東南沿海高速鐵路沿線環境風特性研究

徐 影 謝 俊 欒立宸

(1．中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室， 長沙 410075；2．鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

東南沿海高速鐵路沿線環境風特性研究

徐 影1謝 俊1欒立宸2

(1．中南大學軌道交通安全教育部重點實驗室， 長沙 410075；2．鐵道第三勘察設計院集團有限公司， 天津 300142)

文章針對大風環境下的東南沿海某高速鐵路的行車安全問題，研究了該鐵路沿線的環境風特性。通過提取沿線關鍵監測點處超過高速鐵路列車環境風速管制值的測風點數據，分析最大風速段全天環境風特性以及最大風速點各月環境風特性，得到了該東南沿海高速鐵路沿線平均風速、陣風因子、湍流強度的變化規律。研究表明：該鐵路沿線環境風速呈現明顯的季節性，夏季風速明顯偏高；最大風速段全天環境風特性較為一致，10 min平均風速最大值出現在同一時段，湍流強度和陣風因子值的離散度較大，且隨平均風速的升高呈現下降趨勢，當平均風速超過2 m/s時，湍流強度值一般不超過0.50，陣風因子值一般在2.00左右波動；最大風速點處各月最大平均風速不超過13 m/s，湍流強度值集中分布在0.10～1.00區間，陣風因子值與湍流強度值的變化趨勢一致，且陣風因子值集中分布在1.00～8.00區間；最大風速點處風速系數離散度大，且風速上升系數與風速回落系數無關。以上環境風特征分析可用于該區域的環境風速預測模型的建立。

東南沿海； 高速鐵路； 風環境； 特性

高速列車運行速度較高，其周圍氣流變化劇烈，如果遇到大風等惡劣氣候，列車將可能受到較強的橫向風，導致車體兩側壓差過大，造成列車脫軌、傾覆等一系列嚴重的鐵路事故發生。我國東南沿海地區人員流動大、鐵路網密集，已開通的杭福深客運專線等一系列沿海高速鐵路，大大提高了該地區旅客輸送效率。同我國其他地區相比，東南沿海及海島等地為我國風能極為豐富的地區，每年的臺風、短時強對流等氣候災害較為多發[1]。受臺風等天氣影響，以及自身地理位置特點，該地區起風速度快，平均風速偏大，脈動速率大。這些風環境因素給高速列車的安全運營帶來了較大的挑戰。

國內外學者為研究不同風速對建筑結構的影響建立了多種環境風速模型。Yan等人建立了模擬臺風邊界層風場特性分析模型并利用臺風Caitlin、Kinna、Mireille風速風向實測數據驗證該模型的適用性[2]；Holmes等人提出用于描述下擊暴流水平風速及風向的經驗數學模型[3]；Chen和Letchford在Holmes模型基礎上提出deterministic-stochastic混合分析模型，將速度的脈動模擬為均勻漸變的隨機過程[4]；Avdakovic等人利用小波變換法分析了2007年B&H(Bosnia-Herzegovina)國家3個不同測風位置全年每小時平均風速時程[5]；Xu等人建立了順風向非平穩風速模型，將順風向風速表示成確定性時變平均風和零均值脈動風兩部分[6-7]；羅雄等人根據有限的原始風速數據，利用快速富氏變換和希爾伯特變換，建立非平穩隨機過程數學模型，以數字模擬方法產生所需的隨機樣本[8]；孫海等人提出強風環境非平穩風速分析模型，重新定義了風特性參數計算公式并給出經驗模型法確定時變平均風的步驟[9]；趙楊針對極端風的突變特點，提出階躍氣流模型[10]。以上所建模型主要采用數學上的模擬和變換，再根據實測數據驗證模型的適用性，建模之前未結合特定地區大量實測風速的典型特征，且模型均未針對鐵路沿線風特性，有必要根據沿線實測風速的典型特征建立符合該區域的環境風速模型，以期為沿海高速列車氣動特性分析及行車安全評估提供風速模型參考。

1 沿線環境風速數據采集

1.1 線路概況和測風點

溫州-廈門客運專線由多條線路銜接而成，于2009年開始陸續開通，并于2013年全線通車，是我國“四縱四橫”客運專線中的一部分。線路總里程約為573.3 km，其中橋梁和隧道占全線的62.56%，該線路所經地區受臺風和季風影響頻繁，風速較大且風況較復雜。以此條客運專線作為大風實測段，測風點如圖1所示。

圖1 測風點位置圖(局部)

在此待測線路的關鍵站點(沿線的所有大山埡口地段)共計72個測風點采集風速樣本數據，可以對全線的環境風特性進行統計分析。測點列表如表1所示。

表1 全線測風點基本情況

1.2 數據采集設備和數據預處理

每一個測風點配備一個大風監測系統，該系統的現場設備由2套風速儀、數據采集單元組成，設置在沿線大橋上的鐵路接觸網立柱上，設置高度為(4±0.1) m風速儀布置方法如圖2所示。

圖2 風速儀布置

風速傳感器用不銹鋼支架固定于接觸網立柱上，傳感器每秒(動態響應頻率為60 Hz)實時發送一回風速風向數據到GSM-R基站監控單元并自動存儲。風速儀探頭量程為：±80 m/s(±5%測量值)，測量精度<0.03 m/s。環境溫度為-20℃～70℃。兩個風速儀呈相互垂直角水平安裝。

收集的所有測風點風速數據樣本量很大，首先依據我國鐵路現行的高速鐵路列車環境風速管制值設定警報值[11]，只提取出超過各個分級限值的樣本數據作為分析數據。2012年1月至10月的環境風實測數據大風報警情況統計表如表2所示。

表2 全線2012年01～10月大風報警統計表

2 環境風特性參數

近地環境風由平均風和脈動風組成，平均風引起的靜風載荷作用在列車上直接影響到列車的氣動特性及運行穩定性，容易使列車輪軌動力學特性及輪軌接觸關系發生變化，可能會誘發列車傾覆超限及脫軌等一系列安全隱患。脈動風引起的脈動風載荷作用在車體上會導致車體脈沖氣動力的突變，有可能會導致行車安全問題。且高密度的荷載往復作用在車體上可能會引起車體部分結構的疲勞破壞，同時影響運行列車的乘坐舒適性。環境風作用在高速列車上，會引起列車姿態的響應，當這種響應超過一定限度時，會對行車安全構成威脅。

一般來說，風在高速列車上的作用力可以分成3類[12]:

(1)平均風引起的平均風載荷，決定著列車的渦振、靜風失穩等風振問題；

(2)脈動風引起的脈動風載荷，決定著列車的抖振問題；

(3)風與高速列車耦合振動產生的慣性力。

鑒于此，對于所采集到的風速數據，需關注其以下特性：

(1)對風振問題，研究風的平均風特性，包括平均風速和平均風速剖面等；

(2)對抖振問題，研究風的湍流脈動特性，包括湍流強度、陣風因子和風加速度等。

環境風特性分析所需參數包括平均風特性參數和脈動風特性參數，風場特性參數隨著地形地貌、地理位置以及氣候條件的不同而不同。

2.1 平均風速

平均風速反映環境風在一定時距內的速度水平。對于所采集的風速數據，其包含有水平風速和風向兩重信息。風速儀測得兩個角度的風速數據，得到合速度，把該風速分解到對照軌道方向建立的正交坐標軸上，如圖3所示。

圖3 平均風速分解

其中x方向表示沿軌道方向，y方向表示垂直軌道方向，θ為主風向和列車之間的夾角，U為環境風速在列車行駛方向的分速度。平均時距T的長度決定了平均風速的計算結果，時距太長或太短都不利于分析平均風特性，本文平均時距取為10 min。研究表明，最大和最小風速之差的平均值，隨時距的增加而增大，但當時距增大到10 min以后變得緩慢，表明10 min這個時距得出的風速平均值是具有代表性的[13]。在具體計算中，將10 min作為的計算時距T，計算式如下：

(1)

2.2 陣風因子

(2)

G值是一個無量綱參數，其值越大，說明風速脈動的強度越大。

2.3 湍流強度

湍流強度I表示風速在時域和空域上變化的劇烈程度，也反映風的脈動強度。我國將湍流強度定義為10 min的環境風標準偏差值與平均風速的比值，其計算方法如下：

(3)

式中：σ——環境風的標準偏差值。

I值是一個無量綱參數，其值越大，說明風速脈動的強度越大。

3 數據分析和結果

從全線的風速信息監測數據表1中看出，其中5～8月報警次數和級別均高于其他季節，因此判定夏季為該鐵路所處地區的風季，這與當地臺風特征相吻合，環境風速呈現出明顯的季節性，夏季風速明顯偏高。此外FXF1031測風點與WFF0786測風點在2012年5月和7月各出現過一次4級報警，在發生報警的時刻該段行駛的列車必須停輪避風。從運營管理的角度出發，需要重點分析這兩個測風點以及臨近測風點在該報警時段的環境風特性。

3.1 最大風速段全天風特性分析

圖4 測風點FXF1019和FXF1031處平均風速

由圖4可知，FXF1031測風點在報警日所測瞬時風速達到30.10 m/s，持續穩定111 s后回落到3.11 m/s，而臨近測風點所測最大風速均不超過12 m/s。FXF1031測風點處10 min平均風速最大值為15.29 m/s，各測風點全天10 min平均風速總體變化幅度較大。

選取測風點WFF0786及其前后各2個測風點WFF0782、WFF0784、WFF0790、WFF0792，5個測風點較均勻的分布在沿線方向10 km范圍內。測風點WFF0784和WFF0786在2012年7月16日全天1 s時程風速和10 min平均風速如圖5所示。另外3個測風點1 s時程風速及10 min平均風速分布與圖5(a)相似。可以看出WFF0786測風點在報警日所測瞬時風速達到35.19 m/s，持續穩定8 s后回落到32.63 m/s，臨近測風點均在同一時段出現了風速最值。WFF0786測風點處10 min平均風速最大值為12.88 m/s，各測風點平均風特性相似，在最大風速時段外的10 min平均風速集中分布在0.50～3.05 m/s區間，總體變化幅度較小。

圖5 WFF0784和WFF0786處平均風速

同樣選取FXF1010～FXF1044 5個測風點，將這5個測風點報警當天風速數據按照10 min時距分成不同的子樣本，計算每個子樣本中脈動風速標準方差值及10 min時距內所有3 s平均風速最大值，再根據式(2)和式(3)計算這5個測風點在報警日全天湍流強度與陣風因子值，測風點FXF1019和FXF1031全天湍流強度與陣風因子隨10 min平均風速分布情況如圖6所示。另外3個測風點湍流強度與陣風因子分布情況與圖6(a)相似。

圖6 測風點FXF1019和FXF1031湍流強度及陣風因子分布

根據圖6可知，FXF1031測風點處湍流強度值分布在0.10～3.40區間，陣風因子值分布在0.50～34.93區間，其幅值和離散程度遠高于臨近測風點，結合FXF1031測風點及其臨近測風點的平均風特性，認為該日風速數據不可信，風速超限屬于誤報。

同樣選取WFF0782～WFF0792 5個測風點，分析其脈動風特性。測風點WFF0784和WFF0786全天湍流強度與陣風因子隨10 min平均風速分布情況如圖7。另外3個測風點湍流強度與陣風因子分布與圖7(a)相似。

圖7 測風點WFF0784和WFF0786湍流強度及陣風因子分布

由圖7可知，WFF0786測風點及其臨近測風點的湍流強度值集中分布在0.10～1.20區間，陣風因子值集中分布在1.25～8.00區間，其幅值和離散程度較為一致。隨著平均風速的升高，湍流強度與陣風因子值均呈下降趨勢，當平均風速超過2 m/s時，各測風點湍流強度值一般不超過0.50，陣風因子值一般在2.00左右波動。

WFF0782～WFF0792 5個測風點在沿線方向10 km范圍內組成的最大風速段在報警日當天平均風特性相似，10 min平均風速最大值均出現在同一時段。與文獻[16]中沿海地區臺風登陸時的環境風特性相比，沿線最大風速段瞬時風速最大值與沿海臺風中心最大風速相近，但10 min平均風速最大值偏低，總體平均風速水平也偏低，表明沿海鐵路沿線強風與沿海臺風相比，強風持續時間偏短且整體風力偏弱。湍流強度和陣風因子值隨平均風速的升高而減小，這與沿海地區臺風特性[17]及內陸典型風區強風特性[18]分析結果一致。

3.2 最大風速點各月風特性分析

最大風速出現在WFF0786測風點，因此將該測風點作為沿線典型大風點。將WFF0786測風點在2012年前10個月的監測數據以月份為單位分為10組，每組以當月最大風速出現日為基準，取其前后連續共7 d的風速數據組成當月樣本，各月樣本信息如表3所示。

表3 各月樣本信息

6、7月份最大風速點處各項風特性參數分析結果分別如圖8和圖9所示，其他月份湍流強度及陣風因子分布規律與圖8、圖9相似，10 min平均風速最大值介于6、7月份之間。

圖8、圖9可知：最大風速點處各月最大平均風速不超過13 m/s，7月份最大平均風速為12.93 m/s，6月份最大平均風速為6.21 m/s。前10個月最大風速點處湍流強度及陣風因子總體平均值分別為0.38和2.23，表明最大風速點總體脈動強度較高。湍流強度及陣風因子值在各月中的分布規律一致，呈現一定的正相關性，均在較低平均風速水平中分布較集中，且湍流強度大小集中分布在0.10～1.00區間，最大值不超過2.00，陣風因子值集中分布在1.00～8.00區間，最大值不超過16.00。隨著平均風速的升高，湍流強度及陣風因子值的分布范圍迅速收斂，離散度降低，在大于5 m/s的平均風速中湍流強度值一般不超過0.50，陣風因子值一般不超過2.00，湍流強度及陣風因子值在大于10 m/s的平均風速水平中分布概率很小。

圖8 6月風特性參數分布

圖9 7月風特性參數分布

由于各樣本實測風速時程均為非平穩隨機過程，環境風速具有一定的突變性，在突變過程中風速變化快且破壞性強。本文定義風速系數λi來描述環境風速突變過程，如下式：

(4)

式中：i=1，2——表風速上升和回落過程；U1——突變前風速大小；U2——突變后風速大小； △t——風速突變所用時間。

表4 各樣本最大風速時段風特性統計

為了進一步分析各樣本最大風速時段環境風速突變過程，表4統計了WFF0786測風點在樣本S1～S10中從平均風速U上升到風速峰值Um所用時間t1、風速峰值持續時間tc、從風速峰值回落到平均風速所用時間t2，以及這期間所對應的風速系數(風速上升系數λ1和風速回落系數λ2)、湍流強度I和陣風因子G。

由表4可知，在每月最大風速時段環境風速突變過程中，對應的湍流強度及陣風因子值都較大。表明此時環境風的脈動能量較大；湍流強度值集中分布在0.10～0.30區間，陣風因子值集中分布在1.30～2.50區間，湍流強度與陣風因子對應關系較好，當陣風因子值增大時，湍流強度值也增大。風速系數的離散程度高，且風速上升系數與風速回落系數無關。

4 結論

通過對東南沿海鐵路沿線環境風特性分析，文中得到以下結論：

(1)東南沿海某鐵路沿線環境風速呈現明顯的季節性，夏季風速明顯偏高。沿線最大風速段內各處全天環境風特性相似，10 min平均風速最大值出現在同一時段。

(2)陣風因子及湍流強度的幅值、離散程度較為一致，且均隨平均風速的升高呈現下降趨勢。

(3)最大風速點處各月最大平均風速不超過13 m/s；環境風總體脈動強度較高，湍流強度與陣風因子的對應關系較好，變化趨勢一致，集中分布在較低平均風速水平中。

(4)隨著平均風速的升高，湍流強度和陣風因子的分布范圍均迅速收斂，離散度降低。

(5)在各月最大風速時段環境風速突變過程中，最大風速點處風速系數離散程度高，且風速上升系數與風速回落系數無關。

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Research of Environmental Wind characteristics of Southeast Coastal High-speed Railway

XU Ying1XIE Jun1LUAN Lichen2

(1. Key Laboratory of Traffic Safety on Track of Ministry of Education, Central South University,Changsha 410075, China;2. The Third Railway Survey And Design Institute Group Corporation, Tianjin 300142, China)

Aiming at the train operation safety problems of a high-speed railway in the southeast coast under the wind environment, this paper analyzes the wind characteristics of the high-speed railway. By extracting the ventilation measuring point wind data which exceed the environmental wind control values of HSR, the all-day wind characteristics in the maximum wind speed section and monthly wind characteristics at the maximum wind speed point of the railway are investigated, and the average wind speed, gust factor, turbulence intensity of the railway are obtained. Analysis shows that the wind speed of the coastal railway presents obviously seasonal, the summer wind speed is higher than those in other seasons. The all-day wind characteristics in the maximum wind speed section are approximately consistent, the maximums of 10-min mean wind speed appear in the same period of time, the discrete degree of turbulence intensity and gust factor are relatively large, and the values of them are found to decrease with the increase of mean wind speed, when the mean wind speed exceeds 2 m/s, turbulence intensity is generally not more than 0.50, gust factor fluctuates around 2.00. The maximum of monthly mean wind speed at the maximum wind speed point is not more than 13m/s, the turbulence intensity intensively distributes in the range of 0.10～1.00, the changing trends of gust factor are same to turbulence intensity, and gust factor intensively distributes in the range of 1.00～8.00. The discrete degree of wind speed coefficient at the maximum wind speed point is relatively large, and the wind speed rising coefficient has nothing to do with the dropping coefficient. The above analysis of wind characteristics can be used for the building of environmental wind model.

southeast coast; HSR; environmental wind; characteristics

2016-05-06

徐影(1989-)，男，在讀碩士研究生。

中國鐵路總公司科技研究開發計劃重大課題(2014T002-A)

1674—8247(2016)05—0001—07

U298.1

A