風區擋風墻/屏影響下接觸網設計風速計算研究

劉改紅

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043)

接觸網的設計風速是進行接觸網設計計算的基本依據，包括結構設計風速和運行設計風速。結構設計風速用于支柱、硬橫梁、吊柱及基礎等的強度校核，運行設計風速用于風偏、跨距及支柱撓度的計算。接觸網的設計風速取值的合適與否至關重要，直接影響接觸網系統的安全可靠性及工程投資。

我國已編制完成不同標準鐵路的設計規范，規定了接觸網風速資料的標準條件(如地貌、高度、時距及重現期等)以及在非標準條件下風速的修正[1-3]，已見報導的諸論文也對非標準條件下的風速參數換算及接觸網的設計風速取值進行了一定的研究[4-7]，但是均尚未涉及風區設置擋風墻/屏條件下接觸網的設計風速計算方法。近年來鐵路運營受大風的影響程度越加突出，為了保證列車的安全可靠運行，風區沿線按一定標準設置擋風墻/屏等擋風設施，如既有蘭新線電氣化改造及新建蘭新鐵路第二雙線等。大風經過擋風墻/屏后，在墻/屏體上部形成增速區或減速區，擋風墻/屏的設置會直接影響接觸網風偏設計風速和結構設計風速的取值[8]。

本論文研究了風區考慮擋風墻/屏影響下的接觸網的設計風速計算方法，并以蘭新第二雙線百里風區為例進行了風區擋風墻/屏區段接觸網設計風速的計算。

1 擋風墻/屏影響下結構設計風速計算方法

1.1 計算公式

根據《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)，結構基本風速應根據現行國家標準《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)，按50年一遇基本風壓計算確定。計算結構設計風速時，應根據地區、地形、高度對相應基本風速進行修正使用，并保證接觸網主要構件在結構設計風速下不被破壞。根據《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)，按基本風壓的標準要求，將不同風速儀高度和時次時距的年最大風速，統一換算為離地10 m高，自動10 min平均年最大風速；垂直建筑物表面上的風荷載標準值，當計算主要承重結構時，按式(1)計算。

Wk=βzμsμzW0(1)

式中Wk——風荷載標準值，kN/m2；

βz——高度z處的風振系數；

μs——風荷載體型系數；

μz——風壓高度變化系數；

W0——基本風壓，kN/m2。

利用擋風墻/屏后結構設計風速計算用的風壓變化系數(簡稱結構風壓變化系數)考慮擋風墻/屏對結構設計風速的影響。擋風墻/屏影響下結構設計風速風壓、結構設計風速修正方法分別見式(2)、式(3)。

Wk_jg=βzμzμdpqW0(2)

式中Wk_jg——擋風墻/屏影響下結構設計風速風壓，kN/m2；

vk_jg——擋風墻/屏影響下的結構設計風速，m/s；

μdpq——擋風墻/屏后的結構風壓變化系數，研究該系數的來風風速為離地10 m高的10 min平均風速。

目前在都蘭縣關于免耕播種技術的示范基地數量相對較少，基地規模小，建設過程中存在很多不規范之處，輻射效果較差，有些鄉鎮在示范基地建設過程中不能按照技術的技術規范要求開展合理的田間作業。在示范基地建設過程中，普遍存在重視前期機械播種應用，輕視后期田間管理；重視實踐，輕視宣傳；重視過程，輕視結果的現象。最終，導致了農田示范基地建設不規范，相關數據采集不合理，不能發揮其應有的示范帶動作用。

μs在結構強度、剛度校驗計算中考慮，而在風速修正時不予考慮。

1.2 參數取值

1.2.1 風振系數

根據《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)，一般結構基本自振周期經驗公式為T1=(0.007～0.013)H，鋼結構取高值，H為結構的高度。接觸網腕臂柱、硬橫跨柱高度均在11 m以下，自振周期T1均小于0.25 s，可不考慮風荷載作用在結構上引起的動力放大，風振系數取值1。

1.2.2 風壓高度變化系數

風壓高度變化系數用來將路基、橋梁上的結構基本風速換算至距地面10 m高度處、橋面高度處。按線路路堤、橋梁高度分布及地表情況，根據《鐵路電力牽引供電設計規范》(TB10009—2005)計算出路堤、橋梁的風壓高度變化系數。

1.2.3 擋風墻/屏后的結構風壓變化系數

由于接觸線與承力索的高度不同，擋風墻/屏后接觸線與承力索處的風速變化系數不同且差別較大，本研究采用支柱柱底彎矩等效法計算擋風墻/屏后的結構風速變化系數。計算過程為：首先，按結構基本風速與接觸線處風速系數的乘積所得風速，計算接觸線受風力及接觸線高度以下的支柱受風力，按結構基本風速與承力索處風速系數的乘積所得風速，計算承力索受風力及接觸線高度以上的支柱受風力，進而計算出支柱柱底彎矩；然后，由支柱柱底彎矩反推風速；最后，柱底彎矩反推風速與結構基本風速的比值為擋風墻/屏后的結構風速變化系數，風速系數的平方即為風壓系數。

2 擋風墻/屏影響下運行設計風速計算方法

根據《高速鐵路設計規范(試行)》(TB10621—2009)，運行基本風速應按正常行車風速確定，計算運行設計風速時，應根據地區、地形、高度對相應基本風速進行修正使用。按風區擋風墻/屏區段的線路運營條件，在嚴禁列車進入風區風速即停輪風速的基礎上，通過考慮高度因素及擋風墻/屏的影響作用，修正計算出接觸網的運行設計風速。其中利用擋風墻/屏后運行設計風速計算用的風速變化系數(簡稱運行風速變化系數)考慮擋風墻/屏對運行設計風速的影響。

2.1 高度因素

2.2 擋風墻/屏后的運行風速變化系數

由于擋風墻/屏后接觸線高度處與承力索高度處的風速系數差別較大，本研究采用風偏等效法計算擋風墻/屏后的運行風速系數。計算過程為：首先，按停輪風速與接觸線處風速系數的乘積所得風速，計算接觸線跨中風偏，按停輪風速與承力索處風速系數的乘積所得風速，計算承力索跨中風偏，采用風偏值的平均值計算法計算出接觸網跨中風偏[9-10]；然后，由跨中風偏反推出風速；最后，風偏反推風速與停輪風速的比值，即為擋風墻/屏后的運行風速變化系數。

綜上，擋風墻/屏影響下的運行設計風速的計算方法見式(4)。

vy=vtl·μdyx(4)

式中vy——擋風墻/屏影響下的運行設計風速，m/s；

vtl——停輪風速，m/s；

μdyx——擋風墻/屏后的運行風速變化系數，研究該系數的來風風速為距軌面4 m高度處的瞬時風速。

3 蘭新第二雙線百里風區接觸網設計風速

3.1 擋風墻/屏后的風速系數

蘭新第二雙線沿線分布有安西、煙墩、百里、三十里及達坂城五大風區，總長580 km，占線路總長的33%。風區內風速高、極大風速超過60 m/s，且風期長，是目前鐵路建設中受大風影響范圍最大、程度最嚴重的鐵路之一。為了保證列車的安全可靠運行，站前專業在路基、橋梁上按一定標準設置了擋風墻/屏等擋風結構。

基于蘭新第二雙線站前防風工程設計方案，對路基專業的路堤、平地、路塹3類形式下的各擋風墻高度共計15種工況和對橋梁專業的箱梁、T梁、槽梁3類梁型下的各擋風屏高度共計21種工況進行了風場參數的數值模擬計算及風洞試驗研究，并結合實測結果，分析得出對于接觸網結構設計及風偏計算的控制性工況及風場參數，作為接觸網結構設計風速及風偏設計風速計算的風場參數的輸入條件，擋風墻/屏后的結構風速變化系數、運行風速變化系數分別見表1、表2。

表1 擋風墻/屏后的結構風速變化系數

注：研究風速變化系數用來風為墻外距地面10 m處10 min平均風速。

表2 擋風墻/屏后的運行風速變化系數

注：研究風速變化系數用來風為墻外距軌面4 m處瞬時風速。

3.2 百里風區結構設計風速計算

考慮蘭新第二雙線地表多為平坦的戈壁灘，風壓高度變化系數按A類地表考慮。經統計，蘭新第二雙線百里風區一般路堤高度5 m，最大路堤高度不大于10 m，均按10 m考慮；橋梁軌面至河溝底高度一般不大于30 m，40～50 m內1座。百里風區結構設計風速計算參數及結果見表3。在實際工程應用中，尚需綜合路基、橋梁各里程段的結構設計風速計算值，分析總結出適用于全線的典型結構設計風速值。

表3 百里風區結構設計風速計算參數及結果

3.3 百里風區運行設計風速計算

蘭新第二雙線風區設計停輪風速為40 m/s，百里風區運行設計風速計算參數及結果見表4。在實際工程應用中，尚需綜合路基、橋梁各里程段的運行設計風速計算值，分析總結出適用于全線的運行設計風速值。

表4 百里風區運行設計風速計算參數及結果

4 結論

針對風區鐵路沿線設置的擋風墻/屏對風速的影響，本論文推導出了考慮擋風墻/屏影響作用的接觸網結構設計風速的計算方法及公式、運行設計風速的計算方法及公式，并給出了計算公式中相關參數的取值方法。采用該方法，以蘭新第二雙線百里風區為例，計算了擋風墻/屏影響下各里程段接觸網的結構設計風速值及運行設計風速值。

本研究綜合、合理地在風區接觸網的設計風速計算中考慮了擋風墻/屏對接觸線、承力索不同高度處的風速變化的影響，可有效提高接觸網系統設計的安全可靠性及控制工程投資。

[1] 中華人民共和國建設部.GB50009—2012 建筑結構荷載規范(試行)[S].北京：中國建筑工業出版社，2012．

[2] 中華人民共和國鐵道部.TB10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)[S].北京：中國鐵道出版社，2010．

[3] 中華人民共和國鐵道部.TB10009—2005 鐵路電力牽引供電設計規范[S].北京：中國鐵道出版社，2005．

[4] 韓佳棟.接觸網設計風速取值研究[J].鐵道標準設計，2010(S1)：150-153．

[5] 劉峰濤.接觸網設計風速的取值[J].電氣化鐵道,2005(6)：28-31．

[6] 王玉環.蘭新線嘉烏段接觸網設計風速探討[J].西鐵科技，2009(1)：2-4.

[7] 霍中原，曾欽源.接觸網設計中計算風速的取用[J].西鐵科技，2004(3)：8-10.

[8] 田志軍，電氣化鐵路接觸網防風技術研究[J].建設機械技術與管理，2007(7)：101-103.

[9] 于萬聚.高速電氣化鐵路接觸網[M].成都：西南交通大學出版社，2009.

[10] 中鐵電氣化局集團有限公司譯.電氣化鐵道接觸網[M].北京:中國電力出版社，2004.