū)的風(fēng)場特性進行了分析，并采用改進的數(shù)值方法模擬了橋址區(qū)脈動風(fēng)速時程曲線。分析了風(fēng)場的平均風(fēng)特性和脈動風(fēng)特性以及地形、地貌對風(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)沙流特性及其對防風(fēng)屏障的影響。詳述了隨機脈動風(fēng)場

4、的數(shù)值模擬計算公式，并以白楊河連續(xù)梁橋橋面及橋墩各點風(fēng)速模擬為例加以實現(xiàn)。
　　(3)對防風(fēng)屏障進行了初步選型并分析了防風(fēng)屏障對車橋系統(tǒng)氣動性能的影響。根據(jù)計算流體力學(xué)(CFD)的相關(guān)原理，選擇合適的湍流模型對氣流經(jīng)過防風(fēng)屏障這一空氣動力學(xué)問題進行數(shù)值模擬，針對幾種防風(fēng)屏障的設(shè)計方案，分析了不同設(shè)計參數(shù)（包括開孔率、高度等）的防風(fēng)屏障對風(fēng)速的影響規(guī)律，對橋上防風(fēng)屏障的防風(fēng)效果及有效防護區(qū)域進行定量分析，初步探討防風(fēng)屏障的合理形式和

5、主要設(shè)計參數(shù)的合理取值。任何形式的防風(fēng)屏障，都會對橋面風(fēng)場產(chǎn)生影響，加強紊流效應(yīng)，使橋梁結(jié)構(gòu)周圍風(fēng)場更加復(fù)雜，當列車駛過時作用于列車上的風(fēng)荷載與沒有設(shè)置防風(fēng)屏障時有明顯區(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)屏障時風(fēng)荷載作用下車橋系統(tǒng)動力相互作用分析模型，編制了相應(yīng)的計算分析程序。針對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)的動力相互作用，計算了強風(fēng)與列車共同作用下橋梁和列車的動力響應(yīng)及行車安

6、全性指標，相較于無風(fēng)屏障時，差異明顯。以蘭新鐵路第二雙線上的10跨簡支箱梁橋為例，分為無風(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，計算分析不同風(fēng)速、不同車速條件下的車橋動力響應(yīng)。
　　(5)推導(dǎo)了列車進出防風(fēng)屏障時車體上的風(fēng)荷載變化計算公式，討論了風(fēng)載突變對列車運行安全的影響;并且計算了列車運行引起的風(fēng)屏障上的氣動脈沖力，將其作用于風(fēng)屏障進行時程分析，得到風(fēng)屏障的動力響應(yīng)，同時考慮了外部自然風(fēng)的作用。

7、以蘭新鐵路第二雙線上的10跨簡支箱梁橋為例，在橋上200 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)屏障與無風(fēng)屏障及全段安裝同樣風(fēng)屏障時車輛的動力響應(yīng)及行車安全性指標進行對比;計算了單側(cè)4m風(fēng)屏障在自然風(fēng)荷載、氣動脈沖力荷載以及二者組合時關(guān)鍵節(jié)點的動力響應(yīng)。
　　(6)基于自編的計算分析程序，計算了蘭新鐵路第二雙線上常用跨度簡支箱梁橋、簡支T梁橋、簡支槽梁橋以及白楊河連續(xù)梁橋列車運行時車輛、橋梁的動力響應(yīng)，考慮橋上全段安