强风区高铁沿线板状风致硬飘物典型参数影响研究

周 彦,杨永代,夏志远,方 钊

(1. 中国铁路上海局集团有限公司上海高铁维修段, 上海 200071;2. 苏州科技大学土木工程学院, 江苏 苏州 215011;3. 南京工程学院建筑工程学院, 江苏 南京 211167)

我国高铁建设始于2008年,经过十几年的发展,其总里程数已达到3万多公里,占世界铁路总里程的60%以上,预计到2025年,我国将全面建成“八纵八横”高铁网络,实现高速铁路全覆盖[1-4].随着城市的不断扩张和发展,很多构筑物出现于高铁沿线,比如小型砖瓦建筑、临时工棚以及工业厂房等,当遭受强风作用时,彩钢屋面板和围护结构等由于自重较轻、连接较弱,会产生与原结构的剥离现象,形成风致硬飘物,对高铁线路网构成威胁[5].2018年,京沪高铁廊坊至北京段沿线一民房屋面彩钢板(52 m×7 m)受6级大风作用飘起并撞击高铁,造成40余趟列车停运.

我国东南沿海地区高铁网络纵横,沿线建设较多,且处于强/台风多发区域,最大风速甚至高达60 m/s,易造成屋面和围护结构破坏,因此,该区域高铁沿线面临的潜在威胁不容忽视.近年来,国内外诸多学者对风致飞射物或硬飘物飞行状态开展了分析和研究.文献[6]采用试验的方法研究平板状飞射物的飞行特性,获得板转动过程中的升、阻力和翻转弯矩,指明其风力系数与风攻角有关,并发现求解结果与风洞试验结果比对良好;文献[7]、文献[8]对块状和板状硬飘物进行风洞试验研究,建立了立方体和平板状硬飘物的起飞初速;文献[9]研究了硬飘物竖向速度与其所受风力的影响,探讨了空气湍流特性对硬飘物整个飞行状态和飞行轨迹的影响,基于风洞试验建立了平板状硬飘物风力系数与风攻角的关系,进而求得其运动方程；文献[10]建立6自由度硬飘物计算模型,验证了风致硬飘物的横向运动特性；文献[11]基于文献[10]的方法模拟板状硬飘物,分析不同风攻角板状硬飘物的飞行轨迹;文献[12]采用CFD数值模拟方法研究主要参数风攻角、转动角速度对板的飞行状态影响;文献[13]基于CFD数值模拟,计算了棒状硬飘物运动轨迹,发现其气动力与当前时刻位移和相对速度关系紧密,与前状态无关,但分析中未考虑风场和硬飘物的耦合;文献[14]基于CFD数值模拟,对屋面板的破坏和硬飘物情况进行分析,给出破坏的最大风速和最大撞击能量.

我国《铁路安全管理条例》第53条规定,禁止在铁路导线两侧各500 m范围内升放风筝、气球等低空漂浮物体,但《铁路安全管理条例》尚未对拟建或在建构筑物有明确避让距离要求,更无针对强风区高铁沿线构筑物的避让距离.本文以沿海地区某现役轻钢工业厂房为研究对象,围绕强风作用下屋面彩钢板即板状风致硬漂物典型参数影响展开研究,阐明板状风致硬飘物在风速、厂房高度和板特征长度3个参数影响下的飞行轨迹和影响辐射范围,给出避让范围或安全距离,为高铁沿线安全运营提供保障,也为相关标准的编制提供参考.

1 板状硬飘物的飞行方程和计算基本理论

板状硬飘物飞行过程受到重力、风升力和阻力共同作用,同时考虑风压作用点与板重心不重合而产生的翻转效应,最终板状硬飘物会产生水平及竖直向位移和翻转角位移.[15]图1为板状风致硬飘物几何尺寸和相关角度关系.图1中：β为相对风速与水平方向的夹角；θ为平板与水平方向的夹角；α为相对风速与平板之间的夹角,即风攻角,α=β+θ.

对于一般板状硬飘物,其受到沿着相对风速方向的风阻力、垂直于相对风速方向的风升力、翻转弯矩,当进行水平和竖向两个方向分解时,板状风致硬飘物的平面内运动方程可表达为:

(a) 硬飘物几何尺寸

(1)

式中:ρa为空气密度;A为板状硬飘物的面积;l为特征长度;um、vm为硬飘物水平、竖向速度;U为风速;CD、CL、CM分别为阻力、升力、翻转系数;m、I为板状硬飘物的质量、转动惯量;x、z、θ分别为水平、竖向位移、板的转角;t为时间.

已知板状硬飘物的初始CD、CL、CM、um、vm,则可以根据式(1)获得初始加速度,规定时间间隔Δt,进一步可计算Δt时刻速度和位移,将Δt时刻速度、位移作为初始量,若已知该时刻CD、CL、CM,则可获得2Δt时刻速度和位移,依次类推,直至竖向坐标为0.至此可得到硬飘物整个的飞行动态轨迹.板状硬飘物的阻力、升力和翻转系数与法向力系数CN相关,而CN与其各状态的风攻角α相关,[15]存在关系:

(2)

式中:c为风的作用点和板的几何中心间距;l为其特征长度;c/l满足:

(3)

考虑Magnus效应对升力系数CL的影响:

(4)

式中:ω为板翻转的角速度,即dθ/dt;ω0为0.64U/l.

2 板状风致硬漂物的典型参数分析

以浙江沿海某城市在役厂房为研究对象,厂房纵向柱距7.2 m,纵向尺寸9 m×7.2 m,横向宽度30 m,檐口高度7.8 m,屋脊高度8.8 m,双坡坡度1∶15.研究硬飘物(屋面压型钢板)在风作用下的运动情况,屋面板有效覆盖宽度为0.75 m,厚度为0.5 mm,厂房的檩条间距1.6 m,则屋面板的特征长度为1.6 m.钢材为Q235碳素结构钢，密度为7.85 g/cm3.一般来说,横向风比纵风引起的屋面板风吸力大,故只分析横风影响.本文主要考虑风速、厂房高度、板特征长度3个参数对其飞行特性的影响.飞行过程采用Matlab软件进行分析,分析时间间隔0.01 s.在硬飘物飞行的过程中，由于顺风向脉动风相对于平均风来说相对较小，所以脉动风产生的风压可忽略不计，本文只考虑平均风造成的风压,并且假定硬漂物稳定飞行,不考虑飞行过程中由于脉动风产生的振动效应[13].根据式(1)，通过升力、阻力以及翻转弯矩实现风速到风压的转换.

2.1 风速对板状风致硬漂物的影响

调研浙江省登陆台风的相关信息,排名前三的为:2006年台风“桑美”,登陆风速部分测站达到68 m/s; 2019年台风“利奇马”,最大风速达到60 m/s;2020年台风“黑格比”,最大风速59.8 m/s.台风登陆最大风速约为60 m/s;一般风速达到32.7～36.9 m/s即可划分为飓风,风速12级,破坏力极大;对于8～9级大风、烈风,一般风速介于17.2～24.4 m/s.此处风速考虑采用60、40、20 m/s三种情况,分别对应于极大台风、飓风、大风.

计算在不同风速条件下硬飘物的运动轨迹和运动距离,如图2和表1所示.由图2和表1可见,随着风速的增大,硬飘物滞留空中的运动时间增加、飞行距离逐渐增大.在飞行过程中存在着上升、下降交替的行为,并且飞行时伴随着自身的转动,灵敏度约为5.05.

(a) 风速20 m/s

表1 不同风速板状硬飘物的运动情况

2.2 厂房高度对板状风致硬漂物的影响

厂房高度的增加加大了硬漂物的飞行时间,增加了飞行距离.设定最大风速为60 m/s,厂房高度参数选取檐口高度7.8、9.0、10.2 m,厂房屋脊高度8.8、10.0、11.2 m.图3和表2列出其不同高度条件下的运动轨迹图.

由图3和表2可见,随着厂房高度的增大,硬飘物滞留空中的运动时间增加、飞行距离逐渐增大.飞行过程仍然伴随着上升和下降行为,同时伴随转动.灵敏度约为2.81.

(a) 高度7.8 m

表2 不同厂房高度板状硬飘物的运动情况

2.3 板特征长度对板状风致硬漂物的影响

当宽度不变,风致屋面板破坏时,板的特征长度变化将导致板的自重、转动惯量、翻转角度等发生显著变化.以板特征长度1.6、3.2、4.8 m三种情况作为分析参数,板宽0.72 m不变,图4和表3列出不同特征长度条件下硬漂物的运动轨迹图.

(a) 特征长度1.6 m

表3 不同特征长度板状风致硬飘物的运动情况

由图4和表3可见,随着板的特征长度增加,硬飘物滞留空中的运动时间增加、飞行距离增大.飞行过程仍然伴随着上升和下降,同时伴随转动,灵敏度约为0.56.

2.4 强风区板状风致硬飘物飞行特性

分析表明,风速、厂房高度和板的特征长度对板状风致硬飘物的飞行状态都有着较大的影响,其中,风速影响最为显著,厂房高度影响次之,板特征长度影响较弱.板状风致硬飘物漂浮过程为升降兼具,且伴有翻转.当风速为60 m/s、厂房屋脊高度为11.2 m时,一块尺寸0.72 m×4.8 m的压型钢板水平飞行距离可高达532.45 m.因此,在极端条件下,飞行距离存在超过500 m的可能性,这与我国《铁路安全管理条例》第53条规定的要求相当.规范要求显然还需要增强,尤其是针对我国华东沿海伴有极强台风地区的高铁线路,应加强既有建筑物围护结构的连接,同时,对拟建建筑物,应当适当考虑建设的避让距离,建议安全距离增至600～700 m.

3 结语

考虑到华东沿海地区台风较多,本文以浙江某沿海城市在役厂房为研究对象,研究厂房屋面板在强风作用下板状风致硬飘物的飞行特性.选取风速、厂房高度和板特征长度作为研究参数,分析板状风致硬飘物在不同参数变化下的影响范围,对高铁沿线拟建或既有厂房提出设计或整改意见,以保证线路安全运营.得到如下结论和建议:

1) 板状风致硬飘物在飞行过程中伴有升、降、翻转的运动特性;

2) 风速、厂房高度、板特征长度对硬飘物的运动特性存在影响,其中,风速对硬飘物的影响最为显著,厂房高度影响次之,板特征长度影响较弱;

3) 风速、厂房高度、板特征长度增加均会造成板状风致硬飘物水平飞行距离和飞行时间的增加,极端条件下,当风速为60 m/s、厂房高度为11.2 m、板特征长度为4.8 m时,板状风致硬飘物水平飞行距离高达532.45 m;

4) 建议应加强强风区既有建筑物围护结构连接,对拟建建筑物应适当考虑避让距离,建议安全距离增至600～700 m,建议系统编制对应风速条件下建筑物的避让距离.