桥上电缆槽盖板位置稳定性空气动力试验研究

张立江

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁设计处,天津 300142)

桥上电缆槽盖板位置稳定性空气动力试验研究

张立江

(铁道第三勘察设计院集团有限公司桥梁设计处,天津 300142)

列车空气动力和自然风的作用对高速铁路桥上盖板的位置稳定有重要影响,控制着RPC轻型电缆槽盖板的最小厚度。结合德国在该方面空气动力研究成果和既有工程观测成果,运用数字仿真和风洞试验的手段,以保证盖板位置稳定为原则,对郑西客运专线桥上拟采用的最小2cm厚电缆槽盖板厚度的合理性进行研究,给出了列车空气动力作用下盖板位置稳定性有保证以及在列车空气动力和横向自然风共同作用下盖板位置稳定性无法保证的结论性意见,为RPC轻型盖板的设计、施工、维护提供了指导。

客运专线;铁路桥;空气动力;盖板;稳定性

1 概述

为减轻桥面二期恒载,提高盖板的耐久性和安装便捷性,郑西客运专线采用RPC混凝土对桥上电缆槽盖板进行了轻量化设计。根据设计结果,在满足检修荷载情况下,盖板厚度最小可采用2 cm,但在高速列车空气动力及侧风作用下位置能否保持稳定无法判定,为此,郑西客运专线中外咨询联合体组织中、德咨询师开展了该项研究,以确定高速列车空气动力及自然侧风对盖板的作用力,给出盖板能保持稳定的最小厚度,指导设计施工。

2 主要参数

列车采用车宽调整后的ICE3型(车宽b≈3.26 m),最高速度350 km/h。盖板平面尺寸0.494 m×0.494 m,密度2 390 kg/m3,厚度2 cm,桥面整体情况见图1。

图1 郑西客运专线桥面布置(单位:mm)

3 假定条件

(1)仅考虑盖板外露面承受列车空气动力和自然风的作用;

(2)假定短暂和急剧的压力变化情况下,盖板下表面压力尚未释放;

(3)不考虑盖板间的摩擦;

(4)不考虑空气阻力对盖板运动的影响。

4 研究方法

运用德国铁路公司积累的道旁测量成果评估盖板受到的列车空气动力影响,使用ANSYS CFX软件包进行了数字仿真流体力学计算(CFD),对缩尺模型进行风洞试验研究。

5 桥面气流分析研究

5.1 列车引起的空气动力

列车在盖板上引起的压力荷载根据欧洲规范[prEN1991,RIL807]和《高速铁路设计规范》(TB10621—2009)确定。防撞墙(轨顶以上高度h≈0.3 m,距轨道中心y=2.2 m)为该断面的特征。根据[CEN05],推导出遮蔽系数φ=0.3。严格来说,此系数仅对垂直于挡墙上的风速有效,对本研究,考虑到列车引起的气流有很强的侧向组分,遮蔽系数按0.7采用。

临近轨道的盖板(距线路中心y=2.6 m)位置最不利。所研究盖板的临界静压力p=-478 Pa,临界压力系数Cp_crit≈0.1。数值模拟计算表明:在空气动力持续作用时间Δt＜0.1 s内,局部静压力会超过临界值,引起的盖板向上位移Δz＜0.1 mm。

5.2 桥面上风致流场

自然风作用对盖板稳定性也有重要影响。前期德国高速铁路桥(图2(a))风洞试验已清晰地表明桥面结构物对气流有加速效应。图2(b)表明由于梁体影响,气流速度较地面上有所增加,桥面迎风面邻近轨道处的最大风速达到地面值的1.3倍,产生了强大的压力梯度,影响到电缆槽盖板等桥面构造物的位置稳定。

图2 德国既有高速铁路桥风洞试验结果

另外,对于高桥,由对数边界层法则公式可知桥面上的气流速度相对于地面气流速度有相当大的提高。

式中,v(z)、v(z0)分别为距地面高度z(m)和z0(m)处的气流速度;z0为地面气流速度测量点的高度,α为风切变指数,α≈0.14。

按此法则,高度20、40 m处的风速较地面(高度4 m)可增加25%和37%以上。

以上两种因素都使得桥面风速大大高于地面风速。另外,根据已有研究成果,桥面的具体外形和列车的出现也影响桥面周围的气流。因此,有必要通过风洞试验对郑西客运专线情况进行进一步研究。

6 风洞试验

风洞试验是在哥廷根的德-荷风洞进行(HDG)的。HDG是封闭风洞,可提供107 Pa的高压,产生的气流速度可达30 m/s。

6.1 试验模型(图3)

模型按1∶100比例制作。其最重要的部分是侧面遮板及2道防撞墙,在盖板上,沿纵向开设了一系列压力测试孔,列车模型可组合成单头和双头2种形式。

图3 风洞试验模型(风洞测试区0.6 m×0.6 m)

6.2 工况

考察了5种工况,即:①桥上无车+横向自然风;②桥上有车(单头)+下风;③桥上有车(双头)+下风;④桥上有车(单头)+上风(列车近迎风面);⑤桥上有车(双头)+上风。

6.3 测试结果(图4)

为了保证测试结果不受雷诺数影响,采用了一系列不同的Re数值。

图4 风洞测试结果,桥面横向压力系数Cp变化

测试结果显示,无车情况下,产生了二维气流场。图4通过不同位置的侧向压力系数给出了压力分布情况。为说明气流的二维性,纵向给出3个不同截面的测量结果(测量点17-23,27-30,31-34,其中测量点27-30、31-34和17-23均不在一个截面,图中未显示,但在横向的位置如图横坐标所示)。

压力分布清楚地显示了桥面气流的状况。迎风面外缘的下部气流形成了大型的回流区,气流分离导致了大范围的低压区(y＜3.8 m,Cp＜0)。在试验流入条件(4 kg/m3,v∞=18 m/s),桥面迎风侧临近遮板处(y=2.8 m)负压系数低至Cp,min＜-0.9,产生了明显的吸力。对所研究盖板,在没有声屏障情况下,桥面横风速度超过v=30 m/s时(对于40 m高桥梁,相当于地面风速vwind=23 m/s),盖板可能开始竖向移动,图5为阵风持续时间Δt=0.5 s时,盖板竖向位移情况。图中显示,盖板竖向位移可能高达近90 mm,此位移已大大超过盖板20 mm的厚度,导致盖板的位置失去稳定性。若阵风持续时间按可能性更大的考虑,则盖板位移量将会更大。

图5 风洞测试结果,竖向位移

根据前述,桥上列车对桥面流场也有影响,但根据德国既有研究成果,有车情况下,最大吸力小于无车时的吸力,因此,可仅仅考虑桥上无车情况。

7 结论和建议

(1)临近轨道的盖板为位置最不利盖板。

(2)对厚度2 cm的盖板,列车空气动力作用下,位置稳定性有保证。

(3)依据试验研究结果,横向自然风作用下,当桥面风速达到30 m/s时,即使短暂作用(持续时间0.5 s),盖板也会产生较大位移,当作用时间增长或与列车空气动力联合作用时,盖板会产生超过盖板厚度的位移,位置稳定性无法保证。

(4)虽然本试验研究结论较为保守,但对于可能受强风作用的高桥,为了防范风险,建议采用加厚的盖板或者能够固定的盖板。

(5)应严格控制盖板厚度施工偏差,严格控制安装偏差,联合调试期间注意对盖板稳定性进行测试,注意盖板的维护。

[1] TB10621—2009 高速铁路设计规范[S].

[2]prEN 1991-1-4 2004,Eurocode 1:Actions on structures—General actions—Part 1-4:Wind actions,CEN,Brussels,2004.

[3]EN V 1991-2-4,风荷载设计暂行标准[S].

[4] TB10002.1—2005,铁路桥涵设计基本规范[S].

[5] Scherz,Joseph A,Aerodynamics of High-Speed Trains[J].Annual Review of Fluid Mechanics,2001,33:371-414.

[6] Bettle,J.et al.A Computational Study of the Aerodynamic Forces Acting on a Tractor-Trailer Vehicle on a Bridge in Cross-Wind[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,2003,91: 573-592.

[7]EN 14067-4 2005:Railway applications-Aerodynamics-Part4:Requirements and test procedures for aerodynamics on open track[S]. Brussels:CEN 2005.

[8] [CEN05]CEN:EN 14067-42005:Railwayapplications-Aerodynamics-Part4:Requirementsandtestproceduresfor aerodynamics on open track.Brussels:CEN,2005.

[9] TB10752—2010,高速铁路桥涵工程施工质量验收标准[S].

Aerodynamic Experimental Study on Position Stability of Cover Plates of Cable Trough upon Bridge

ZHANG Li-jiang
(Bridge Engineering Department,the Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation,Tianjin 300142,China)

Train-induced aerodynamic force and natural wind force have great influence on position stability of cover plates of cable trough upon the bridge of high-speed railway,which control the minimum thickness of RPC light-duty cover plates.In combination with the relevant study results of Germany and the existing observing results,by way of numerical simulation and wind tunnel test,and on the basis of ensuring the stability of cover plate's position,the reasonability of thickness was researched for the cover plates of cable trough with a minimum thickness of 2 cm which will be used upon the bridges of Zhengzhou-Xi'an Passenger Dedicated Line.The conclusion drawn from this study is that:the stability of the cover plate's position can be ensured if there is only the train-induced aerodynamic force,while the stability of the cover plate's position cannot be ensured if there are both the train-induced aerodynamic force and the natural wind force.The conclusion can serve as a guidance to design,installation and maintenance of RPC light-duty cover plates.

passenger dedicated line;railway bridge;aerodynamic force;cover plate;stability

U443.5

A

1004-2954(2013)03-0074-03

2013-01-07

张立江(1965—),男,高级工程师,1993年毕业于天津大学力学系,工学硕士,E-mail:of8440@yahoo.com.cn。