兰新高速铁路桥梁挡风结构挡风板设计

俞　萍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安　710043)



兰新高速铁路桥梁挡风结构挡风板设计

俞萍

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安710043)

摘要：兰新高速铁路经过的大风区自然条件恶劣，大风强劲、频繁，严重危害铁路运营的安全。鉴于现有的桥梁防风技术远不能满足高速铁路的要求，针对兰新高速铁路大风特征、高标准铁路的要求，对桥梁挡风结构挡风板进行设计研究。通过理论研究、数值模拟分析及风洞试验等方法，确定挡风板的合理开孔率、波高及板厚等技术参数，设计出适用于高速铁路桥梁挡风结构的挡风板。本项设计达到了本线桥梁防风技术的预期效果。

关键词：兰新高速铁路；桥梁；挡风结构；挡风板；防风技术

1概述

兰新高速铁路于2014年12月26日全线开通运营，是中国西北高寒风沙区域修建的首条高速铁路，是横贯西部的一条现代“钢铁丝绸之路”[1]。兰新高速铁路位于甘肃省、青海省、新疆维吾尔自治区三省区，线路长度约1 776 km。其中甘肃境内正线长798.93 km，青海境内正线长266.92 km，新疆境内正线长709.92 km。全线通过安西风区、烟墩风区、百里风区、三十里风区、达坂城风区等5大风区，共计大风区线路长度579.6 km，占线路总长的32.6%。其中甘青段风区共有16座桥，桥梁总长约36 km；新疆段风区共有121座桥，桥梁总长约66.3 km[2]。

兰新高速铁路所经地区昼夜温差变化较大，风区风力强劲，大风频繁，曾多次造成既有兰新铁路翻车、停轮，给铁路运输带来了巨大的经济损失和严重的社会影响。既有兰新铁路百里风区采用挡风桥梁与铁路桥梁并行设置，采用带孔挡风钢板；南疆铁路采用与梁体连为一体的桥梁挡风结构[3]，采用开圆孔的Q345qD钢材的波形钢板。这两种挡风结构均适用于普速铁路，不能满足兰新高速铁路的使用要求，因此需研究设计适用于高速铁路桥梁的挡风结构[4]。在广泛调研、搜集已有防风资料的基础上，课题组与西南交通大学合作[2]，通过数值模拟分析、风洞试验[5]，开展了桥梁挡风结构技术研究。

2桥梁挡风结构的选材与组成

桥梁上挡风结构的质量对梁体受力有较大影响，宜采用自重较轻的钢结构。新疆地区气候恶劣、降雨量小、蒸发量大，钢结构会面临锈蚀、磨蚀的问题，而耐候钢具有耐锈蚀[6]、减薄降耗、省工节能的特性，因此选用耐候钢作为桥梁挡风结构的钢材[7]。

桥梁上挡风结构由梁体预埋件、耐候钢挡风立柱和波形耐候钢挡风屏3部分组成。

挡风立柱采用工字形热轧型钢，沿桥梁纵向2 m左右设置1处，立柱通过与梁体翼缘处的螺栓和梁体腹板处的钢铰连接，固定于梁体上。在立柱间安装波形挡风屏，形成桥梁上的挡风结构。

根据不同的风区[8]及相邻段落的路基防风工程[9]和风洞试验研究等，结合兰新高速铁路的不同梁型：箱梁[10]、组合T梁、槽形梁[11]，挡风结构分为单侧3.5 m高挡风结构，单侧4 m高挡风结构，双侧3.5 m高挡风结构及双侧4 m高挡风结构(单侧挡风结构均安装在桥梁迎风侧)。桥梁上双侧挡风结构如图1、图2所示。

图1　32 m箱梁双侧4 m挡风结构横截面(单位：mm)

图2　双侧挡风结构桥梁桥面

3挡风板设计

挡风屏由数块挡风板[12]组成，挡风板采用开孔的波形钢板，这种形式不但可以改变一部分来流风通过挡风板后的风向，也可以使来流风通过挡风板以后形成板后空气紊流，能最大限度地损失来流风的动能，降低来流风的风速，从而达到挡风的目的[2]。

挡风板采用耐候钢材质，根据不同风区，通过试验确定合理的开孔率、波高及板厚。挡风板立面和侧面构造如图3所示。

3.1挡风板的开孔率

通过数值分析和风洞试验确定挡风板的合理投影开孔率为20%[2]。经过风洞试验验证：在挡风板20%开孔率条件下，设置挡风结构后横风作用可减少为未设挡风结构时的25%左右。

图3　挡风板立面和侧面构造(单位：mm)

挡风板的开孔率分为2种：20%开孔率时，波形板斜面上设有3排开孔，平面上设有1排开孔；10%开孔率时，波形板斜面和平面上只设有1排开孔。开孔方式为长圆端孔与短圆端孔交错布置，短圆端孔长度22 mm，长圆端孔长度45 mm， 孔中心间距51 mm。挡风屏竖向由20%挡风板和10%挡风板组合而成，这种方式使得挡风屏组合开孔率小于20%。

现场施工的开孔率挡风板，在西南交大的风洞场内按1∶1的模型进行足尺风洞试验，试验结果显示：减风效果与设计的要求一致[2]。20%挡风板立面如图4、图5所示，10%挡风板立面如图6所示。

图4　20%挡风板立面示意

图5　20%开孔率挡风板成品

图6　10%挡风板立面示意

3.2挡风板的板厚

根据不同的风区，挡风板的板厚可选用3 mm或4 mm：

(1)一般风区低桥，对应风压2.7 kPa以下，可采用3 mm板厚；

(2)一般风区高桥和强风区低桥，对应风压在2.7～4.0 kPa，可采用4 mm板厚；

(3)强风区高桥，对应风压在4.0～6.0 kPa，可采用4 mm板厚[2]。

3.3挡风板的波高

设置波形的挡风结构后，风通过挡风板时，位于斜面上的开孔不但会减少通过的风，还会局部改变风的方向，在挡风板后形成局部的湍流，从而进一步提高挡风结构的减风效果。通过对50、60、70 mm三种波高的比较，在70 mm波高时，斜面上可以采用3排孔，50 mm及60 mm波高仅能采用2排孔，所以增加波高对改善减风效果是有利的。

挡风板的抗弯能力主要是通过波高的加高或板厚的加厚实现的，因此在板厚相同的条件下，适当加高波高，在材料用量较少增加的条件下，可有效降低波形板的应力。经计算，板厚为4 mm条件下:波高70 mm时，板的应力为141 MPa;波高50 mm时，板的应力为158 MPa。随着波高的减少，结构应力增加了12%[2]。

综合比较波高变化对减风效果、对结构应力及位移、对开孔布置的影响等，挡风板波高选用70 mm较为合适。

3.4计算结果

荷载按照自重+脉动力(负压)+风荷载考虑。一般风区挡风板必须能够抵抗4 kPa的表面压力，大风地区挡风板必须能够抵抗6 kPa的表面压力。挡风板的变形挠度值需要小于L/100(L为挡风板长度)。

(1)在6 kPa的表面压力作用下，板厚采用4 mm，波高70 mm。除挡风板和立柱连接处出现应力集中外，挡风板其他部位有效应力141 MPa，位移6.2 mm。

(2)在4 kPa的表面压力作用下，板厚采用3 mm，波高70 mm。除挡风板和立柱连接处出现应力集中外，挡风板其他部位有效应力127 MPa，位移6.0 mm。

挡风板在北京交大通过试验，疲劳可满足设计要求[2]。

3.5U形卡槽的设计

为提高板端刚度，同时便于挡风板的安装和运输，在挡风板两端设置有U形卡槽，厚4 mm。卡槽采用螺栓与挡风板连接，并在挡风板与卡槽连接的端部设置分段焊缝，确保了挡风板与卡槽的可靠传力，避免了在挡风板上开长圆孔，造成的挡风板受力局部削弱带来的应力集中的问题。

为适应立柱间距误差及立柱间温度变形的影响，在卡槽上设置38 mm的长圆孔，采用双螺母及防脱销，以满足安装及螺栓防松的要求，并在螺栓连接部位放置垫圈，以确保螺栓连接的牢固性。标准卡槽平面构造如图7所示。

图7　卡槽平面构造(单位：mm)

3.6挡风板的标准高度与标准长度

根据挡风结构高3.5 m和4.0 m，挡风屏竖向分为7或8块挡风板，挡风板竖向连接采用搭接的方式，标准波形挡风板高552 cm，与上下挡风板各搭接26 cm。标准挡风板按波形弯折后扣除搭接部分高度为500 cm。

沿桥梁纵向挡风立柱标准间距是2.0 m，立柱采用工字形热轧型钢，立柱的标准截面形式分为3种，挡风板根据立柱截面也分为3种标准长度，如表1所示。

表1　挡风立柱规格和对应挡风板长度[13]

3.7梁端挡风板的设计

在桥梁端部，为适应不同的梁缝宽度和温度变化引起的伸缩，立柱翼缘宽度根据需要可做适当加宽。同时为了减少挡风板的类型，对一定范围的梁缝设计为一种挡风板长度，通过板端卡槽、长圆孔来适应不同的梁缝宽度和温度变化引起的伸缩。

(1)对于标准简支梁，标准卡槽尺寸和38 mm的长圆孔就能满足上述跨梁缝处挡风板的设计。

(2)对于大跨度连续梁，由于温度变化引起的伸缩较大，对梁端处的立柱靠梁缝一侧的翼缘进行加宽，且跨梁缝处的挡风板两端的卡槽需分别设计，可对挡风板中与连续梁立柱相接侧的卡槽加宽，长圆孔加长来适应温度变化引起的伸缩；与简支梁相接侧的卡槽和长圆孔可采用标准尺寸。

例如：兰新高速铁路新疆段达坂城湿地特大桥(40+64+40) m连续梁3号墩位于曲线上[14]，与箱梁相接时，梁缝宽度f=16 ～18 cm，挡风板按照f=18 cm生产。在安装时，将简支箱梁侧立柱螺栓孔与挡风板长圆孔2中心对齐；连续梁端立柱螺栓孔对应长圆孔1，螺栓安装孔位可以根据实际情况调整[15]。如图8所示。

图8　梁端处挡风板立面(单位：mm)

4挡风屏与挡风立柱的连接

挡风板先与U形卡槽连接再通过螺栓与立柱连接，挡风板竖向之间采用搭接的方式，由此形成整体挡风屏。

挡风板和卡槽采用M16，10.9S高强螺栓与立柱连接，安装后螺母需拧紧。挡风板之间采用M14，10.9S高强螺栓进行竖向搭接，可提高挡风板连接位置的刚度，并减少风噪，安装后螺母需拧紧。位于跨梁缝的挡风板，要保证其在纵向能够自由滑动，以适应温度变化引起的伸缩，安装后螺母无需拧紧[15]。

挡风板安装在立柱内侧，安装中挡风板与立柱的螺母位于远离线路一侧，因有卡槽的阻挡，即使螺栓偶然脱落，也不会发生列车吸附造成的安全问题。卡槽与立柱连接方便，螺栓的安装及维护均在线路内侧进行，避免了挡风板与立柱采用直接连接时，安装及养护人员需外挂施工的不便和不安全。

挡风板、卡槽、立柱连接平面如图9所示，挡风屏与挡风立柱立面连接如图10所示。挡风屏与挡风立柱的连接见图11。

图9　挡风板、卡槽、立柱连接平面示意(单位：mm)

根据桥梁地处不同的风区，列车的防风需要，挡风板的竖向布置可采用10%开孔率挡风板与20%开孔率挡风板进行竖向组合。以4 m高挡风结构为例，可在桥面以上0.5～1.5 m范围内采用10%开孔率挡风板，其余3.5～2.5 m范围内采用20%开孔率挡风板。这样的组合方式方便灵活，且保证了挡风屏的整体开孔率小于20%，同时，对于列车下侧减少开孔，可进一步提高减风效果。

5结语

兰新高速铁路桥梁挡风结构挡风板的合理技术参数如下。

(1)通过数值分析和风洞试验确定挡风板的合理投影开孔率为20%；挡风板厚度根据风压可采用3 mm或4 mm；波高采用70 mm。

(2)挡风板开孔方式采用长圆端孔与短圆端孔交错布置。

(3)挡风板两端设置卡槽，可提高板端刚度，同时便于板的安装与运输。

(4)挡风板之间的竖向连接采用搭接的方式，并采用螺栓安装，可提高挡风板连接位置的刚度，并减少风噪。

在国内，兰新高速铁路首次应用了新型桥梁挡风结构。该结构的设置能够明显降低作用于列车的横风作用，在风速不大于40 m/s时，列车仍能以120 km/h

的速度安全运行。挡风板的合理设计保证了在大风条件下列车运营的安全，并改善了旅客的视野效果，提高了列车的舒适程度。本设计成果可为其他铁路穿越新疆、内蒙、沿海等频繁受大风或台风影响地区等对风环境敏感的相关工程提供借鉴和参考，也可应用于其他公路、市政工程的建设。目前，兰新高速铁路已运营了一年多，通过了高温、高寒和风沙雨雪的考验，为人们的出行提供便捷，社会效益和经济效益显著。

参考文献：

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[14]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线达坂城湿地特大桥施工图[Z].西安: 中铁第一勘察设计院集团有限公司，2010.

[15]中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路兰州至乌鲁木齐第二双线桥梁防风工程挡风结构补充设计图[Z].西安: 中铁第一勘察设计院集团有限公司，2012.

收稿日期：2016-01-16； 修回日期：2016-02-22

基金项目：中国铁道建筑总公司科技研究开发计划项目(10-01A)

作者简介：俞萍(1981—)，女，工程师，2005年毕业于兰州交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail：8336566@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0086-04

中图分类号：U238； U443.7

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.020

The Design of Bridge Wind Shield for Lanzhou-Urumqi High Speed Railway

YU Ping

(China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China)

Abstract：Lanzhou-Urumqi high speed railway traverses through area with strong and frequent wind， which endangers the normal railway operation. In view of failure of the existing wind resistance technology to meet the requirements of high-speed railway， this paper studies and designs the bridge wind shield based on the features and requirements of high-speed railway. Reasonable hole rate， wave height and thickness of bridge wind shield are defined by means of theoretical research， numerical simulation analysis and wind tunnel test. The structure of bridge wind shield applying to high-speed railway is designed. This design meets the requirements of the line

Key words：Lanzhou-Urumqi high speed railway; Bridge; Wind resistant structure; Wind shield； Wind resistance technology