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。     

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。     

侧风下挡风墙对CRH2列车一简支梁桥气动性能的影响

以CRH2列车、京沪高铁上32m简支梁桥为研究对象,采用商业计算流体力学软件Fluent,基于三维、定常N—S方程和Realizablek-ε湍流模型,进行侧风作用下挡风墙对车桥系统气动性能影响的数值模拟计算。通过雷诺数、挡风墙等价透风率、挡风墙高度、透风率及风偏角的改变,对车桥气动性能进行研究。计算结果表明：雷诺数对列车气动性能有一定影响。挡风墙高度的增加会使作用于桥梁上的侧力和力矩系数增大,升力系数则变化不明显。在等价透风率挡风墙下栏杆数量多的挡风墙挡风效果优于栏杆数量少的挡风墙。挡风墙高度并非越高越好,而是有一个合理的高度范围。在同一高度挡风墙下,列车气动力系数随着透风率的增大而增大。风偏角对列车气动性能影响的规律基本一致。     

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。     

开孔中隔墙对特长隧道内压力波动的影响研究

采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法对时速300 km的CRH2G高速列车通过10 km特长隧道时诱发的压力波动进行数值模拟研究。考虑到高速铁路隧道断面及中隔墙开孔尺度的特点,采用薄壁孔口出流模型模拟隔墙开孔处的流动。与国外实验结果对比显示,本文数学模型及计算结果能有效模拟设置开孔中隔墙的铁路隧道内的压力波动。初步揭示了开孔面积、开孔间距及开孔方式等对列车及2列车对向通过时设置开孔中隔墙的隧道内压力波动及峰值的影响规律。本文研究方法和结果可为特长铁路隧道内中隔墙开孔设置方式提供数据支持。     

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。     

戈壁强风区挡风构筑物限制下列车气动力学特性分析

基于数值模拟分析结论,揭示了在风速为35.1 m/s条件下,2种不同既有挡风构筑物结构形式限制下的列车气动力学特性规律。首先计算得到平坦地表列车所受侧向压力为3 645 N,倾覆力矩为7 900 N.m;路基高度为4.0 m时,侧向压力为7 978 N,倾覆力矩分别为17 820N.m;在平坦地表上设置土堤式挡风墙后,侧向压力与倾覆力矩分别减小45%、36%,设置对拉式挡风墙后,侧向压力与倾覆力矩绝对值分别减小94%和96%;当路基高度为4.0 m时,设置对拉式挡风墙后,压力与倾覆力矩绝对值均减小94%。分析表明,在平坦地表上对拉式挡风墙的防护效果好于土堤式挡风墙,得出各种既有挡风构筑物墙后列车的气动力学特性参数指标,为既有挡风构筑物的优化以及后建工程措施提供参考。     

广佛江珠铁路劳劳溪水道主桥设计研究

广佛江珠城际铁路劳劳溪水道主桥跨越通航水域,采用孔跨布置为(110+204+110)m的连续梁-钢桁组合结构。主梁采用变高度单箱双室预应力混凝土箱梁;中跨混凝土梁部设置加劲桁,与主梁采用外接式节点连接,节点板一半外露,采用高强度螺栓与腹杆连接,节点板另一半伸入主梁,采用PBL键与混凝土连接。采用有限元法建立全桥模型,确定加劲桁设置范围及桁高,研究加劲桁对结构刚度和内力的影响,并分析主桥静力、动力特性。结果表明:加劲桁高12 m,宽11 m,长168 m;连续梁-钢桁组合结构受力合理,通过设置加劲桁提高了桥梁竖向刚度、改善了梁端转角;该结构可有效降低结构建筑高度,满足机场限高要求,具有优良的动力性能和可靠的稳定性,各项设计计算值均满足规范和列车高速运行对桥梁设计的要求。     

大轴重列车作用下桥梁结构的动力响应研究

研究目的:为研究大轴重列车作用下桥梁结构的动力响应,本文以30 t大轴重列车和重载铁路线上常用跨度32 m预应力混凝土简支T梁为研究对象,结合现场实测数据,基于多体动力学理论和有限元法建立大轴重列车-轨道-桥梁三维耦合精细化有限元模型,并验证有限元模型的准确性。通过计算大轴重列车作用下桥梁结构的动力响应,分析大轴重列车编组长度、列车轴重、列车运行速度以及桥墩高度等因素对桥梁结构动力响应的影响规律。研究结论:(1)当列车编组数达到6节以后,列车编组数增加仅影响桥梁结构的动力响应持续时间,不会对桥梁结构的动力响应峰值产生影响,在计算长大编组列车通过中小跨度桥梁时可简化为6节编组进行计算;(2)桥梁结构的动力响应与重载列车的轴重有较明显的相关性,桥梁跨中竖向位移和跨中横向位移均随着列车轴重的提高而增加,增幅呈近似线性增加的趋势;桥梁跨中竖向加速度和跨中横向加速度均随着列车轴重的提高而逐渐增加,且增幅越来越大;(3)桥梁结构的动力响应均随着列车运行速度的提高而增加,跨中加速度响应随列车运行速度的提高增幅比跨中位移响应增幅大;(4)桥梁墩高的变化对桥梁结构的竖向动力响应影响较小,而对横向动力响应影响较大;(5)本研究成果可为重载铁路桥梁的设计和既有线铁路桥梁强化改造提供参考。     

高速铁路大风地区挡风结构破坏性试验研究

为研究由挡风立柱和挡风板组成的挡风结构在大风作用下的破坏情况,在现场用混凝土浇筑1∶1挡风结构模型,并对其进行静力加载试验,进而对挡风结构的裂缝发展规律和混凝土应力、钢筋应力、承载力等基本受力性能展开研究。试验结果表明,最大破坏荷载随挡风立柱高度的增加而减小,挡风立柱高度为3.5 m时承受的破坏荷载最大;长厚比越大挡风板所承受的最大破坏荷载越大,挡风板厚度为0.15 m时承受的破坏荷载最大;选用立柱高3.5 m、挡风板厚0.15 m的组合结构满足使用与安全要求,有较大的安全储备。     

高速列车通过连通开孔隧道的气动特性数值仿真研究

为了减缓高速列车通过隧道引起的压力波动,研究了联络通道对高速列车通过隧道时压力波特性的影响.建立了3节编组高速列车数值仿真计算模型,基于三维非定常可压缩Navier-Stokes方程,以及k-ε方程湍流模型和滑移网格技术,数值模拟了高速列车通过联络通道时隧道的气动特性,研究了设置联络通道对隧道压力波的影响及不同的通道间距对隧道压力波动的影响.研究结果表明:与无联络通道隧道相比,列车通过连通开孔隧道的气动特性得到明显改善;通道对初始压力上升、下降的抑制效果更为明显,对膨胀波的抑制作用更为突出.联络通道的设置使隧道压力波的波形呈现局部锯齿状.     

考虑列车-轨道-桥梁/声屏障相互作用的高速铁路半封闭式声屏障动力响应分析

为分析列车通过时桥上半封闭式声屏障的动力响应,采用Midas建立了桥梁和声屏障的有限元模型,分析结构的自振特性。基于车辆-轨道-桥梁动态相互作用原理,建立列车-轨道-桥梁/声屏障动态相互作用模型,对列车过桥时的安全性与舒适性进行数值计算,研究半封闭式声屏障的动力响应特点。结果表明:在桥上设置半封闭式声屏障后,桥梁和声屏障整体结构的刚度有所变化;列车以不大于220 km/h的速度过桥时,车辆的安全性指标均合格,车辆的平稳性指标为优秀,桥梁的动力响应指标满足规范要求;桥梁与声屏障连接处的边界条件对声屏障动力响应的影响显著。     

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％.     

地铁入口处缓冲结构对车体压力的影响研究

为了将地铁瞬变压力的波动控制在人体舒适度范围内,根据三维不可压缩Navier-Stokes方程和标准k-ε紊流模型,以22.73 m2的地铁区间矩形隧道为研究对象,建立隧道-列车-空气数值模型,分析地铁隧道中列车特征部位压力和压力梯度的变化规律和影响因素。研究结果表明：列车运行速度超过100 km/h后,有必要在地铁入口处设置缓冲结构;缓冲结构降低压力最大值的效果并不显著,但降低压力梯度最大值的效果显著;喇叭型缓冲结构是优选的地铁入口降压措施;缓冲结构的最佳长度为2倍隧道水力直径;缓冲结构的横断面积越大,其降压效果越好;缓冲结构的最佳开孔率为30%左右。     

开孔缓冲结构条件下的隧道单车压力波特征数值分析

在假定隧道内空气流通截面是时间和流动距离的二元函数条件下,根据一维可压缩非定常不等熵流动理论与广义黎曼变量特征线法,发展了高速列车通过设置开孔缓冲结构隧道的单车压力波计算方法,并进行开孔缓冲结构不同参数对初始压缩波强度和压力梯度的分析计算,揭示了开孔缓冲结构的空气动力学特征,对探讨减缓洞口微压波提供了一种分析方法。     

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。     

30t轴重荷载作用下桥上曲线动力响应影响范围

研究目的:结合我国近年来重载铁路设计情况,针对大轴重条件下桥上曲线设置实际,通过建立钢轨、轨枕、道床及桥梁多层体系有限元模型,理论上探讨800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下线路结构动力性能,分析列车荷载作用下线桥动力响应影响范围问题,以供我国重载铁路线路设计参考。研究结论:(1)800 m半径曲线地段30 t轴重列车荷载作用下桥上曲线线路结构动力性能指标满足规范标准要求,桥梁及线路设计方案合理;(2)重载列车行经桥上曲线地段时,离心力及轴重作用引起的线路结构动力响应影响到列车运行位置相邻桥梁一跨范围(32 m);(3)列车编组大于4节后,编组数增加仅影响线路结构动力响应持续时间,不会对动力响应峰值产生影响;(4)本研究成果对重载铁路桥上曲线设计具有参考意义。     

某地铁车辆空调送风道出风性能仿真优化及分析

运用计算流体力学方法,通过仿真模型对某地铁车辆送风道出风均匀性进行检验与优化,得出在较小风道阻力下较为合理的静压挡板高度、位置及尺寸.研究发现,添加不同形式的挡风板可改变风道送风前端出风量,进而优化出风均匀性.主风道模型的阻力调节板高度为90 mm且距出风口边缘30 mm时,出风均匀性较好;扁风道模型的开孔挡板高度40 mm且距出风口边缘15 mm;考虑到扁风道末端渐缩段的影响,添加了 3块高度分别为40 mm、30 mm、20 mm的末端挡板,可改善出风口出风量中部位置小、末端大的状况,使扁风道出风口的出风量趋于均匀.     

铁路曲线箱梁桥曲率对车桥系统振动响应的影响分析

以洛湛铁路通道益阳至永州段宝庆东路立交桥为工程背景,采用曲线桥梁列车—桥梁时变系统空间振动分析模型,在该模型中车辆表示为26个自由度的多刚体系统模型,桥梁结构则离散成空间曲梁单元,进行曲线箱梁桥列车—桥梁时变系统空间振动响应分析。采用计算机模拟方法,计算了列车以不同车速通过不同曲率的曲线箱梁桥的空间振动响应,探讨曲线梁桥曲率对车桥系统振动响应动力学性能指标诸如桥梁的横向位移、车辆的Sperlin平稳性指标、脱轨系数、轮重减载率等的影响规律。计算结果表明:车桥系统振动响应与曲线半径有关;随着车速的提高,列车运行时对曲线桥梁的曲率设置更为敏感;建议列车通过洛湛铁路通道益阳至永州段宝庆东路立交桥时,行车速度以不超过110km·h-1为宜。