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。     

大风环境下自轮运转设备运行安全分析研究

针对接触网检修作业车、轨道车等自轮运转特种设备在大风天气下运行及作业安全标准研究的缺乏问题,开展了新疆铁路大风环境下自轮运转特种设备运行安全的研究和现场试验。现场实车试验发现,空气动力学指标大值点主要出现在无挡风墙、土堤式/下坡风、土堤式挡风墙、矮路堑地段;现有的对拉式、桥式挡风墙后车辆的气动力均较小,防风效果较好。结合数值计算,得到不同路况、不同线路区间、不同车型、不同风速风向条件下的列车安全运行速度限值,提出大风条件下适合既有线路和防风工程条件的自轮运转设备的安全运行及作业临界风速-车速限值,为制定大风天气自轮运转特种设备防风安全运行及作业办法提供了依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

兰新铁路第二双线防风技术及工程设计

防风技术是兰新铁路第二双线建设和运营的控制性因素,通过研究,明确了沿线风环境特征,制定了大风环境下的高速列车运行安全及速度标准。结合路基、桥梁、防风明洞、接触网、大风预警系统等抗风专题研究,确定了该线防风工程的主要设计原则及结构型式。大风区施工防风技术研究为风区铁路工程的设计和建设提供了保障与支持。     

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。     

高速铁路半封闭防风走廊结构动模型试验研究

高速列车在新疆烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城风区四大风区运行时,大风对列车运行安全及高速运行影响大,故需有效的路基防风工程为列车的运营提供安全保障。通过半封闭防风走廊结构动模型试验,测试动车组单车及交会工况下半封闭防风走廊结构与动车组模型表面空气压力波传播规律、出口压力波变化,并分析列车高速运行时半封闭防风走廊结构的气动力特性。试验结果表明:同一高度的内外侧测点压力变化值近似与动车组运行速度的平方成正比;当动车组在半封闭防风走廊路段中间时,半封闭防风走廊内外侧测点压力的绝对值最大。     

提高大风条件下动车组运行安全性的防风设施过渡段优化研究

作为穿越大风区的高速铁路,兰新高铁的行车安全受大风环境的影响较为严重。对兰新高铁进行大风环境实车试验后,发现列车在某些位置出现明显晃车现象。结合实地考察和现场实车试验,基于三维、定常、不可压雷诺平均SSTk-ω两方程湍流模型来模拟其中一处典型地段的流场特性,得出线路上方最大速度突变点,并采用局部挡风墙改造和铲土方的方法对原始突变流场进行了优化。结果发现:通过局部挡风墙和地形地貌的优化改造,可以明显改善原始流场的突变。90°风向角作用下,1号过渡段、1号山梁、2号山梁和2号过渡段处,2线上方3 m高度处横向速度峰峰值分别为优化前的56.3%、24.4%、55.8%和67.2%,防风效果改善明显。     

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。     

兰新高速铁路桥梁挡风结构挡风板设计

兰新高速铁路经过的大风区自然条件恶劣,大风强劲、频繁,严重危害铁路运营的安全。鉴于现有的桥梁防风技术远不能满足高速铁路的要求,针对兰新高速铁路大风特征、高标准铁路的要求,对桥梁挡风结构挡风板进行设计研究。通过理论研究、数值模拟分析及风洞试验等方法,确定挡风板的合理开孔率、波高及板厚等技术参数,设计出适用于高速铁路桥梁挡风结构的挡风板。本项设计达到了本线桥梁防风技术的预期效果。     

兰新高铁穿越长城段减振型无砟轨道减振垫合理刚度研究

减振型轨道结构是控制文物振动的有效措施之一,然而,高速铁路中减振型轨道结构尚无成熟应用经验。结合兰新高铁穿越长城段项目建设功能需求,在明确长城体水平振动速度、钢轨垂向振动加速度及钢轨垂向位移等评价指标及限值基础上,采用仿真分析法开展了减振型无砟轨道减振垫刚度变化对各评价指标影响分析,分析表明:(1)长城体水平振动速度随着减振垫刚度增加而增大;(2)钢轨垂向加速度随着减振垫刚度增加而变化不大;(3)钢轨位移随着减振垫刚度增加而减小;(4)列车运营、轨道结构服役性能及长城体保护需求的减振垫刚度应介于40~166.7 MPa/m。兰新高铁工程实施采用46 MPa/m刚度减振垫,实车测试及工程应用表明:研究成果工程应用同时满足了高铁安全、平顺、舒适性和长城体高减振性能需求。     

兰新二线挡风墙下部开口疏导线路积沙试验

研究目的:兰新二线部分路段地处戈壁荒漠风区,干旱少雨,地表松散,大风条件下极易形成强风沙流,为保护列车安全运行,在路肩部位设立了挡风墙,起到了较好的防风效果。但随着挡风墙的布设,过境风沙流途经路堤时,气流携沙能力下降,造成部分沙颗粒沉降,堆积在线路路肩及道床上,造成严重的线路积沙危害。为解决兰新二线挡风墙后线路积沙难题,确保列车安全运行,本文以烟墩风区挡风墙下部开口疏导线路积沙进行试验,验证疏导线路积沙的可行性。研究结论:(1)现场试验表明:挡风墙开口后,支撑层台阶处积沙量逐渐减少,上行线轨道板上积沙量逐渐增加,风力只是将线路既有积沙进行了二次搬运和再分配,开口对线路积沙疏导效果不明显;(2)数值模拟分析表明:挡风墙开口前背风侧整体处在气流低速区,开口后支撑层台阶附近气流处在加速区,其他区域仍处在气流低速区,大部分沙粒可能重新跌落在上行线附近,加剧上行线积沙量;(3)该研究结果对高速铁路无砟轨道防沙工程具有指导意义。     

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。     

兰新高铁沿线不同挡沙墙防护效果评价

研究目的:兰新高铁作为我国穿越大风戈壁荒漠区的第一条高速铁路,在运营过程中不可避免地会遇到风沙问题。为保障列车的安全运营,在线路两侧布设了多种防沙措施,取得了一定的效果。但由于铁路具有运距长、地域跨度大等特点,在一些区段,虽然布设了风沙防护措施,依然出现了风沙灾害。本文主要利用现场实测等研究手段,探讨兰新高铁戈壁大风区不同挡沙墙的风沙防护效果,以期为后期的工程维养和补充设计提供一定的技术支持。研究结论:(1)受挡沙墙影响,墙体前后会出现明显的气流扰动,3种挡沙墙中斜插板挡沙墙的消能效果最高,高立式PE网沙障次之,直插板挡沙墙最弱;(2)挡沙墙的阻沙率随高度的增加显现降低的趋势,在4 m高度内,高立式PE网沙障的阻沙率最高,可达85.82%,斜插板和直插板挡沙墙的阻沙率则分别为60.34%和52.92%;(3)挡沙墙前后的风沙流结构存在一定的差别,迎风侧积沙中粗颗粒组分的含量明显要高于背风侧,但整体依然以0.1~0.25 mm和0.25~0.5 mm粒径段的沙粒为主;(4)该研究结论对于戈壁大风区高速铁路风沙灾害防治具有一定的借鉴指导意义。     

风沙地区高速铁路综合选线原则研究

风沙灾害威胁着沙区铁路建设运营，由于高速列车具有速度快、车体轻的特点，线路在穿越风沙地带时受到的风沙流威胁更大。为在选线设计时就将线路风沙危害尽可能地减小，通过分析风沙流对高速铁路建设和运营的影响机理，针对风沙地区特殊的自然条件，结合铁路选线基本理论与方法，提出风沙地区高速铁路综合选线原则及风沙流区、戈壁区、大风区的高铁线路选线设计要点。以兰新高铁为例，通过详细勘察风沙区和分析现有资料，从线路走向方案设计、工程投资、环境影响等方面研究风沙地区高速铁路综合选线原则在实际线路工程中的应用，并确定了高速铁路在风沙地区较为合理的线路设计方案。经过兰新高铁多年的实际运营表明：该方法具有较好的工程应用性，可为今后风沙地区高速铁路选线设计提供一定参考。     

盾构下穿施工变形条件下既有铁路行车限速标准研究

盾构下穿既有铁路施工过程中,受掘进卸载的影响,地层产生沉降变形并波及至地表轨道结构,严重威胁既有铁路的安全、舒适运行,而目前尚缺乏沉降条件下列车安全运行限速控制标准。基于Herze非线弹性接触理论,考虑车辆、轨道、道床和盾构引发的变形之间的相互作用关系,建立列车-轨轨-道床动力耦合模型,并通过Peck沉降曲线来模拟盾构施工造成的地表沉降和道床变形,进而分析轨道最大沉降值为0～25 mm时,列车以100～300 km/h的行驶速度(共计25个工况)通过沉降区线路时的安全性和舒适性指标变化规律,探讨不同沉降变形下的安全行车速度。研究结果表明：列车轮重减载率和竖向加速度随Peck沉降槽深度和行车速度的增大而增加,且以减载率为控制指标;基于轮重减载率的安全性评价指标,并考虑实际工程应用,以25 km/h为间隔,划定了不同沉降量对应的安全行车速度控制标准,为盾构下穿既有运营铁路路基管控运行时限速标准的制定提供直接依据。     

西北地区铁路大风灾害及其防治对策

大风灾害是兰新铁路安全运营面临的主要自然灾害。通过分析兰新铁路大风灾害的分布和成因特点,以及对铁路运输的危害,提出合理确定线路方案、采取防风工程措施、建立大风监测预警系统等防治对策。兰新铁路电气化工程和第二双线建设对防风技术提出更高要求,如何建立有效的防风安全体系,确保大风条件下列车安全运行,是当前迫切需要研究解决的重要课题。建议研究挡风墙设置与接触网稳定的关系,并根据实际情况逐步建立和完善大风监测预警系统。