強風場中高速鐵路橋梁列車運行安全分析及防風措施研究.pdf

1、風災是影響鐵路運營安全的主要自然災害之一，尤其是我國西北地區(qū)，鐵路經(jīng)過幾大風區(qū)，時常發(fā)生列車停駛或傾覆事故，是我國乃至世界上鐵路風災最嚴重的地區(qū)。
　　建于大風區(qū)的橋梁，受到風力的激擾會產(chǎn)生強烈的振動，同時，高速運行的列車在強勁的橫向風壓作用下，在橋上脫軌、傾覆的可能性大大增加。因此，對風荷載作用下車輛與橋梁耦合振動系統(tǒng)進行綜合研究，并采取防風措施以確保列車在橋上的運行安全性，對于風區(qū)鐵路橋梁和防風措施的設計建造具有重要的理論和工

2、程意義。本文以在建的蘭新鐵路第二雙線為研究背景，旨在建立一種合理的分析框架，對風荷載作用下車輛與橋梁耦合系統(tǒng)的振動響應做出估計，以便評價橋梁的動力性能和橋上高速列車的走行性能。同時對提高列車運行安全的防風結(jié)構(gòu)進行研究，使橋梁在強風發(fā)生時盡量少甚至不限制行車。全文的主要內(nèi)容及成果如下:
　　(1)通過對國內(nèi)外風致列車事故進行綜述，闡明了風場中防護列車安全的重要性。然后對車橋耦合振動、風致橋梁振動、風場中車橋系統(tǒng)振動分析以及風場中列車

3、運行安全性和防風措施的研究現(xiàn)狀進行了歸納總結(jié)，明確了現(xiàn)階段風—車—橋系統(tǒng)動力分析和防風措施研究的熱點問題，在繼承前人工作的基礎上確定了本文的研究內(nèi)容及主要方法。
　　(2)對橋址區(qū)的風場特性進行了分析，并采用改進的數(shù)值方法模擬了橋址區(qū)脈動風速時程曲線。分析了風場的平均風特性和脈動風特性以及地形、地貌對風特性的影響，著重分析了大風區(qū)興建的蘭新鐵路第二雙線上橋梁所處的風環(huán)境，戈壁地區(qū)的風沙流特性及其對防風屏障的影響。詳述了隨機脈動風場

4、的數(shù)值模擬計算公式，并以白楊河連續(xù)梁橋橋面及橋墩各點風速模擬為例加以實現(xiàn)。
　　(3)對防風屏障進行了初步選型并分析了防風屏障對車橋系統(tǒng)氣動性能的影響。根據(jù)計算流體力學(CFD)的相關原理，選擇合適的湍流模型對氣流經(jīng)過防風屏障這一空氣動力學問題進行數(shù)值模擬，針對幾種防風屏障的設計方案，分析了不同設計參數(shù)（包括開孔率、高度等）的防風屏障對風速的影響規(guī)律，對橋上防風屏障的防風效果及有效防護區(qū)域進行定量分析，初步探討防風屏障的合理形式和

5、主要設計參數(shù)的合理取值。任何形式的防風屏障，都會對橋面風場產(chǎn)生影響，加強紊流效應，使橋梁結(jié)構(gòu)周圍風場更加復雜，當列車駛過時作用于列車上的風荷載與沒有設置防風屏障時有明顯區(qū)別，尤其是在列車的背風側(cè)。
　　(4)建立了考慮橋上安裝防風屏障時風荷載作用下車橋系統(tǒng)動力相互作用分析模型，編制了相應的計算分析程序。針對橋上安裝不同類型風屏障的情況，考慮風—車—橋—風屏障系統(tǒng)的動力相互作用，計算了強風與列車共同作用下橋梁和列車的動力響應及行車安

6、全性指標，相較于無風屏障時，差異明顯。以蘭新鐵路第二雙線上的10跨簡支箱梁橋為例，分為無風屏障、全段安裝單側(cè)4m風屏障、單側(cè)7m風屏障及雙側(cè)7m風屏障四種情形，計算分析不同風速、不同車速條件下的車橋動力響應。
　　(5)推導了列車進出防風屏障時車體上的風荷載變化計算公式，討論了風載突變對列車運行安全的影響;并且計算了列車運行引起的風屏障上的氣動脈沖力，將其作用于風屏障進行時程分析，得到風屏障的動力響應，同時考慮了外部自然風的作用。

7、以蘭新鐵路第二雙線上的10跨簡支箱梁橋為例，在橋上200 m區(qū)段安裝單側(cè)4m風屏障、單側(cè)7m風屏障和雙側(cè)7m風屏障與無風屏障及全段安裝同樣風屏障時車輛的動力響應及行車安全性指標進行對比;計算了單側(cè)4m風屏障在自然風荷載、氣動脈沖力荷載以及二者組合時關鍵節(jié)點的動力響應。
　　(6)基于自編的計算分析程序，計算了蘭新鐵路第二雙線上常用跨度簡支箱梁橋、簡支T梁橋、簡支槽梁橋以及白楊河連續(xù)梁橋列車運行時車輛、橋梁的動力響應，考慮橋上全段安