高速铁路棚护支架空气动力效应分析

张建民,陈宝良,李 达

(中国交通建设股份有限公司,江苏苏州 215122)

1 工程概况

沪宁城际铁路设计时速 300 km,虹桥上行线在里程 HQSDK2+607.653～HQSDK2+829.153处跨越既有沪宁铁路,该路段动车运营时速达到 250 km,在该处立交桥型布置为 57 m+100 m+63 m连续梁;原设计为挂篮施工,由于工期比较紧,后来改为现浇支架施工,施工安全风险高,是全线的重点工程,也是目前全国已知的跨越时速最高的再建既有线施工工程。当高速列车通过时会产生风吸效应,对支架造成影响,如何保证既有铁路正常运行,保证施工安全是面临的最大难题,所以对棚护支架的空气动力效应进行分析是保证施工安全必要前提,也是棚护支架设计的依据。在此项工程实施前没有成功的经验可以借鉴,我单位在沪宁城际铁路施工中经过理论研究和实践运用,成功地解决该问题,以下内容主要以沪宁城际虹桥上行单线特大桥施工为例加以阐述(图1、表1)。

图1 沪宁城际铁路与既有沪宁铁路平面位置关系

表1 沪宁城际虹桥上行单线特大桥与既有线关系

2 工程地质与气象条件

线路位于长江三角洲平原区,均为第四系地层覆盖,系江河、湖泊、海相沉积形成,为黏土、粉质黏土夹粉细砂层;夏季多雨,常受台风影响。

3 棚护支架结构简介

跨既有线中跨支架采用 φ1.2m钻孔灌注桩,高 1 m、宽 1.8 m条形基础,条形基础上预埋钢板,设置φ630 mm钢管桩,钢管桩之间采用[]25a型钢斜撑和[]25a双支型钢平联,钢管桩上部设置钢板牛腿,牛腿上部纵向铺设 I25a型钢纵梁,纵梁之间铺设单块宽 4 m、长 17 m防护棚架,质量 4.3 t,钢管桩顶纵向铺设3I40a型钢,上部跨线吊装双层贝雷梁,贝雷梁顶节点位置设置纵向 I20b型钢和横向 I20b型钢,上部采用碗扣式支架调整箱梁线形,上部纵向 I10型钢、横向 10 cm×10 cm方木(图2)。

图2 立面、平面布置(单位:cm)

边跨的支架基础采用 φ40 cm、间距 1.2 m的 CFG桩,上面采用两层扩大基础,基础上预埋件与钢管连接,钢管立柱采用 φ630 mm、δ10 mm螺旋钢管,钢管桩之间采用[]25a型钢斜撑和[]25a双支型钢平联,钢管桩顶纵向铺设 2I45b型钢,横向设置 H600×200型钢,型钢顶再设置纵向 I20b型钢和横向 I20b型钢,上部再采用碗扣式支架调整箱梁线形,上部纵向 I10型钢、横向 10 cm×10 cm方木,模板采用竹胶板完成箱梁浇筑。

4 高速列车通过棚户支架时空气动力效应分析

4.1 分析情况

情况 1:当支架空载时,火车经过产生风吸效应会对钢管桩底预埋件受力产生较为不利影响。

情况 2:高速列车通过时,列车的头部产生压力波,对棚户支架顶面可能会产生向上的较大推力,影响安全。

4.2 空气动力效应计算

基于问题 1,考虑计算简化,采用了如图3所示的高速列车模型几何参数。出发点是为了计算支架底部所受风力的大小或者分布。

图3 高速列车模型几何参数示意(单位:mm)

4.2.1 棚户支架

既有沪宁铁路上行中心线到棚户支架中心连线的距离为 6.0m;既有沪宁铁路上行中心线到铁路护栏的距离为 4.7 m。铁路护栏和临时施工的棚户支架与路轨平行,设定联合作用的计算尺寸为 H×W×L=5.0m×3.0 m×6.0 m。

既有沪宁铁路两侧安装的实际支架长达 106 m,由于顶部做了防护层,高速列车通过时会产生一定程度的“活塞效应”。

当高速列车通过棚户支架时产生的风致效应,是指列车高速运行引发的列车与建筑物之间湍流、绕流流动产生的压力,这一问题十分复杂,归为非定常(Unsteady Flow)具有相对移动边界的湍流、绕流(Turbulent Flow)问题。后面的计算结论中产生的负压即为前面的报告中提到的“火车通过时的风吸效应”。当建筑物距离列车较近,而列车速度较高时,这种绕流对建筑物有很大的甚至是破坏性影响。

我单位聘请有专业资质的西南交通大学土木学院桥梁系基于非定常湍流、绕流理论的空气动力仿真计算(具体计算过程不再描述)结果总结出了如下的结论。

4.2.2 有关计算结论

(1)压力系数随着建筑物内侧面与轨道中心距离d而变化

图4列出了建筑物内侧面与轨道中心距离 d=6.0m和 d=4.7 m下两种情况,列车驶向建筑物时建筑物内侧面中心点的压力系数变化值。可以看出,当列车刚刚驶向建筑物时,压力系数逐步增加;当列车头部到达中心点时,压力系数达到最大值;列车头部驶过中心点后,压力系数很快降至最底点,然后逐步回升,仍保持负压;当列车尾部驶过中心点时,压力系数有明显下降,然后逐步回升至零附近。两者的规律一致,但当列车轨道中心与建筑物内侧面的距离增大至 6.0 m时,压力系数极值有明显下降。压力系数定义:Cp=(Pi-P∞)/q∞,其中 Pi为测点压力,P∞为无穷远处来流静压,这里指当地大气压;q∞为无穷远处来流动压,q∞=ρ,ρ为当地大气密度,V∞为来流速度,这里指列车运行速度。

图4 内侧面中心点压力系数变化

(2)建筑物不同侧面压力系数的变化

考察的计算尺度范围内,建筑物的内侧面、外侧面、迎风面、背风面中心点的压力系数变化。从图5中可以看出,列车驶向建筑物时,迎风面和内侧面:压力系数逐步增加,当列车头部到达迎风面和内侧面中点时,两中心点压力系数分别达到最大值,迎风面的正压峰值较大,内侧面较小。列车头部驶过迎风面和内侧面后,两点压力系数很快降至最底点,内侧面负压峰值较大,迎风面较小,接着迎风面和内侧面压力逐步回升,内侧面仍保持负压,而迎风面升至正压,但量级较小。外侧面和背风面:当列车头部到达时,外侧面和背风面两中心点压力系数降至最低点。列车头部驶过时,压力系数逐步回升,并保持负压。当列车尾部驶过中心点时,压力系数都有下降,然后逐步回升至零附近。

图5 建筑物四个侧面中心点压力系数变化

(3)内侧面的面荷载随轨心距离的改变变化值

若设垂直于内侧面的面荷载 Ph,图6则显示了在速度分别为 v=160km/h和v=250 km/h两种工况下,改变轨心与建筑物内侧面间距时,内侧面的面荷载 Ph的变化图。由图7可看出,随着间距的增加,面荷载以较快的速度降低。

图6 水平方向垂直于内侧面的面荷载随间距改变变化

(4)棚户支架所受的空气压力

具体到既有沪宁铁路线上的棚户支架,当单独一列列车通过,铁路护栏无遮时,棚户支架的内侧面直接受力。拟定列车速度 v=250km/h,轨心到支架内侧面间距大约为 6.5m时,列车头部驶过内侧面后,该点压力系数很快降至最底点,内侧面负压峰值较大。由图6可以基本得到支架内侧面的面荷载 Ph约为 236 N/m2。这一荷载已经降为峰值面压力荷载的大约 24%。若考虑铁路护栏对支架面的遮挡,那么支架所受的峰值面压力荷载将更小。也即火车经过时产生的风吸效应由于受铁路护栏的第一层防护,直接对钢管桩支架的影响减小。

4.2.3 断面上空气压力监测点的变化趋势

根据现场实施的测点安排情况,图7是类似一座方形隧道口的立面图上某一断面安排了 K1～K11的分布的风场压力监测点,当列车从左侧高速进入棚户支架围起的空间区域时,其中列车长度为 110 m,列车速度为 250km/h(70 m/s),阻塞比为0.082 2,测点断面位于距离入口 55 m。经过现场精密仪器实测得到图8数据结果。

4.2.4 对支架顶棚的受力分析

图7 支架断面风场中压力监测点(单位:cm)

图8 同一断面各点处的最大压力变化

如果按支架顶棚断面各点处的最大压力值作用在顶棚上,可以对顶棚产生一定的影响,顶棚区间一半面积大小约 25 m2,当按照图8结果取最大的峰值压力1.34k Pa,产生的向上的推力为 33.5 kN,一半支架及模板等的重力是 53.73/2=26.86 kN,因此,简单搁置时高速列车通过时可能有一定的危害,但构造上顶棚在两端已经约束,足以承受向上的推力,应无虑。由于受铁路护栏的挡风作用,钢管桩支架底部直接受风力影响较小。支架顶棚当不增强约束时,高速列车通过时,通过施加约束,空载状态下应无恙。

5 结语

经过以上高速列车通过顶棚时空气动力效应分析,又结合现场施工情况以及实际测量的数据结果,防护棚架设计结构,即能满足上部钢筋混凝土结构施工受力需要,也能承受高速列车通过时产生的空气动力效应对支架顶棚造成的危害。棚架搭设完成以后的施工过程中,高速列车运行没有减速也未停运,成功地解决了既有铁路与新建铁路相互干扰、相互影响的问题,安全得到了有效保证,为以后相似跨既有铁路工程提供了宝贵的经验。

[1] 西南交通大学.高速列车通过棚户支架时空气动力效应计算分析[R].成都:2009.

[2] TB—10002.1—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[3] 铁办 2008—190,铁路营业线施工安全管理办法[S].

[4] 太原工学院.震动计算[M].北京:中国建筑工业出版社,1978.