兰新高铁风区桥梁关键技术研究

研究目的:兰新高铁经过的百里风区、三十里风区是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一,强风下列车的运行安全、舒适、准时问题十分突出。与普速铁路相比,高速铁路列车速度快、轴重轻,在横向强风作用下容易发生倾覆,同时高速运行的列车气动力远大于普速铁路。为满足修建兰新高铁要求,需在桥梁上安装挡风结构,本文对高速铁路设挡风结构后的桥梁及列车处空间风场变化规律和列车、桥梁运营安全性进行研究,以期获得挡风结构设置参数,选择适用于大风区的桥梁梁型及桥梁挡风结构形式,并提出强风下列车运营安全限速值建议。研究结论:(1)简支箱梁横向刚度大,能适用于单、双侧及骨架贯通双侧挡风结构设置需要;组合T梁采用4片T梁布置形式,能适应单、双侧挡风结构形式,工程造价最优;(2)槽形梁将梁体与挡风结构组合使用,能较好适用于百里风区;(3)确定了挡风结构最佳高度为4 m,开孔率为20%;单侧4 m或双侧4 m的挡风结构挡风效果较好,可满足桥梁动力性能及车辆运行安全、舒适的要求,性价比高;(4)Ⅰ型挡风结构适用的环境风速为50 m/s,Ⅱ型和Ⅲ型挡风结构适用的环境风速为60 m/s,Ⅳ型和Ⅴ型挡风结构适用的环境风速为60 m/s;(5)本研究结论可为高速铁路列车安全及防风工程的计算和设计提供参考。     

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。     

沪昆高铁北盘江特大桥导风栏杆防风效果风洞试验研究

为满足列车在25 m/s风速下以设计速度350 km/h安全通过桥梁,以沪昆高铁北盘江特大桥为工程背景,研发一种桥梁防风装置—导风栏杆。每根导风栏杆由挡风面、导风角、通风孔、加强肋、安装孔构成,挡风面近似为一个扇形结构,上部有导风角,挡风面上部均布通风孔。每根导风栏杆以一定的间距排列,通过螺栓与下部预埋组件相连。通过风洞试验和风-车-桥耦合分析对导风栏杆进行防风效果验证。结果表明:导风栏杆的应用解决了列车在大风情况下的全速安全运行问题,同时提高了列车的乘坐舒适性。导风栏杆兼具挡风、导风、栏杆功能于一体,同时发挥了桥梁防风、行人安全防护的功能。大部分风通过带折角的倾斜导风叶片进行转向,减小了风荷载对导风栏杆的受力,同时减小主梁的受力。     

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。     

列车风引起的张弦梁雨棚振动分析

研究目的:大跨度张弦梁结构形式简洁,受力合理,建筑造型优美,但具有柔度较大、重量轻的特点,属于风敏感结构。列车高速过站时,列车风压力可能对建筑物的局部产生较为强烈的作用,使下弦张拉弦索刚度退化,改变结构的受力性能或引起结构共振,对结构产生不利的影响。本文以京沪高速铁路济南西客站无站台柱张弦梁雨棚为例,分析列车高速通过引起无站台柱雨棚上的列车风压力和变化规律以及对雨棚结构的影响,为设计提供依据。研究结论:通过研究可以得出如下结论:(1)列车风压力沿高度方向衰减较快,沿宽度方向近似线性变化;(2)列车风压力引起的张弦梁的Z、Y的位移及钢梁及索的应力变化幅度均较小;(3)列车风压力引起的雨棚结构的风致振动频率与结构自振频率相差较大,不会引起共振;(4)本研究成果对大跨度雨棚等站场设施的设计可提供指导。     

南疆铁路大风区桥梁挡风结构研究与设计

简要介绍南疆铁路吐鲁番—库尔勒段增建二线大风区桥梁挡风结构研究与设计的总体情况。首先实测收集风区典型桥位处大风资料,分析确定模拟计算、实验分析所需要的风场特性;收集国内外桥梁挡风结构不同形式的工程实例,拟定不同高度与不同透风率的挡风结构设计方案。其次采用CFD数值模拟计算的方法,对挡风结构的各项参数进行对比分析研究,根据分析结果确定较为合理的挡风结构参数,再通过风洞试验进行验证。最后根据CFD数值模拟计算及风洞试验结论,完成桥梁挡风结构的计算与设计,并对目前南疆线采用的通桥(2005)2101简支T梁设置挡风结构后的强度、刚度进行计算分析,分析评判其适用性及安全性,根据设置挡风结构的构造及满足受力需要,局部修改加强通桥(2005)2101简支T梁设计图。     

干旱地区高速铁路路基技术体系研究

研究目的:兰新客专新疆段大部分地段位于戈壁大风风沙区,戈壁土路基填料填筑、戈壁土地基处理、风区路基边坡防护、路基防沙工程、路基防风工程等一系列路基技术问题在高速铁路的建设中无成熟的经验借鉴,本文通过试验研究,旨在解决本线路基建设工程中的难题,为兰新客专的顺利建设提供技术保障。研究结论:(1)通过试验研究,提出了路基填料标准及压实质量的影响因素、戈壁土地基处理的设置原则以及不同路基边坡防护措施适应性及防护效果;(2)分析了戈壁地区铁路沿线的风沙流的主要形式以及戈壁地区铁路沿线风沙流的运动特点,提出了戈壁强风沙地区修建高速铁路的防沙对策措施;(3)提出了路基挡风结构的合理形式、位置、高度、路基挡风结构受力等参数推荐值,同时为列车安全评价、列车与防风结构表面压力波传播等提供了试验参数;(4)该研究成果应用于兰新客专设计及建设中,可为同类工程提供参考或借鉴。     

兰新高铁百里风区防风明洞设计

研究目的:兰新高铁穿过著名的百里风区,为减小大风对高速铁路运营的影响,在百里风区的核心区设置封闭的防风明洞。本文结合百里风区的大风特征和环境特点,确定该防风明洞结构形式,并对戈壁大风区防风明洞的施工工艺、接缝连接形式及通风、采光、泄压孔等进行研究。研究结论:(1)确定了防风明洞结构形式为"桩基+纵梁+拱形混凝土结构";(2)防风明洞拱形混凝土结构采用工厂化预制+现场拼装的施工方式;(3)预制构件之间采用"型钢-后浇混凝土"的刚性连接技术;(4)为实现防风明洞自然采光、自然通风以及缓解空气动力学效应,提出在防风明洞结构背风侧设置通风、采光、泄压孔;(5)本研究成果可用于公路、铁路穿越大风区等环境敏感地段的隔离防护工程,也可为类似工程的修建提供参考依据。     

高速铁路堤堑防风过渡段气动分析与工程优化

研究目的:兰新高铁在联调联试及大风专项试验期间,高速列车通过不同防风工程过渡段时,工程边界的变化引发列车气动性能产生急剧变化,进而导致车体晃动。本文对兰新高铁路堤到路堑的防风工程过渡段的气动特性进行研究,探明突变边界引发的风切变机制及演化规律,针对过渡段风流场的突变环节提出完善的、可实施的工程优化方案,并对工程效果进行对比分析,为优化工程的实施提供依据。研究结论:(1)列车通过不同防风工程过渡段时,头车、中车、尾车侧向力与倾覆力矩增幅明显,遮蔽区内流场结构及风速、风向的变化导致列车气动性能发生较大变化,进而影响列车的稳定舒适性;(2)以过渡段风场变化规律研究为基础,对于典型的路堤到路堑的防风工程过渡段,提出了加高过渡段挡风墙的工程优化措施,列车通过时侧向力与倾覆力矩幅值明显降低且变化缓和,优化效果明显;(3)对于其他更为复杂的防风工程过渡段,需重视不同结构过渡边界引发的风切变机制及演化规律的研究,重点从改善突变流场结构入手,结合地形地貌及工程条件因地制宜地采取工程优化措施;(4)本研究结论可为高速铁路防风工程过渡段的计算、设计及工程优化提供参考。     

高速列车引起的车站天桥振动分析

高速铁路客站跨线天桥是临近高速铁路建筑物,高铁列车高速通过铁路正线时产生的列车风和振动给车站天桥结构带来了振动激励,其对结构安全的影响有必要加以研究。本文以一高铁车站旅客天桥为例,通过现场实测、理论分析对天桥振动进行了研究,确定了引起天桥结构振动的原因是列车风,并提出了高铁车站天桥设计改进建议。     

高速列车与跨线斜拉桥耦合气动效应研究

将空气流场视为黏性、可压缩的非定常流,对高速列车和跨线桥梁模型进行适当简化,以沪昆线上某（112＋80＋32）m预应力混凝土独塔斜拉桥为例,基于大型计算流体力学软件Fluent,采用滑移网格法建立高速列车和跨线斜拉桥流场计算模型。分析了列车以350km／h速度从斜交跨线斜拉桥下穿过时,桥梁底面压强分布情况。通过积分换算出列车气动效应对桥梁产生升力、阻力和扭矩时程。将该气动力时程施加至斜拉桥空间动力模型,研究运营阶段斜拉桥动力响应。研究表明,高速列车尾流对斜拉桥的气动力作用大于列车头,列车正上方梁体所受气动力最大;列车风对运营阶段斜拉桥影响极小,可忽略不计;若跨线桥为质量惯性较小的钢桥,列车气动力对其影响仍需进行相应研究。     

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。     

甬舟铁路桃夭门大桥方案研究与设计

甬舟铁路桃夭门大桥跨越桃夭门水道,根据线形、技术、经济条件比选,最终确定采用经富翅岛与公路桥并行方案,主桥与公路桥对孔布置,一跨跨越通航水域。并对钢-混结合梁斜拉桥和钢桁梁斜拉桥进行多方面比选,推荐采用钢-混结合梁斜拉桥方案,通过对结构进行静力分析、车-桥及风-车-桥耦合振动分析,验证结构的安全性和舒适性。研究结果表明钢-混结合梁斜拉桥适用于高铁桥梁。该桥型将首次应用于高速铁路,将为我国铁路桥梁的设计研究提供借鉴和新思路。     

叶片式导风屏障挡风性能优化研究

本文以某钢桁梁斜拉桥为原型,采用数值模拟方法研究一种叶片式导风屏障对横风环境下列车周围流场、列车气动性能、桥梁气动性能的影响.结果表明:(1)叶片式导风屏障改变了桥梁内部的风场环境,减小了列车周围风速,风速最少减小20％;(2)高度为3 m时,列车周围的风速最低,列车三分力系数最优;(3)透风率为20％～25％时,列车...     

基于WRF模式新疆铁路网大风灾害研究

大风灾害对铁路建设影响日益突显,为解决偏远地区铁路前期规划设计阶段常常遇到气象资料匮乏问题,使用高分辨率WRF模式模拟风速作为常规气象风速观测补充,分析研究新疆铁路网沿线日平均风速,为已建成铁路沿线防风工程和未来铁路规划提供基础数据。研究表明:通过对比站点实测风速与模拟风速,可以发现新疆北疆地区模拟风速在冬季呈现高估现象,而在夏季呈现低估现象;模拟风速在新疆南疆地区整体呈现高估现象。总体上,模式模拟风速可以模拟新疆复杂地形下风速变化。在1979~2013年间,多年平均大风日数反映出已建成的兰新铁路和南疆铁路仅在百里风区、三十里风区、南疆前三十里风区有较大值;规划中的克塔铁路、库格铁路、和罗铁路和哈将铁路在山区复杂地区大风日数有较大值。除兰新铁路三十里风区附近地区大风日数呈现减弱趋势,新疆其余地区大风日数呈现不同程度增加趋势。大风指数分析发现规划中和罗铁路、库格铁路、哈将铁路、克塔铁路大部分线路大风指数均处在高值区,且均以每10年8 m/s以上速率增加。     

96 m钢-混组合桁架梁设计

新建安九铁路跨越武九客专受桥下净空限制,需采用大跨度、低高度桥式结构;同时结合后期维修养护及无砟轨道技术需求,桥面板宜采用混凝土结构,综合考虑本桥采用1-96 m钢-混组合桁架梁跨越武九客专。而96 m钢-混组合桁架梁结构为目前国内同类型桥梁结构最大跨径,并且首次应用于时速350 km无砟轨道。本文结合工程背景详细阐述96 m钢-混组合桁架梁整体设计思路,并对其结构尺寸、受力分析和施工方法进行深入探讨。本工程在安九铁路的成功应用为同类型结构在高速铁路上的推广应用积累了宝贵的设计和施工经验。     

京张高铁应急抢修简支钢-混结合梁设计应用

我国高铁常用跨度梁使用量巨大,但既有的铁路抢修钢梁行车限制速度低,已无法适应高速铁路运行的需要。京张高铁官厅水库特大桥32 m简支钢-混结合梁以打造京张智慧高铁为契机,采用高铁应急抢修梁方案,同时通过设置梁侧牛腿和横向限位装置,达到了协调主、引桥横向变形的目的。针对应急抢修简支钢-混结合梁的结构构造、节段组装、主要计算结果、结合梁安装等内容进行详尽介绍,并对其技术特点进行总结。该桥的建成为高铁应急抢修梁的设计与应用积累了一定的经验,并为今后进一步深化高铁应急抢修梁的研究、开展高铁应急抢修梁相关标准设计工作奠定了基础。     

合福铁路古田溪特大桥设计

古田溪特大桥是新建合福铁路重点控制桥梁工程之一,该桥集高墩大跨、深水基础于一身,兼具山区铁路与高速铁路双重特点,设计施工难度大。研究其桥式方案选择及设计施工要点,通过分析无缝线路特性,合理确定主桥桥式方案;结合施工组织,总结了主跨梁部结构、主桥桥墩及主墩基础的设计施工要点。车桥耦合动力仿真分析结论表明,当车速不超过该桥设计车速350 km/h时,安全性指标均在限值以内。     

兰新铁路第二双线穿越大风区综合选线研究

大风区段对铁路的建设及运营安全存在着各种危害,高速铁路由于具有速度高、车体轻的特点,其安全受到强风威胁会更大,高速铁路穿越大风区防风设置是世界性难题,目前尚无已成功运营的先例,高速铁路大风区综合选线需综合考虑防风设置、防排水、防沙、接触网防风等因素,科学合理进行方案比选研究。通过分析新疆境内四大风区分布及特点,利用既有兰新铁路设施及防风科研成果,对兰新铁路第二双线在穿越大风区段落综合进行选线设计研究,充分分析路基地段的防风设施设置以及线路平纵断面的防风布置选择,确保高速铁路在大风区安全、快速通过,以确定科学、合理的线路设计方案。