橋上電纜槽蓋板位置穩定性空氣動力試驗研究

張立江

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁設計處,天津 300142)

橋上電纜槽蓋板位置穩定性空氣動力試驗研究

張立江

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司橋梁設計處,天津 300142)

列車空氣動力和自然風的作用對高速鐵路橋上蓋板的位置穩定有重要影響,控制著RPC輕型電纜槽蓋板的最小厚度。結合德國在該方面空氣動力研究成果和既有工程觀測成果,運用數字仿真和風洞試驗的手段,以保證蓋板位置穩定為原則,對鄭西客運專線橋上擬采用的最小2cm厚電纜槽蓋板厚度的合理性進行研究,給出了列車空氣動力作用下蓋板位置穩定性有保證以及在列車空氣動力和橫向自然風共同作用下蓋板位置穩定性無法保證的結論性意見,為RPC輕型蓋板的設計、施工、維護提供了指導。

客運專線;鐵路橋;空氣動力;蓋板;穩定性

1 概述

為減輕橋面二期恒載,提高蓋板的耐久性和安裝便捷性,鄭西客運專線采用RPC混凝土對橋上電纜槽蓋板進行了輕量化設計。根據設計結果,在滿足檢修荷載情況下,蓋板厚度最小可采用2 cm,但在高速列車空氣動力及側風作用下位置能否保持穩定無法判定,為此,鄭西客運專線中外咨詢聯合體組織中、德咨詢師開展了該項研究,以確定高速列車空氣動力及自然側風對蓋板的作用力,給出蓋板能保持穩定的最小厚度,指導設計施工。

2 主要參數

列車采用車寬調整后的ICE3型(車寬b≈3.26 m),最高速度350 km/h。蓋板平面尺寸0.494 m×0.494 m,密度2 390 kg/m3,厚度2 cm,橋面整體情況見圖1。

圖1 鄭西客運專線橋面布置(單位:mm)

3 假定條件

(1)僅考慮蓋板外露面承受列車空氣動力和自然風的作用;

(2)假定短暫和急劇的壓力變化情況下,蓋板下表面壓力尚未釋放;

(3)不考慮蓋板間的摩擦;

(4)不考慮空氣阻力對蓋板運動的影響。

4 研究方法

運用德國鐵路公司積累的道旁測量成果評估蓋板受到的列車空氣動力影響,使用ANSYS CFX軟件包進行了數字仿真流體力學計算(CFD),對縮尺模型進行風洞試驗研究。

5 橋面氣流分析研究

5.1 列車引起的空氣動力

列車在蓋板上引起的壓力荷載根據歐洲規范[prEN1991,RIL807]和《高速鐵路設計規范》(TB10621—2009)確定。防撞墻(軌頂以上高度h≈0.3 m,距軌道中心y=2.2 m)為該斷面的特征。根據[CEN05],推導出遮蔽系數φ=0.3。嚴格來說,此系數僅對垂直于擋墻上的風速有效,對本研究,考慮到列車引起的氣流有很強的側向組分,遮蔽系數按0.7采用。

臨近軌道的蓋板(距線路中心y=2.6 m)位置最不利。所研究蓋板的臨界靜壓力p=-478 Pa,臨界壓力系數Cp_crit≈0.1。數值模擬計算表明:在空氣動力持續作用時間Δt＜0.1 s內,局部靜壓力會超過臨界值,引起的蓋板向上位移Δz＜0.1 mm。

5.2 橋面上風致流場

自然風作用對蓋板穩定性也有重要影響。前期德國高速鐵路橋(圖2(a))風洞試驗已清晰地表明橋面結構物對氣流有加速效應。圖2(b)表明由于梁體影響,氣流速度較地面上有所增加,橋面迎風面鄰近軌道處的最大風速達到地面值的1.3倍,產生了強大的壓力梯度,影響到電纜槽蓋板等橋面構造物的位置穩定。

圖2 德國既有高速鐵路橋風洞試驗結果

另外,對于高橋,由對數邊界層法則公式可知橋面上的氣流速度相對于地面氣流速度有相當大的提高。

式中,v(z)、v(z0)分別為距地面高度z(m)和z0(m)處的氣流速度;z0為地面氣流速度測量點的高度,α為風切變指數,α≈0.14。

按此法則,高度20、40 m處的風速較地面(高度4 m)可增加25%和37%以上。

以上兩種因素都使得橋面風速大大高于地面風速。另外,根據已有研究成果,橋面的具體外形和列車的出現也影響橋面周圍的氣流。因此,有必要通過風洞試驗對鄭西客運專線情況進行進一步研究。

6 風洞試驗

風洞試驗是在哥廷根的德-荷風洞進行(HDG)的。HDG是封閉風洞,可提供107 Pa的高壓,產生的氣流速度可達30 m/s。

6.1 試驗模型(圖3)

模型按1∶100比例制作。其最重要的部分是側面遮板及2道防撞墻,在蓋板上,沿縱向開設了一系列壓力測試孔,列車模型可組合成單頭和雙頭2種形式。

圖3 風洞試驗模型(風洞測試區0.6 m×0.6 m)

6.2 工況

考察了5種工況,即:①橋上無車+橫向自然風;②橋上有車(單頭)+下風;③橋上有車(雙頭)+下風;④橋上有車(單頭)+上風(列車近迎風面);⑤橋上有車(雙頭)+上風。

6.3 測試結果(圖4)

為了保證測試結果不受雷諾數影響,采用了一系列不同的Re數值。

圖4 風洞測試結果,橋面橫向壓力系數Cp變化

測試結果顯示,無車情況下,產生了二維氣流場。圖4通過不同位置的側向壓力系數給出了壓力分布情況。為說明氣流的二維性,縱向給出3個不同截面的測量結果(測量點17-23,27-30,31-34,其中測量點27-30、31-34和17-23均不在一個截面,圖中未顯示,但在橫向的位置如圖橫坐標所示)。

壓力分布清楚地顯示了橋面氣流的狀況。迎風面外緣的下部氣流形成了大型的回流區,氣流分離導致了大范圍的低壓區(y＜3.8 m,Cp＜0)。在試驗流入條件(4 kg/m3,v∞=18 m/s),橋面迎風側臨近遮板處(y=2.8 m)負壓系數低至Cp,min＜-0.9,產生了明顯的吸力。對所研究蓋板,在沒有聲屏障情況下,橋面橫風速度超過v=30 m/s時(對于40 m高橋梁,相當于地面風速vwind=23 m/s),蓋板可能開始豎向移動,圖5為陣風持續時間Δt=0.5 s時,蓋板豎向位移情況。圖中顯示,蓋板豎向位移可能高達近90 mm,此位移已大大超過蓋板20 mm的厚度,導致蓋板的位置失去穩定性。若陣風持續時間按可能性更大的考慮,則蓋板位移量將會更大。

圖5 風洞測試結果,豎向位移

根據前述,橋上列車對橋面流場也有影響,但根據德國既有研究成果,有車情況下,最大吸力小于無車時的吸力,因此,可僅僅考慮橋上無車情況。

7 結論和建議

(1)臨近軌道的蓋板為位置最不利蓋板。

(2)對厚度2 cm的蓋板,列車空氣動力作用下,位置穩定性有保證。

(3)依據試驗研究結果,橫向自然風作用下,當橋面風速達到30 m/s時,即使短暫作用(持續時間0.5 s),蓋板也會產生較大位移,當作用時間增長或與列車空氣動力聯合作用時,蓋板會產生超過蓋板厚度的位移,位置穩定性無法保證。

(4)雖然本試驗研究結論較為保守,但對于可能受強風作用的高橋,為了防范風險,建議采用加厚的蓋板或者能夠固定的蓋板。

(5)應嚴格控制蓋板厚度施工偏差,嚴格控制安裝偏差,聯合調試期間注意對蓋板穩定性進行測試,注意蓋板的維護。

[1] TB10621—2009 高速鐵路設計規范[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,風荷載設計暫行標準[S].

[4] TB10002.1—2005,鐵路橋涵設計基本規范[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,高速鐵路橋涵工程施工質量驗收標準[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

張立江(1965—),男,高級工程師,1993年畢業于天津大學力學系,工學碩士,E-mail:of8440@yahoo.com.cn。