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。     

兰新高速铁路风区桥上挡风结构合理参数研究

兰新高速铁路通过风区长度约540 km。为保证强横向风下列车运行的安全,桥梁上需设置挡风结构。本文通过风洞数值模拟,对设置挡风结构后的桥梁及列车,开展二维模型及三维动车模型CFD(Computational Fluid Dynamics)计算,研究挡风结构设置形式、高度、开孔率对列车气动参数的影响规律。依据研究结果建议桥梁挡风结构最佳高度为4 m,开孔率为20%。     

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。     

风区高速铁路路基沙害防治研究与设计

研究目的:兰新第二双线通过的烟墩风区及百里风区,风速高,风沙流对高速铁路的危害严重,为有效的避免或减少沙害对无砟轨道铁路路基的危害,研究强风形成机理、风沙流活动规律、风沙两相流的特点,建立风区路基防沙对策技术体系,研究成果应用于本线的防沙设计与施工。研究结论:通过现场实测、室内试验、风洞试验以及数值分析等,研究戈壁风沙流的运动特征,得出:(1)主导风向与挡沙墙垂直时,防沙效果最佳,当挡沙墙与主导风向夹角逐渐变小时,挡沙墙的导沙作用明显;(2)挡沙墙高度2 m、透风率40%时挡沙效果最佳;(3)采用高立式挡沙墙阻沙,石方格沙障固沙的措施适宜于本线的风沙防治;(4)防沙工程有效地减轻了沙害对列车运营的影响,对于列车全天侯运行提供了技术保障;(5)该研究成果可为戈壁强风区风沙防治提供参考,为相关规范的修订提供理论技术支持。     

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。     

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。     

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。     

高速铁路分片式槽形梁设计研究

综合考虑铁路建筑限界、桥面横向布置、戈壁大风区桥梁施工条件、列车运营安全等因素,兰新高速铁路百里风区桥梁采用了并置16 m分片式槽形梁的设计方案。通过纵向整体杆系结构及空间三维实体有限元整体性分析,研究槽形梁的空间受力特性;通过风-车-桥耦合动力模型计算,分析槽形梁上高速列车运行安全性及平稳性。结果表明:槽形梁纵向按照全预应力构件设计、横向按照钢筋混凝土结构设计的理念可行;通过合理布置钢筋能够有效满足U形梁的抗扭承载能力;桥梁的振动性能良好,具有足够的竖向和横向刚度,能够满足高速铁路桥梁250 km/h运行时的安全性和舒适性要求。     

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。     

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。     

日本高速铁路强风预警系统的发展

介绍了日本高速铁路强风预警系统的发展，对强风预警系统测风点布置及风速预测原理以及日本高速铁路的风管制及强风预警系统作了介绍。并结合我国地质特点提出了促进我国高速铁路强风预警系统发展及提高铁路运行安全的几点建议。     

时速350 km/h高速铁路客运专线防侧风问题的研究

强风对列车的作用力可导致高速列车翻车,武广铁路途径的区域有一大部分是东南沿海,为热带风暴的多发地区,所面临侧风危险较大,故防侧风问题成为武广高速铁路建设中一个重要的课题。通过风速最危险区域的确定和防侧风的措施的研究,以期达到防止侧风对高速铁路列车行车的影响,以保证高速客车运行的安全和稳定。     

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。     

京张高铁八达岭隧道及地下站活塞风效应研究

为分析高铁隧道及地下车站活塞风效应,采用经三维CFD数值模拟验证后的一维数值模拟计算方法,建立京张高铁八达岭隧道及半高安全门地下车站通风网络模型,计算不同工况下进出站人行通道风速,并评估通道内人员安全性。结果表明:一维数值模拟方法能准确预测咽喉区气流分布及通道风速;列车正常运营产生的活塞风直接影响站内气流,进出站人行通道内风速最高可达8.3 m/s;风速最大负值出现在两个区间分别有列车往隧道外以最大速度行驶时,风速最大正值出现在两个区间分别有列车以最大速度进站并在车站附近会车时;单车越行和两车会车时,通道内最高风速分别可达4.6 m/s和7.6 m/s;通过人员安全性分析,得到本模拟计算的通道内最大风速8.3 m/s在安全范围内,只是部分人员感觉不舒适。研究结果可用于高铁地下站通风系统的安全和舒适设计。     

我国高速铁路沿线强风区间的确定方法及风险评估

研究目的:高速铁路沿线强风区间的确定及风险评估,关系到安全防灾监测布点的科学性和采集瞬时风速和风向数据的代表性及可靠性,为行车指挥控制系统提供较为合理的限速指令信息,或为启动应急预案提供决策依据,从而达到安全、高效行车的目的。研究结论:高速铁路沿线任意里程距轨面4 m高处最大瞬时风速,2年一遇设计值V4_2max与10 mim平均最大风速和30年一遇设计值V4_30max其水平分布特征基本一致。提出以高速铁路沿线任意里程,距轨面4 m高处最大瞬时风速,2年一遇设计值V4_2max为强风区间的确定主控因素,对于强风主风向与线路走向之间夹角以及高路堤和高架桥、特大桥弯道强横风区间偏角<10°区域,必须进行逐步优化。利用基于最小二乘法的线性回归方程,对强风(阵风)系数进行计算后,发现方程的效果很好。从而验证了高速铁路沿线强风区间安全防灾系统布点原则优化的科学性,以及采集瞬时风速和风向数据的代表性及可靠性。为我国高速铁路强风区间布点方案优化和防风栅布设技术标准和规范的制定提供了科学依据。     

悬挂式单轨简支梁风车桥耦合动力分析

研究目的:悬挂式单轨梁梁部活恒载荷比大、宽跨比小,具有结构刚度小、阻尼比小等特点,易发生风致振动,从而影响悬挂式单轨列车乘坐舒适性、结构耐久性及安全性。本文采用ANSYS软件建立桥梁模型,在SIMPACK软件中建立车辆模型,对车辆和桥梁子系统施加静风力和脉动风力,建立风车桥耦合动力系统。以某悬挂式单轨双线7跨30 m简支梁方案为例,进行不同风速激励下双线列车交会的系统动力响应分析。研究结论:(1)采用通用软件可以开展悬挂式空轨风车桥耦合动力分析;(2)气动三分力系数在不同车桥组合下变化明显,横风对双车交会过程中背风侧车辆的风载突变效应强于迎风侧车辆;(3)梁部跨中横向位移在风速15 m/s到25 m/s区间随着风速的增大而增大,平均风对迎风侧轨道梁横向位移的影响比背风侧大;(4)双车交会过程中,迎风侧车辆横向加速度变化不明显,由于背风侧车辆三分力系数的显著变化,横向加速度在交会开始和结束时变化明显,风载突变效应显著;(5)本研究成果可为悬挂式单轨交通系统的结构设计与运输管理提供参考。     

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。