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。     

防风明洞预制构件接缝连接方式

兰新铁路第二双线百里风区、三十里风区核心区的浅路堑及路堤地段设置防风明洞,其结构形式采用分片预制构件。结合防风明洞荷载和结构特点,介绍预制构件接缝的刚性连接、螺栓连接和钢结构连接后浇筑混凝土的刚性连接,并从使用性能和安全、结构受力和投资、施工方面分析连接方式的优缺点,推荐采用浇筑混凝土的刚性连接方式,根据施工需要也可采用预制构件中预埋钢板与型钢临时连接方式。     

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。     

兰新线百里风区不同型式挡风墙防风效果评估

兰新线百里风区是世界上内陆风速最高、铁路风灾最为严重的地区之一,挡风墙是百里风区的主要防风设施。根据现场实车运行试验、挡风墙空气动力学地面试验、数值计算结果,分析和评估百里风区各种型式的挡风墙以及挡风墙各种过渡段的防风效果,指出既有挡风墙工程的薄弱环节,为今后防风工程补强设计提供依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

兰新铁路既有防风设施薄弱地段的分析及改造

结合兰新铁路“百里风区”既有挡风墙和其他防风设施,通过数值计算、列车空气动力学实车试验、车辆动力学试验和挡风墙前后风速分布现场试验等,分析在既有防风设施和大风条件下的列车气动性能与速度分布,找出既有防风设施的薄弱环节,提出对土堤式挡风墙、不同形式挡风墙及挡风墙与路堑过渡段、矮路堑的优化方案和改造措施.建议按危险程度分批次逐步实施改造,在补强改造设计时勘察现场,反复论证补强方案的安全性和可行性.     

某特长水下隧道气动效应试验研究

采用CRH2-061C动车组,以180～320km.h-1速度往返运行,对某特长水下隧道下行线进行气动效应试验研究。研究结果表明:隧道内瞬变压力、列车风、气动载荷和隧道洞口微气压波值均随着车速的增加而增加,车厢内舒适度随着车速的增加而减少;隧道南口的微气压波值、首波压力梯度均小于北口,这主要是由于南、北口的缓冲结构型式存在差异;隧道内附属设施受到的气动荷载、车内气压3s变化值均在相关标准的要求值之内;车速大于250km.h-1时,乘员有耳鸣和不舒适感。根据研究结果提出如下建议:CRH2-061C动车组通过该隧道的合理速度为260km.h-1;开启隧道内联络通道或布置吸能材料以衰减压力波的传播能量;研究制订复合型舒适度控制标准。     

高速列车隧道内等速交会对车辆动力学性能的影响

基于风压载荷空气动力学控制方程,利用计算流体力学软件FLUENT,分析高速列车在不同线间距隧道内,以不同速度级等速交会时的车体表面风压和受到的气动力;将隧道内交会时受到的气动力以时程荷载的形式施加到车辆动力学模型中,分析其对各项车辆动力学性能的影响规律,并进行安全性和平稳性指标分析。结果表明:列车在隧道内等速交会时,头车所受的气动阻力、升力、横向力最大;高速列车表面所受的风压极值与速度的2.2~2.3次方成正比,所受的气动阻力、升力、横向力与速度的1.8~2.4次方成正比;隧道内高速交会对车辆安全性指标影响不大,仅在交会瞬间产生较大的车体横向振动,当运行速度达到400km·h^-1时各项安全性、舒适性指标均满足限值要求。     

铁路沿线太阳能电池板及支架立柱的抗风性能

以西成(西安—成都)高速铁路沿线立柱式太阳能电池板支架立柱的布设为背景,通过数值计算、风洞试验及有限元分析研究其抗风性能。为避免结构共振,须获得高速列车脉动风压的振动特性,通过刚性模型测力试验获取了结构最不利风偏角,试验结果可作为调整结构布设方向的依据。铁路沿线结构抗风设计须考虑自然风荷载和列车脉动风荷载的综合作用。本文提出了一种验算铁路沿线结构抗风安全性的方法:基于数值计算得到结构受列车风荷载作用下的极限风压,以此反算结构所受极限风荷载,并利用风洞试验及有限元计算方法计算结构应力。     

高速列车受电弓低速风洞试验技术

研究目的:为了研究高速列车受电弓头动态接触压力特性和整弓气动阻力,在中国航天空气动力技术研究院FD-09低速风洞进行试验。试验的目的是为受电弓架结构优化设计和实际使用提供科学依据。研究方法:试验方法是相对气流方向,受电弓位置分顺弓(闭口)和逆弓(开口),弓头高度分别有900 mm、1 300 mm和2 300 mm。试验风速范围从100 km/h到280 km/h,间隔为20 km/h。研究结果:试验结果表明,两种弓架气动阻力存在很大差异,因此,弓的气动力特性改进还有很大潜力。     

铁路沿线地表条件与风沙流场的互馈规律研究

为研究铁路沿线不同地表条件与挡沙墙周围风沙流场的互馈规律及挡沙墙挡风沙的功效,基于数值模拟及风洞实验,对不同地表粗糙度下的风沙流场进行数值分析,揭示地表粗糙度对流场表征量诸如风速、积沙形态的影响规律。结果表明:不同粗糙度下挡沙墙周围速度均形成减速区、涡流区与加速区,其中,加速区受粗糙度影响较大;粗糙度越大对近地表(1 m以下)速度削弱越大,但在1 m以上风速受其影响减弱;不同粗糙度下挡沙墙周围积沙分布不同,粗糙度越大,迎风侧积沙位移越长,风沙流饱和路径越小;随风速的增大,4类粗糙度下的积沙长度都表现为迎风侧减少,背风侧增多。     

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。     

接触网参数对接触网风致响应的影响及风洞试验验证

大风作用会使接触网发生更大更复杂的振动与风偏,为给大风区接触网的防风设计提供科学依据,采用有限元计算与风洞试验相结合的方法进行研究。利用ANSYS软件建立包括支撑结构和悬挂部分的有限元耦合模型;采用谐波合成法(WAWS)模拟针对接触网结构特点的脉动风场;通过计算不同接触网参数组合方案在风荷载下的风致响应位移,定量分析得出悬挂类型、张力组合、跨距对接触网风致响应的影响。接触网气动弹性风洞试验结果表明,接触网参数对风致响应的影响的研究结果正确。研究成果应用于兰新铁路第二双线大风区接触网系统方案设计和技术参数选择,并作为主要理论支撑之一,形成了首个国内外铁路电化行业的风区接触网装备技术条件。     

高速列车过隧道时对接触网安全性的影响分析

为研究高速列车过隧道时对接触网系统安全性的影响,采用数值模拟的方法,利用滑移网格技术,对不同编组的高速列车以350 km/h的速度分别通过单线隧道和双线隧道的过程进行仿真,通过监测吊柱位置处的气流速度和气体压力,得到隧道内活塞风特性;基于气动特性仿真结果,对接触线风振响应进行模拟仿真,得到隧道内接触线位移偏量范围。结果表明,列车编组越多,隧道断面越小,列车车速越大,形成的列车风速度越大,气动特性越显著;列车进入隧道入口瞬间,接触线有最大正向位移偏量为2.92 mm。     

高速磁浮单线隧道车体压力载荷特征

高速磁浮列车通过隧道过程中将引起剧烈的压力波动,造成司乘人员耳感舒适性、车体及其零部件、隧道衬砌及辅助设施的气动疲劳寿命问题,有必要对磁浮列车高速通过隧道时压力波效应进行研究。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单列车通过隧道时车体压力载荷进行数值模拟研究,初步揭示隧道长度、列车速度、阻塞比对车外压力波的影响规律;得出时速500~600 km/h速度下基于最大正负值和最大压力峰峰值的最不利隧道长度;论证了列车通过隧道产生的压力波幅值与列车速度平方成正比的适用范围,总结了压力最值与速度的拟合关系式。本文研究方法和结果可为车体设计选用气动载荷提供参考依据。     

锯齿形雨棚屋面风荷载体型系数取值探讨

研究目的:开敞式锯齿形雨棚屋面风荷载体型系数的取值目前没有可供设计使用的规范条文,现阶段一般是进行风洞试验,由风洞试验结果得到相关的体型系数。本文结合苏州站、南京南站无站台柱雨棚风洞试验,研究开敞式锯齿形雨棚屋面风荷载体型系数的分布规律,并与封闭式锯齿形屋面进行对比,为锯齿形屋面结构计算提供科学依据。研究结论:(1)开敞式锯齿形雨棚屋面,其风压体型系数均不大,大部分在0.3左右或小于0.3;(2)风吸体型系数除极小范围的边缘区域达到-1.6外,大部分在-0.3～-0.6之间,与《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)封闭式锯齿形屋面较为接近。