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。     

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...     

公铁双层桥梁风屏障的气动效应分析与结构选型

为了确定某公铁两用双层桥梁风屏障的合理结构形式,通过风洞试验测试了不同工况下公路及铁路桥面不同位置处的流场分布特性以及CRH2列车和公路大货车的气动力系数,应用风-车-桥耦合振动分析方法计算了不同车辆的动力响应。分别从桥面局部风场、车辆气动力以及车辆动力响应3个方面评价并比选了公路及铁路桥面风屏障的最优形式。研究结果表明,以上3种评价方法的结果存在一定的一致性,铁路风屏障纵条形开孔形式的防风效果优于圆孔形开孔形式,公路风屏障亦然。     

考虑风屏障影响的大跨度铁路悬索桥横向挠跨比限值研究

为研究风屏障对大跨度铁路悬索桥横向刚度的影响,以某主跨1 060 m的铁路悬索桥为例,采用风洞试验测试车桥系统气动特性,通过改变加劲梁横向截面惯性矩实现不同的横向刚度,采用风-车-桥耦合振动分析方法,研究大跨度铁路悬索桥的横向挠跨比限值,讨论风屏障高度、车速及桥梁跨度的影响,在考虑激励随机性影响的基础上按规范加载条件得到桥梁横向挠跨比限值。结果表明：车速越高,桥梁跨径越小,横向挠跨比限值越严格;在不同跨度和车速条件下,风屏障均可提高横向挠跨比限值,其中设置3.5 m高度风屏障时,横向挠跨比限值可提升约9%,且当车速为200 km/h时,横向挠跨比限值可取为1/1 200。     

多孔形风屏障防风性能的足尺模型风洞试验及数值模拟研究

通过风屏障足尺模型风洞试验测试了多孔形风屏障后方两轨道中心处的平均风速和湍流强度,并提出一种适用于多孔形风屏障的二维等效模拟方法.在保证风屏障整体透风率不变的情况下,建立不同透风率分布的风屏障模型,讨论不同透风率分布对其后方流场特性及风荷载的影响.结果表明:本文提出的二维等效透风率法能较好地模拟多孔形风屏障的防风性能,...     

平潭海峡公铁两用大桥行车安全防风控制及风屏障设计

介绍了平潭海峡公铁两用大桥采用的拉索加强型抑风风屏障结构特点,推导了风屏障风速折减系数与行车防风控制目标的关系,并进行全尺1∶1模型风洞试验。结果表明：风屏障风速折减系数为0.31;安装风屏障后,6～9级大风天气铁路列车仍可以正常运行,桥面等效风速可以降低2～3个风速等级,不仅保证了强风环境下列车行车安全,而且保障了交通运营需求,是非常有效的防风措施。     

车致脉动力作用下桥上防风屏障的振动响应分析

高速铁路桥上的防风屏障会受到列车运行产生的脉动气冲力作用,防风屏障在脉动气冲力作用下的振动是防风屏障设计必须考虑的问题。本文建立了防风屏障有限元模型,考虑自然风荷载、结构自重和列车引起的脉动风荷载,以兰新铁路第二双线桥上防风屏障为实例,分析防风屏障各关键节点处的振动响应。结果表明:考虑自然风及车致气动力的脉动特性会显著增加防风屏障的动力响应;分析车致气动力对防风屏障的结构响应时应将自然风基本风压作为静载同时计算;另外应特别关注挡风板的振动,其响应远高于立柱。     

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。     

列车风作用下桥上防风屏障的疲劳性能分析

为了保证风区高速铁路桥上列车运行安全,一般在桥上设置防风屏障。防风屏障受到列车运行产生的脉动力作用,在列车风致脉动力或其与自然风共同作用下的疲劳性能是防风屏障设计的重要问题。以兰新第二双线铁路桥上防风屏障为工程实例,建立防风屏障有限元模型,考虑外部自然风荷载和车致脉动力荷载,获得防风屏障各关键节点处的应力时程,然后基于累积损伤理论评价防风屏障结构的疲劳性能。研究结果表明:防风屏障结构钢立柱底部、防风板中部为危险位置,并且考虑自然风及车致脉动风力会极大地增加防风屏障关键节点处的应力;特别是防风板的应力远高于立柱的应力,应引起重视。针对本工程设计的防风屏障结构在设计风速下疲劳性能良好。     

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。     

沪通长江大桥主桥风—车—桥动力响应研究

将轨道不平顺作为系统的内部激励,风载荷作为外部激励,考虑静风力和脉动风力,采用自编程序TYWTB建立车桥耦合系统动力学模型,进行不同风速激励下不同速度列车通过桥梁时的系统动力响应分析,并对车辆的安全性和舒适性进行评价。结果表明:随着风速的增加,车桥系统的动力响应增大,中跨最大垂向动挠度和横向动位移均出现在行车侧上弦;随着车速的增加,车桥系统的动力响应增大,桥上车辆的安全性和舒适性随车速的增加而降低;桥面风速等于或小于25m·s^-1时,160~250km·h^-1车速范围内车辆响应未超限值;当桥面风速达到30m·s^-1时,160~250km·h^-1范围内动车横向加速度均超限,拖车在车速250km·h^-1时轮重减载率超限,行车安全无法保证;由于沪通长江大桥桥梁对车辆受风面的遮挡,平均风速达到25m·s^-1时仍能保证车辆的运行安全和乘坐舒适,满足《铁路技术管理规程》的相关要求;沪通长江大桥铁路桥面采用了钢箱结构,增强了竖向、横向刚度和抗扭刚度,使得桥梁在风场和列车的共同作用下整体性能良好。     

侧向风作用下车桥系统气动性能及风屏障的影响研究

采用计算流体力学软件建立桥梁单体、车辆单体以及车桥组合体模型,湍流模型取标准κ-ε模型,计算各模型在不同风攻角时侧向风作用下的气动力系数.考虑风屏障对车辆、桥梁气动性能影响,建立风屏障、桥梁与车辆组合体模型,分析风屏障不同开孔率时车辆、桥梁气动力系数变化规律.结果表明:车辆位于桥上时,桥梁阻力和车辆侧力会增大;桥上车辆侧滚力矩系数明显大于车辆单独存在的情况,且车辆位于桥上迎风侧大于背风侧的情况;安装风屏障后,桥梁阻力和力矩系数随开孔率增大而降低,车辆侧力系数和力矩系数随开孔率增大而增大;为保证风屏障有效性,风屏障开孔率应小于40％.     

风屏障对公铁两用桥上车辆气动特性的影响

以某公铁两用桥为研究背景,通过大比尺节段模型风洞试验,使用天平测试有无风屏障时公路和铁路车辆气动特性,采用风速仪测试了桥面的风剖面分布,研究了车道和车辆类型对公路桥面车辆气动特性的影响。结果表明:设置风屏障有效降低了公路和铁路桥面的局部风速和车辆的气动力系数;公路桥面车辆气动力系数总体上随车道距风屏障距离的增加而减小,相同风屏障对大货车气动特性的降低程度相对于小货车和客车更为明显;设置风屏障后铁路桥面迎风侧和背风侧列车阻力系数的折减率基本接近,但升力系数的折减率差异较大。     

基于CFD的空心高墩防风超高模板优化研究

根据兰新铁路第二双线(新疆段)在风区进行高墩施工时的防风要求,提出在常规模板上再加高一段模板的高墩超高模板防风方法.运用大型商用软件FLUENT,采用计算流体动力学方法(CFD),对不同来流方向条件下、内外模板不同加高组合方案空心高墩防风超高模板的三维绕流场进行数值模拟计算,依据施工人员安全、混凝土养护和施工综合效率3个方面的折减后综合等效风速比评价防风效果,进行空心高墩防风超高模板优化研究.结果表明:由于迎风侧超高模板的阻挡作用,来流在空心墩内部形成回流,气流沿背风侧顺时针流向迎风侧,空心墩内部迎风侧风速较背风侧小,墩内迎风侧可用于施工人员的临时避风;防风超高模板采用外模板超高1.5m、内模板不超高的方案为最优,其折减后综合等效风速比为0.2.     

非定常气动荷载对桥上列车行驶安全舒适性影响分析

为了研究非定常气动力荷载对桥上列车行车安全性和舒适性的影响,结合有限元软件ANSYS和多体动力学软件SIMPACK,建立列车-轨道-桥梁三维多体系统模型,计算风-列车-桥梁耦合系统的动力响应;对比分析定常与非定常气动力荷载作用下桥上列车的行驶安全与舒适性,研究非定常气动力荷载作用下不同横向风速对列车行驶安全的影响。研究结果表明:列车行驶速度为200~300km/h,无风荷载情况下,各安全性与舒适性指标值均满足要求且均小于风荷载作用。横风作用下平均风速为20 m/s,考虑非定常气动力荷载的影响不仅会使列车行驶安全评估结果更安全,还会使列车舒适性评估结果偏于保守。平均风速不超过20 m/s,车速控制在250 km/h,桥上列车行车安全、舒适性均满足要求,且平稳性等级可达到"良好"以上。通过对不同横向风速下桥上列车行驶安全分析,给出桥上列车安全行驶的阈值,为列车的安全运营提供依据。     

风荷载作用下大跨度桥梁的动力响应及行车安全性分析

根据桥梁结构动力学、车辆动力学、轮轨相互作用以及结构风振的基本原理，研究风、列车、桥梁构成的动力相互作用系统的振动机理。结合实桥的动力研究，建立风荷载作用下的列车和大跨度桥梁系统动力相互作用分析模型，研究桥梁在脉动风荷载和列车荷载同时作用下的振动特性，以及桥上列车受风荷载作用下运行的安全性和平稳性，从而得出风速、车速、桥型等多种因素对风-车-桥动力系统振动特性等影响的研究结论。主要研究内容如下。     

福厦高铁泉州湾跨海大桥主桥风-车-轨-桥耦合振动研究

为研究横风作用下泉州湾跨海大桥主桥的行车安全,基于风-车-轨-桥耦合振动分析方法,分析了横风作用下泉州湾跨海大桥主桥及桥上高速列车的动力响应,并根据既有规范评价标准,评价桥上列车的抗风安全性,提出了大风环境下桥上安全行车的风-车速阈值。结果表明：主梁跨中横、竖向动力响应随来流风速的增加而增大,尤其是主梁横向位移受来流风速的影响较为显著;列车动力响应随着车速的增加而增大,而高风速环境会放大车速对列车行车安全性的影响;与单线行车相比,双线列车作用主要影响桥梁的竖向位移,设计时速下约为单线作用的1.60～1.94倍,而车辆动力响应的变化较小;为保证桥上列车运行安全,当风速>20 m/s时,桥上行车需要限制速度,其中当风速<30 m/s时,建议关闭交通。     

大跨度山区桥梁风特性数值模拟及试验研究

以在建的贵州瓮马铁路北延伸线工程湘江特大桥为例,研究山区峡谷复杂地形下桥位处的风特性并指导桥梁抗风设计。采用逆向工程软件Imageware,使用曲面拟合的方式将高程数据转换成桥位附近直径8 km的地形曲面用于数值模拟和风洞试验分析。为解决模型边界的“人为峭壁”问题,通过采用改进的边界过渡段来减小地形模型中“人为峭壁”对山区桥位处风特性的影响。基于CFD数值模拟,通过改变速度入口边界位置来实现8种不同来流风偏角,研究桥轴线方向和风剖面监测点位置处的风特性。对有过渡段和无过渡段的地形模型开展风洞试验,研究横桥向风速、风剖面、风攻角以及桥梁总长1/4跨、1/2跨、3/4跨风剖面等风特性参数。研究结果表明：1)根据抗风规范确定的主梁设计基准风速较CFD方法确定的结果偏小;2)主梁高度处横桥向风速与来流入口基本风速相比,数值模拟和模型试验结果增幅分别为28%和10%;3)采用最优过渡段可使来流风速降低程度较无过渡段时小且风速保持较好;4)无过渡段时,“人工悬崖”会降低主梁高度处的横桥向风速。大跨度山区峡谷桥梁风特性数值模拟及试验研究得到了一些重要参数和变化规律,研究成果可为类似桥梁的设计研究提供...     

城际铁路桥上纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数研究

为研究城际铁路纵向承台式无砟轨道扣件系统关键参数取值,基于车辆-轨道耦合动力学理论,建立客车-无砟轨道-桥梁耦合动力学模型,分析扣件刚度、扣件间距对桥上无砟轨道系统动力响应的影响规律,并基于层次分析法,对桥上无砟轨道系统动力特性进行综合评价。结果表明:随着扣件系统刚度增大,钢轨垂向位移减小,车体振动加速度、轮轨垂向力、轮重减载率和桥梁振动加速度均增大;随着扣件间距的增大,轮轨垂向力减小,车体振动加速度、轮重减载率、钢轨垂向位移和桥梁振动加速度均增大;综合考虑轨道变形以及工程造价,建议扣件系统刚度为50～80 kN/mm,扣件间距为0.6～0.7 m。     

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。