风区挡风墙/屏影响下接触网设计风速计算研究

刘改红

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043)

接触网的设计风速是进行接触网设计计算的基本依据，包括结构设计风速和运行设计风速。结构设计风速用于支柱、硬横梁、吊柱及基础等的强度校核，运行设计风速用于风偏、跨距及支柱挠度的计算。接触网的设计风速取值的合适与否至关重要，直接影响接触网系统的安全可靠性及工程投资。

我国已编制完成不同标准铁路的设计规范，规定了接触网风速资料的标准条件(如地貌、高度、时距及重现期等)以及在非标准条件下风速的修正[1-3]，已见报导的诸论文也对非标准条件下的风速参数换算及接触网的设计风速取值进行了一定的研究[4-7]，但是均尚未涉及风区设置挡风墙/屏条件下接触网的设计风速计算方法。近年来铁路运营受大风的影响程度越加突出，为了保证列车的安全可靠运行，风区沿线按一定标准设置挡风墙/屏等挡风设施，如既有兰新线电气化改造及新建兰新铁路第二双线等。大风经过挡风墙/屏后，在墙/屏体上部形成增速区或减速区，挡风墙/屏的设置会直接影响接触网风偏设计风速和结构设计风速的取值[8]。

本论文研究了风区考虑挡风墙/屏影响下的接触网的设计风速计算方法，并以兰新第二双线百里风区为例进行了风区挡风墙/屏区段接触网设计风速的计算。

1 挡风墙/屏影响下结构设计风速计算方法

1.1 计算公式

根据《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)，结构基本风速应根据现行国家标准《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)，按50年一遇基本风压计算确定。计算结构设计风速时，应根据地区、地形、高度对相应基本风速进行修正使用，并保证接触网主要构件在结构设计风速下不被破坏。根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)，按基本风压的标准要求，将不同风速仪高度和时次时距的年最大风速，统一换算为离地10 m高，自动10 min平均年最大风速；垂直建筑物表面上的风荷载标准值，当计算主要承重结构时，按式(1)计算。

Wk=βzμsμzW0(1)

式中Wk——风荷载标准值，kN/m2；

βz——高度z处的风振系数；

μs——风荷载体型系数；

μz——风压高度变化系数；

W0——基本风压，kN/m2。

利用挡风墙/屏后结构设计风速计算用的风压变化系数(简称结构风压变化系数)考虑挡风墙/屏对结构设计风速的影响。挡风墙/屏影响下结构设计风速风压、结构设计风速修正方法分别见式(2)、式(3)。

Wk_jg=βzμzμdpqW0(2)

式中Wk_jg——挡风墙/屏影响下结构设计风速风压，kN/m2；

vk_jg——挡风墙/屏影响下的结构设计风速，m/s；

μdpq——挡风墙/屏后的结构风压变化系数，研究该系数的来风风速为离地10 m高的10 min平均风速。

目前在都兰县关于免耕播种技术的示范基地数量相对较少，基地规模小，建设过程中存在很多不规范之处，辐射效果较差，有些乡镇在示范基地建设过程中不能按照技术的技术规范要求开展合理的田间作业。在示范基地建设过程中，普遍存在重视前期机械播种应用，轻视后期田间管理；重视实践，轻视宣传；重视过程，轻视结果的现象。最终，导致了农田示范基地建设不规范，相关数据采集不合理，不能发挥其应有的示范带动作用。

μs在结构强度、刚度校验计算中考虑，而在风速修正时不予考虑。

1.2 参数取值

1.2.1 风振系数

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)，一般结构基本自振周期经验公式为T1=(0.007～0.013)H，钢结构取高值，H为结构的高度。接触网腕臂柱、硬横跨柱高度均在11 m以下，自振周期T1均小于0.25 s，可不考虑风荷载作用在结构上引起的动力放大，风振系数取值1。

1.2.2 风压高度变化系数

风压高度变化系数用来将路基、桥梁上的结构基本风速换算至距地面10 m高度处、桥面高度处。按线路路堤、桥梁高度分布及地表情况，根据《铁路电力牵引供电设计规范》(TB10009—2005)计算出路堤、桥梁的风压高度变化系数。

1.2.3 挡风墙/屏后的结构风压变化系数

由于接触线与承力索的高度不同，挡风墙/屏后接触线与承力索处的风速变化系数不同且差别较大，本研究采用支柱柱底弯矩等效法计算挡风墙/屏后的结构风速变化系数。计算过程为：首先，按结构基本风速与接触线处风速系数的乘积所得风速，计算接触线受风力及接触线高度以下的支柱受风力，按结构基本风速与承力索处风速系数的乘积所得风速，计算承力索受风力及接触线高度以上的支柱受风力，进而计算出支柱柱底弯矩；然后，由支柱柱底弯矩反推风速；最后，柱底弯矩反推风速与结构基本风速的比值为挡风墙/屏后的结构风速变化系数，风速系数的平方即为风压系数。

2 挡风墙/屏影响下运行设计风速计算方法

根据《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)，运行基本风速应按正常行车风速确定，计算运行设计风速时，应根据地区、地形、高度对相应基本风速进行修正使用。按风区挡风墙/屏区段的线路运营条件，在严禁列车进入风区风速即停轮风速的基础上，通过考虑高度因素及挡风墙/屏的影响作用，修正计算出接触网的运行设计风速。其中利用挡风墙/屏后运行设计风速计算用的风速变化系数(简称运行风速变化系数)考虑挡风墙/屏对运行设计风速的影响。

2.1 高度因素

2.2 挡风墙/屏后的运行风速变化系数

由于挡风墙/屏后接触线高度处与承力索高度处的风速系数差别较大，本研究采用风偏等效法计算挡风墙/屏后的运行风速系数。计算过程为：首先，按停轮风速与接触线处风速系数的乘积所得风速，计算接触线跨中风偏，按停轮风速与承力索处风速系数的乘积所得风速，计算承力索跨中风偏，采用风偏值的平均值计算法计算出接触网跨中风偏[9-10]；然后，由跨中风偏反推出风速；最后，风偏反推风速与停轮风速的比值，即为挡风墙/屏后的运行风速变化系数。

综上，挡风墙/屏影响下的运行设计风速的计算方法见式(4)。

vy=vtl·μdyx(4)

式中vy——挡风墙/屏影响下的运行设计风速，m/s；

vtl——停轮风速，m/s；

μdyx——挡风墙/屏后的运行风速变化系数，研究该系数的来风风速为距轨面4 m高度处的瞬时风速。

3 兰新第二双线百里风区接触网设计风速

3.1 挡风墙/屏后的风速系数

兰新第二双线沿线分布有安西、烟墩、百里、三十里及达坂城五大风区，总长580 km，占线路总长的33%。风区内风速高、极大风速超过60 m/s，且风期长，是目前铁路建设中受大风影响范围最大、程度最严重的铁路之一。为了保证列车的安全可靠运行，站前专业在路基、桥梁上按一定标准设置了挡风墙/屏等挡风结构。

基于兰新第二双线站前防风工程设计方案，对路基专业的路堤、平地、路堑3类形式下的各挡风墙高度共计15种工况和对桥梁专业的箱梁、T梁、槽梁3类梁型下的各挡风屏高度共计21种工况进行了风场参数的数值模拟计算及风洞试验研究，并结合实测结果，分析得出对于接触网结构设计及风偏计算的控制性工况及风场参数，作为接触网结构设计风速及风偏设计风速计算的风场参数的输入条件，挡风墙/屏后的结构风速变化系数、运行风速变化系数分别见表1、表2。

表1 挡风墙/屏后的结构风速变化系数

注：研究风速变化系数用来风为墙外距地面10 m处10 min平均风速。

表2 挡风墙/屏后的运行风速变化系数

注：研究风速变化系数用来风为墙外距轨面4 m处瞬时风速。

3.2 百里风区结构设计风速计算

考虑兰新第二双线地表多为平坦的戈壁滩，风压高度变化系数按A类地表考虑。经统计，兰新第二双线百里风区一般路堤高度5 m，最大路堤高度不大于10 m，均按10 m考虑；桥梁轨面至河沟底高度一般不大于30 m，40～50 m内1座。百里风区结构设计风速计算参数及结果见表3。在实际工程应用中，尚需综合路基、桥梁各里程段的结构设计风速计算值，分析总结出适用于全线的典型结构设计风速值。

表3 百里风区结构设计风速计算参数及结果

3.3 百里风区运行设计风速计算

兰新第二双线风区设计停轮风速为40 m/s，百里风区运行设计风速计算参数及结果见表4。在实际工程应用中，尚需综合路基、桥梁各里程段的运行设计风速计算值，分析总结出适用于全线的运行设计风速值。

表4 百里风区运行设计风速计算参数及结果

4 结论

针对风区铁路沿线设置的挡风墙/屏对风速的影响，本论文推导出了考虑挡风墙/屏影响作用的接触网结构设计风速的计算方法及公式、运行设计风速的计算方法及公式，并给出了计算公式中相关参数的取值方法。采用该方法，以兰新第二双线百里风区为例，计算了挡风墙/屏影响下各里程段接触网的结构设计风速值及运行设计风速值。

本研究综合、合理地在风区接触网的设计风速计算中考虑了挡风墙/屏对接触线、承力索不同高度处的风速变化的影响，可有效提高接触网系统设计的安全可靠性及控制工程投资。

[1] 中华人民共和国建设部.GB50009—2012 建筑结构荷载规范(试行)[S].北京：中国建筑工业出版社，2012．

[2] 中华人民共和国铁道部.TB10621—2009 高速铁路设计规范(试行)[S].北京：中国铁道出版社，2010．

[3] 中华人民共和国铁道部.TB10009—2005 铁路电力牵引供电设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[4] 韩佳栋.接触网设计风速取值研究[J].铁道标准设计，2010(S1)：150-153．

[5] 刘峰涛.接触网设计风速的取值[J].电气化铁道,2005(6)：28-31．

[6] 王玉环.兰新线嘉乌段接触网设计风速探讨[J].西铁科技，2009(1)：2-4.

[7] 霍中原，曾钦源.接触网设计中计算风速的取用[J].西铁科技，2004(3)：8-10.

[8] 田志军，电气化铁路接触网防风技术研究[J].建设机械技术与管理，2007(7)：101-103.

[9] 于万聚.高速电气化铁路接触网[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

[10] 中铁电气化局集团有限公司译.电气化铁道接触网[M].北京:中国电力出版社，2004.