铁路拱形防风明洞风荷载研究

靳宝成

铁路拱形防风明洞风荷载研究

靳宝成

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

兰新铁路第二双线穿过著名的百里风区、三十里风区,其风害极为严重。为了最大限度地减少限速和停轮,在百里风区的核心区采用设置防风明洞的防护措施。通过CFD数值模拟与风洞模型试验研究,得出了作用在防风明洞表面的风荷载随风速增大而增大,且迎风侧为正压、背风侧及拱顶为负压的分布规律。

防风明洞;风荷载;分布规律

1 概述

兰新铁路第二双线东起甘肃省省会兰州市,途经青海省省会西宁,穿越祁连山山脉进入甘肃省河西走廊西行,西至新疆维吾尔自治区首府乌鲁木齐市,沿线穿过了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,大风区的长度合计约330 km。其中尤以百里风区风力强劲,大风频繁,风害极为严重。既有兰新铁路、南疆铁路虽然在部分风口地段增设了挡风墙,但每年仍会出现停轮及其他安全事故,给铁路的运输生产造成了重大损失。为了保证兰新铁路第二双线列车安全、快速及正常运营,最大限度地减少限速和停轮,在百里风区的核心区地段设置了防风明洞[1]。本文以百里风区防风明洞为背景,开展了拱形明洞结构表面风荷载的研究。

2 百里风区特点及大风资料

2.1 风区特点

根据既有资料,百里风区大风主要有以下几方面的特点。

(1)风速高:据现场实测,最大风速达60 m/s,是全世界铁路内陆大风风速最高的地区。

(2)风期长:一年中的大风天数也相当高,大于8级风的大风天数基本上都超过100 d。

(3)季节性强:每年冬春交替季节大风最为集中,占全年大风天数的30%以上,风速也最大。秋冬交替季节大风天气也较多,但最大风速小于冬春交替季节。

(4)风向稳定:风区大风主要受寒潮天气影响,因素单一,加之区域辽阔平坦,每次大风所经路线较为固定。

(5)起风速度快:在15～40 min内,风区大风天气风速可由0～5 m/s迅速增加到19～20 m/s以上。以2008年4月17日开始的一场大风为例,十三间房西测风点风速从1.2 m/s增加到20 m/s只用了15 min,其后用了不到1.5 h风速便达到了32.7 m/s(12级)以上,见图1。

图1 十三间房西测风点2008年4月17日风速变化曲线

2.2 风速统计

根据附近13个气象站资料以及乌鲁木齐铁路局、新疆维吾尔自治区气象科技服务中心在既有兰新铁路沿线建立的43个大风观测站多年的观测资料,结合本项目初测期间增设的8个观测站资料,通过对比和综合分析,研究新建兰新第二双线沿线风速、风向、风压在平面、剖面的变化规律以及不同高度大风与风速变化情况,得出线路沿线特别是重点区域风速、风向的时空分布及变化规律。

防风明洞所处的百里风区核心区的大风资料如表1所示[2]。

表1 百里风区核心区的大风资料

3 防风明洞结构

防风明洞是在路基上(以路堤为主)设置,结合其气候特点和自然环境因素,考虑到混凝土结构耐久性和安全可靠性好、养护维修工作量小;拱形结构形状圆顺、受力条件好、圬工量小、投资省。通过比较分析,采用基底不封闭(无仰拱和底板)、内轮廓与一般隧道相同的钢筋混凝土拱形结构,边墙置于明挖纵梁和桩基础上,见图2[3]。

4 风荷载的研究

图2 防风明洞横断面[4](单位:cm)

风荷载为结构的主要荷载之一,其计算与取值对结构设计起着至关重要的影响。风速具有随时间、空间的变异性,其大小是瞬时无规律变化的,并随距地面高度增大而增大,《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001)规定的风压计算是基本风压乘以风振系数确定,并给出了全国主要城市的基本风压。由于防风明洞区域距气象台站较远,加上特殊的地形、地貌因素影响,其基本风压与规范数值存在较大的差异,为此,有必要根据防风明洞的结构、尺寸参数及路基形式的特殊性,通过CFD数值模拟值计算分析和风洞模型试验,进行比较分析验证。

4.1 规范计算值

4.1.1 计算方法

根据《建筑结构荷载规范》(GB50009—2001),垂直于建筑物表面的风荷载标准值wK按下述公式计算

式中 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。

w0是按重现期为100年的10 min平均年最大风速,利用贝努利公式w0=v20/1 600(kN/m2)计算确定。根据大风监测及分析研究成果,百里风区重现期为100年的10 min平均年最大风速v0=53.2 m/s[5]。

4.1.2 计算结果

结构承受的风荷载分布如图3所示[6]。

图3 风荷载分布示意

结构各部位承受的风压值为:

Wk1=3.44 kPa

Wk2=2.58 kPa

Wk3=-3.44 kPa

Wk4=-2.15 kPa

4.2 CFD数值模拟值

4.2.1 计算模型

数值方法的核心理论是计算流体力学,即CFD。CFD的基本思想是把原来在时间域及空间域上的连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组,然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟,以得到复杂问题流场内速度、压力等物理量的分布[7]。

为了计算的准确性,根据不同模型计算尺寸和边界条件的计算结果进行对比,确定合理且计算精度满足的模型。模型尺寸选择如下:外部高400 m;宽 400 m;长1 000 m的外界大气环境模型。

网格划分质量的好坏直接影响到计算的稳定性以及计算结果精确性。在CFD有限容积程序中,考虑到流体运动模型某些区域几何形式比较复杂,而采用四节点四面体单元具有较强的适应性,对三维模型的网格划分一般采用四节点的四面体单元,本计算对于隧道内采用TGrid程序划分四面体网格,网格边长1.5,共35万个单元。对于靠近隧道的外部空间采用Cooper程序划分六面体网格,边长2,共100万个单元。对于离隧道较远区域采用Cooper程序划分六面体网格,边长5,共110万个单元。共划分网格245万个,计算模型及网格划分如图4所示。

图4 明洞CFD模型及网格划分

4.2.2 计算结果

外界风速根据大风监测及分析研究成果的重现期为100年的极大风速v=70 m/s,将模型进行CFD计算分析,迭代计算收敛后得到计算结果,剖取横截面,通过DISPLAY云图得到横断面压力场云图,见图5,并根据压力云图绘制出明洞结构受力图,见图6。其中右侧为迎风侧,左侧为背风侧[8]。

4.3 风洞模型试验

4.3.1 模型及试验设备

防风明洞风洞试验模型的几何缩尺比取为1∶30,模型洞壁由双层1 mm厚塑料板制成,塑料板中间布置测压管,分别测得上下表面风压。

图5 横断面压力场云图

图6 横断面表面风压力图(单位:Pa)

根据百里风区的地貌特点及风特性,其地表粗糙度属于A类地表,因而边界层模拟依据A类地表进行大气边界层流场模型,见图7。

图7 风洞模型试验

4.3.2 计算结果

考虑到百里风区大风来流风向较为稳定,且其基本与线路垂直,试验风向取与线路垂直的横风向。

每个断面内外表面各布置15个测点,如图8所示,每个测点处布置测压管,分别可以测量内外表面的风压。对明洞沿壁内、外表面分别测量出压力系数,将两者相减即得测点处总的压力系数[9]。

图8 各测压点布置

各测点表面的风压系数见表2,计算得到在重现期为100年的10 min平均年最大风速v0=53.2 m/s时,结构表面的风荷载见图9[10]。

表2 各测点表面的风压系数

图9 明洞表面风压力图(单位:Pa)

4.4 结论

对规范计算结果、CFD数值模拟研究成果和风洞模型试验研究成果对比见表3。

表3 风荷载对比kPa

通过分析对比,作用于拱形防风明洞结构表面的风荷载分布规律一致,其特征和大小取值详述如下。

(1)作用在结构表面的风荷载随着风速的增大而增大;

(2)迎风侧墙脚与边墙部位的风荷载基本相同,且为正压,其大小取值为边墙3.44 kPa,拱脚2.58 kPa;

(3)背风侧墙脚与边墙、拱脚部位的风荷载基本相同,且为负压,其大小取值为2.15 kPa;

(4)拱顶为负压,且大于背风侧,其大小取值为3.44 kPa。

5 结语

目前国内外针对防风沙工程的研究仅在普速铁路路基与桥梁挡风墙方面,挡风墙仍然无法从根本上解决风害、沙害对铁路运输的影响。防风明洞能够将外界大风环境与洞内行车环境相对隔离,能够有效隔绝外部环境与行车运输之间的相互影响,可在大风区、沿海地区铁路、公路以及其他环境敏感区防护隔离工程中广泛应用。

大风荷载为防风明洞结构的主要荷载,直接影响结构的设计参数和使用性能,国内外在此领域尚无研究和实施的先例。风荷载的研究是在理论分析、数值模拟研究和模型试验研究的基础上,还需要结合试验段的现场测试与研究成果,进行进一步验证和优化。兰新铁路第二双线在百里风区设置的防风明洞试验段共1 149 m,已全部施工完成,相关测试、试验、研究正在进行中。

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[2] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.防风工程修改初步设计文件[Z].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2010.

[3] 新疆气象科技服务中心.2009年春季气象分析报告[Z].乌鲁木齐:新疆气象科技服务中心,2009.

[4] 何永旺.兰新第二双线防风明洞预制方案研究[J].国防交通工程与技术,2011(4):24-27.

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[6] 中华人民共和国建设部.GB50009—2001建筑结构荷载规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[7] 盛智平.兰新铁路防风明洞结构形式设计研究[J].铁道建筑, 2011(4):80-82.

[8] 中铁第一勘察设计院集团有限公司.大风区高标准铁路防风明洞关键技术[Z].西安:中铁第一勘察设计院集团有限公司,2013.

[9] 西南交通大学.兰新第二双线防风明洞数值模拟研究[R].成都:西南交通大学,2009.

[10]西南交通大学.兰新第二双线防风明洞风洞试验研究[R].成都:西南交通大学,2009.

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[12]徐宏,杨敏,王欣,李昊天.风荷载对连续钢桁梁悬拼施工影响的仿真分析[J].铁道标准设计,2009(S1):64-67.

Study of Wind Load on Arched Anti-wind Opencut Tunnel for Railway

JIN Bao-cheng
(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.,Ltd.,Xi'an 710043,China)

The second double-tracked Lanzhou-Xinjiang Railway passes through the famous“100 km wind zone”and“30 km wind zone”where the wind hazards are very serious.Therefore,in order to minimize both speed limitaiton and wheel stopping,the anti-wind opencut tunnel was installed as a prevention measure at the core area of“100 km wind zone”.In this study,after the CFD numerical simulation as well as wind-tunnel model experiment and research,the distribution pattern of wind load acting on the anti-wind opencut tunnel surface was ascertained as follows:the wind load will increase with the increasing of wind speed;the wind load presentes positive pressure on the windward side,and presents negative pressure on the leeward side and on the arch crown.

anti-wind opencut tunnel;wind load;distribution pattern

U213.1+54

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.04.014

1004-2954(2014)04-0061-04

2013-07-30;

2013-08-16

靳宝成(1976—),男,高级工程师,1999毕业于长沙铁道学院交通土建专业,工学学士,E-mail:jbcwlq@126.com。