兰新铁路既有防风设施薄弱地段的分析及改造

结合兰新铁路“百里风区”既有挡风墙和其他防风设施,通过数值计算、列车空气动力学实车试验、车辆动力学试验和挡风墙前后风速分布现场试验等,分析在既有防风设施和大风条件下的列车气动性能与速度分布,找出既有防风设施的薄弱环节,提出对土堤式挡风墙、不同形式挡风墙及挡风墙与路堑过渡段、矮路堑的优化方案和改造措施.建议按危险程度分批次逐步实施改造,在补强改造设计时勘察现场,反复论证补强方案的安全性和可行性.     

铁路拱形防风明洞风荷载研究

兰新铁路第二双线穿过著名的百里风区、三十里风区,其风害极为严重。为了最大限度地减少限速和停轮,在百里风区的核心区采用设置防风明洞的防护措施。通过CFD数值模拟与风洞模型试验研究,得出了作用在防风明洞表面的风荷载随风速增大而增大,且迎风侧为正压、背风侧及拱顶为负压的分布规律。     

兰新铁路防风明洞结构形式设计研究

兰新铁路第二双线穿过著名的百里风区和三十里风区,风力强劲,且出现大风的频率高,风害极为严重。为了保证列车安全、快速、正常运营,最大限度地减少限速和停轮,在百里风区和三十里风区的核心区研究防风明洞方案,本文从结构形状、建筑材料、施工工艺等方面对防风明洞结构进行了研究。     

兰新铁路强风地区风沙成因及挡风墙防风效果分析

研究目的:通过对兰新铁路"百里风区"和南疆铁路前百公里强风地区风沙成因进行分析,研究挡风墙后不同高度、不同间距风速变化情况,现场实测挡风墙的"遮蔽效应",对挡风墙的防风效果进行评价.研究结论:兰新铁路强风地区风区大风主要为内陆寒潮性大风,受地形地貌引起的狭管效应、下坡风及局地大气对流效应的影响较大,具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等特点.现场实测表明,挡风墙防风效果显著,3 m高挡风墙后在3 m高内风速较挡风墙外侧风速大大降低,风速20 m/s时有效遮蔽范围超过38 m,有效地减弱了列车的倾覆力矩.不同条件下挡风墙对沙害减弱的影响还需进一步加深研究,这些结论对于今后铁路防风沙具有一定的指导和借鉴作用.     

兰新铁路第二双线挡风墙防风效果仿真分析

利用CFD ICEM建立兰新铁路第二双线V区(大风频繁区)路堤、路堑地段4.0 m挡风墙和槽形梁两侧3.5 m高挡风墙计算模型,采用流体力学软件FLUENT对不同型式的防风结构的防风效果开展仿真分析。结果表明:环境风遭遇挡风墙阻挡,气流沿着挡风墙上部自由空间移动,形成加速效应,使得吹至挡风墙上部的环境风被加速放大;环境风吹过挡风墙后风速明显减小,挡风墙有效遮蔽了环境风,防风效果明显;路堤挡风墙后环境风速残余系数在0.3~0.6,路堑挡风墙后环境风速残余系数在0.25~0.50,桥梁两侧挡风墙后环境风速残余系数在0.3以下,桥梁两侧挡风墙防风效果优于路堤和路堑挡风墙。     

基于动车组安全运行的南疆线既有防风设施优化改造研究

为探究南疆线是否满足动车组开行要求,通过实车试验的方法,发现南疆线既有防风设施部分区段不能保证动车组安全运行,需进行优化改造;在分析试验结果的基础上,对试验中出现大值点的地段进行详细现场勘查和影像记录,分析总结需优化改造的防风设施结构形式等信息,发现南疆线既有防风设施薄弱环节处于无挡风墙地段、桥梁挡风结构、土堤式挡风墙、过渡段等位置。通过数值模拟计算,对土堤式挡风墙、浅路堑和土堤式下坡风等提出具体改造思路和优化方案。通过推荐施工方案、开展现场验证,以达到满足动车组安全运行的目的。     

兰新铁路百里风区挡风墙设计

介绍了兰新线铁路百里风区的风害情况,提出了采用挡风墙进行风害防治的措施。详细地研究了挡风墙高度的确定、挡风墙结构及稳定性验算、挡风墙结构形式比选等。该研究不仅具有理论意义,同时也为风害防治工程提供了借鉴。     

兰新高铁穿越大风区线路选线及防风措施设计

研究目的:铁路选线设计及工程措施设计是项目设计的重点和难点,直接关系到项目建设的经济性及可靠性。结合兰新高铁工程实施,通过分析提出穿越百里风区段选线原则及综合比选要点。针对风灾对铁路的危害,开展路基、桥梁、防风明洞等防风科研,提出关于时速200 km铁路有针对性的防风措施设计。研究结论:(1)风灾对既有兰新铁路存在多方面的危害,兰新高铁速度快、车体轻,威胁更大,线路方案研究及防风措施设计十分重要;(2)穿越百里风区段线路走向选择,风灾影响是重要的控制因素,同时要坚持功能选线、地质选线、环保选线、安全选线、经济选线的原则;(3)兰新高铁穿越百里风区段采用沿既有兰新线南侧并行方案满足功能需求的同时,通过易于实施的防风措施既减缓风灾危害,而且可以减少环境影响,节省工程投资;(4)路基防风工程以挡风墙为主要结构形式,其结构形式主要有悬臂式、扶臂式、柱板式等类型,结合风区划分、风速分布及频率特征,在不同的路堤高度和路堑深度分别确定;(5)桥上防风屏均采用钢结构,桥梁采用具有防风作用的槽形梁,可有效解决结构和防风等安全要求;(6)在百里风区风力强劲的核心区段,为加强防风措施,设置部分防风明洞;(7)本文所述的线路选线及防风措施设计可为类似项目设计提供参考依据。     

兰新高铁防风标准研究

研究目的:兰新高铁通过甘肃境内的安西风区和新疆境内的烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区等五大风区,区内风力强劲,大风天数多,严重危及行车安全,影响运输效率。防风标准的研究是防风工程设计的前提,是确定防风工程设计原则、范围的重要依据。为保证列车安全、快速、正常运营,最大限度地减少列车的停轮与限速,需研究兰新高铁防风标准,以采取合理的防风措施。研究结论:防风标准包括风区设置防风工程后允许的限速天数及合理的列车运行速度限值,综合分析大风区不同风速的频率及不同类型的防风结构在大风条件下保证列车安全运行的能力,研究提出:(1)运营预期目标为大风条件下列车原则上尽量少停轮,列车限速天数控制在全年的10%左右;(2)防风结构能力为:大风条件下设挡风墙(屏)地段列车速度限值提高10 m/s,设封闭(半封闭)挡风结构地段列车速度限值提高20 m/s;(3)本研究成果可为戈壁大风区或类似环境地区的铁路工程建设提供借鉴。     

新疆铁路百里风区既有防风沙工程薄弱点分析

通过对新疆铁路百里风区风沙灾害和既有防风沙工程薄弱点的分析,提出提高或恢复既有防风沙工程防护能力的整治方案,以满足百里风区风季行车安全和提高运输能力的需要。     

新疆铁路百里风区大风特征统计分析

通过对新疆铁路百里风区大风特征统计分析,归纳出百里风区具有风速高、风期长、季节性强、风向稳定、起风速度快等规律,并得到不同时距风速统计关系和风区风速地域分布特征,为今后新疆铁路大风地区完善行车组织办法和防风减灾工程研究提供依据。     

南疆铁路吐鲁番至鱼儿沟段路基挡风工程方案设计

通过对南疆铁路吐鲁番至鱼儿沟段大风的特征分析和既有线的挡风工程设置效果分析,提出了修建复线时应参照既有线防治大风危害及风蚀沙埋的工程治理经验,为南疆铁路吐鲁番至鱼儿沟段复线挡风工程设计和施工提供科学依据。     

铁路路堑挡雪墙设计参数优化数值模拟

风吹雪往往在铁路路堑地段形成较厚的积雪,掩埋线路,影响行车速度,危及行车安全,研究其具有重要的现实意义。基于FLUENT软件,模拟研究不同挡雪墙高度、不同风速下,挡雪墙背风侧风雪两相流的运动特性及挡雪墙参数优化设计。研究表明,风雪流初始速度一定时,挡雪墙背风侧积雪宽度随挡雪墙高度增大而变大,沉积在床面上的雪粒更多,阻雪效果越好;挡雪墙高度一定时,背风侧积雪宽度随风雪流速度的增加逐渐增大,挡雪墙距线路的距离也应越大。在综合考虑工程造价和挡雪效果的基础上,挡雪墙设计时,高度宜在2.5~3.5m,高度越高,风速越大,挡雪墙距线路的距离应越大,一般在20~35m即可。     

风沙地区铁路施工增加费用研究

随着我国铁路网的延伸,穿越大风地区、沙漠地区或风沙地区的铁路项目越来越多,现行的相关标准表现出明显的不适用性,针对风沙地区铁路施工增加费需要进一步研究完善。以新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线新疆段四大风区为研究样本,根据现场测定的不同风力等级条件下人工、机械降效幅度,结合各风区的施工月份大风资料,确定各风区的降效系数,并与原标准、其他行业分别进行水平测算分析。研究结论:(1)铁路工程风沙地区施工增加费的计算基数宜由人工费调整为人工费与施工机械使用费之和;(2)通过水平测算分析,提出风沙地区铁路施工增加费标准建议,可为《铁路基本建设工程设计概(预)算编制办法》的修订提供参考依据。     

风沙流对戈壁地区挡风墙响应规律的数值模拟分析

基于FLUENT欧拉双流体模型,对兰新铁路沿线既有挡风墙周围风沙两相流运动特性进行数值模拟,得到挡风墙背风侧的流场分布特点以及积沙情况。结果表明:挡风墙背风侧风速廓线变化规律呈指数增长趋势,在0.5 m至挡风墙自身高度区间内变化较为复杂,呈先减小后增加的趋势;挡风墙背风侧近地表气流速度反向增大后沿着初始速度的方向减小为0且继续增大至初始速度大小,风速最大值增加的幅度保持在50%左右,风速越大,气流的削弱作用越明显;当初始气流速度为较小时,线路上积沙较少,沙粒多数堆积在挡风墙背风侧墙角处;随着风速的增加,单位时间内通过挡风墙的沙粒增多,由于过流断面减小,气流扩散,更多沙粒沉积在线路上;在强风地区,布设挡风墙时应考察线路上风向的地表情况,沙源比较丰富时应采用工程治沙措施来减小风沙流密度,达到防沙的目的。     

兰新铁路思甜至了墩段沙害形成原因分析及防治研究

为解决兰新铁路思甜至了墩段风沙灾害问题,基于现场调研,掌握研究区沿线沙害现状和沙害形成原因,并提出防治措施。沿线风沙危害发生与当地干旱多风的气候条件、铁路沿线松散的路堑边坡、路堑堑顶弃土和路堑内形成弱风区有关。综合考虑工程造价和现场实际情况,研究区铁路防沙设计建议采用固化松散路堑边坡+堑顶弃土构筑挡沙堤+高立式阻沙沙障+大方格阻固沙障相结合的防沙模式,构建立体防沙体系。     

新疆单线铁路土堤式挡风墙坡角优化研究

为提高新疆单线铁路土堤式挡风墙的防风效果,防止列车倾覆,提出只改变挡风墙的迎风侧坡角而背风侧坡角不变(方案1),以及挡风墙的迎风侧坡角和背风侧坡角相等且同步改变(方案2)的2种优化方案。采用数值模拟计算方法对比这2种优化方案对列车气动力系数的影响。结果表明:在列车处于静止状态下,方案1中挡风墙迎风侧最佳坡角为57°,方案2中挡风墙迎风侧和背风侧最佳坡角均为69°;在列车以20～120km.h-1速度运行的动态状态下,按方案1,为达到列车倾覆力矩为0的最佳防风效果,挡风墙迎风侧坡角也必须随着列车运行速度的增大而增大;而按方案2,挡风墙的迎风侧和背风侧坡角基本不随列车速度的变化而变化。因此建议在实际工程中采用方案2进行土堤式挡风墙坡脚的优化设计。     

全风向梯度集沙仪的研制

兰新铁路风区防风沙工程的建设对保证列车风区安全行驶至关重要,而掌握风沙流规律是防沙工程设计的基础,为此,根据历史大风特征统计分析结果研制了全风向梯度集沙仪,对风沙流进行现场观测。全风向梯度集沙仪为兰新铁路第二双线防沙减灾工程的建设提供了基础数据依据。     

流场能量牵引在铁路桥梁防风设计中的应用

南疆铁路至兰新高铁枢纽位于新疆著名的三十里风区,当地多次发生大风导致列车倾覆事件。本段桥梁是高铁与普铁联络线,针对高铁及普速铁路梁的特点综合分析,选用适宜梁型,结合挡风结构受力特点,运用流场数值计算、风洞试验、动力学仿真等方法展开研究,对梁体局部改造加强。通过分析强风场中列车受力特点,以及挡风屏结构高度等对风场影响的规律,在挡风屏设圆形及椭圆形交错开孔,通过紊乱气流自身损耗风能。人行道步板改用透风结构,减弱桥面顶板气流反冲力,改变列车附近的局部风场,降低横向风力对列车的冲击作用,对列车的安全运营提供了有力的保障。研究结论:(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)对于气流进行疏导,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的思路。