蘭新高速鐵路橋梁擋風結構擋風板設計

俞　萍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安　710043)

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蘭新高速鐵路橋梁擋風結構擋風板設計

俞萍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安710043)

摘要：蘭新高速鐵路經過的大風區自然條件惡劣，大風強勁、頻繁，嚴重危害鐵路運營的安全。鑒于現有的橋梁防風技術遠不能滿足高速鐵路的要求，針對蘭新高速鐵路大風特征、高標準鐵路的要求，對橋梁擋風結構擋風板進行設計研究。通過理論研究、數值模擬分析及風洞試驗等方法，確定擋風板的合理開孔率、波高及板厚等技術參數，設計出適用于高速鐵路橋梁擋風結構的擋風板。本項設計達到了本線橋梁防風技術的預期效果。

關鍵詞：蘭新高速鐵路；橋梁；擋風結構；擋風板；防風技術

1概述

蘭新高速鐵路于2014年12月26日全線開通運營，是中國西北高寒風沙區域修建的首條高速鐵路，是橫貫西部的一條現代“鋼鐵絲綢之路”[1]。蘭新高速鐵路位于甘肅省、青海省、新疆維吾爾自治區三省區，線路長度約1 776 km。其中甘肅境內正線長798.93 km，青海境內正線長266.92 km，新疆境內正線長709.92 km。全線通過安西風區、煙墩風區、百里風區、三十里風區、達坂城風區等5大風區，共計大風區線路長度579.6 km，占線路總長的32.6%。其中甘青段風區共有16座橋，橋梁總長約36 km；新疆段風區共有121座橋，橋梁總長約66.3 km[2]。

蘭新高速鐵路所經地區晝夜溫差變化較大，風區風力強勁，大風頻繁，曾多次造成既有蘭新鐵路翻車、停輪，給鐵路運輸帶來了巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。既有蘭新鐵路百里風區采用擋風橋梁與鐵路橋梁并行設置，采用帶孔擋風鋼板；南疆鐵路采用與梁體連為一體的橋梁擋風結構[3]，采用開圓孔的Q345qD鋼材的波形鋼板。這兩種擋風結構均適用于普速鐵路，不能滿足蘭新高速鐵路的使用要求，因此需研究設計適用于高速鐵路橋梁的擋風結構[4]。在廣泛調研、搜集已有防風資料的基礎上，課題組與西南交通大學合作[2]，通過數值模擬分析、風洞試驗[5]，開展了橋梁擋風結構技術研究。

2橋梁擋風結構的選材與組成

橋梁上擋風結構的質量對梁體受力有較大影響，宜采用自重較輕的鋼結構。新疆地區氣候惡劣、降雨量小、蒸發量大，鋼結構會面臨銹蝕、磨蝕的問題，而耐候鋼具有耐銹蝕[6]、減薄降耗、省工節能的特性，因此選用耐候鋼作為橋梁擋風結構的鋼材[7]。

橋梁上擋風結構由梁體預埋件、耐候鋼擋風立柱和波形耐候鋼擋風屏3部分組成。

擋風立柱采用工字形熱軋型鋼，沿橋梁縱向2 m左右設置1處，立柱通過與梁體翼緣處的螺栓和梁體腹板處的鋼鉸連接，固定于梁體上。在立柱間安裝波形擋風屏，形成橋梁上的擋風結構。

根據不同的風區[8]及相鄰段落的路基防風工程[9]和風洞試驗研究等，結合蘭新高速鐵路的不同梁型：箱梁[10]、組合T梁、槽形梁[11]，擋風結構分為單側3.5 m高擋風結構，單側4 m高擋風結構，雙側3.5 m高擋風結構及雙側4 m高擋風結構(單側擋風結構均安裝在橋梁迎風側)。橋梁上雙側擋風結構如圖1、圖2所示。

圖1　32 m箱梁雙側4 m擋風結構橫截面(單位：mm)

圖2　雙側擋風結構橋梁橋面

3擋風板設計

擋風屏由數塊擋風板[12]組成，擋風板采用開孔的波形鋼板，這種形式不但可以改變一部分來流風通過擋風板后的風向，也可以使來流風通過擋風板以后形成板后空氣紊流，能最大限度地損失來流風的動能，降低來流風的風速，從而達到擋風的目的[2]。

擋風板采用耐候鋼材質，根據不同風區，通過試驗確定合理的開孔率、波高及板厚。擋風板立面和側面構造如圖3所示。

3.1擋風板的開孔率

通過數值分析和風洞試驗確定擋風板的合理投影開孔率為20%[2]。經過風洞試驗驗證：在擋風板20%開孔率條件下，設置擋風結構后橫風作用可減少為未設擋風結構時的25%左右。

圖3　擋風板立面和側面構造(單位：mm)

擋風板的開孔率分為2種：20%開孔率時，波形板斜面上設有3排開孔，平面上設有1排開孔；10%開孔率時，波形板斜面和平面上只設有1排開孔。開孔方式為長圓端孔與短圓端孔交錯布置，短圓端孔長度22 mm，長圓端孔長度45 mm， 孔中心間距51 mm。擋風屏豎向由20%擋風板和10%擋風板組合而成，這種方式使得擋風屏組合開孔率小于20%。

現場施工的開孔率擋風板，在西南交大的風洞場內按1∶1的模型進行足尺風洞試驗，試驗結果顯示：減風效果與設計的要求一致[2]。20%擋風板立面如圖4、圖5所示，10%擋風板立面如圖6所示。

圖4　20%擋風板立面示意

圖5　20%開孔率擋風板成品

圖6　10%擋風板立面示意

3.2擋風板的板厚

根據不同的風區，擋風板的板厚可選用3 mm或4 mm：

(1)一般風區低橋，對應風壓2.7 kPa以下，可采用3 mm板厚；

(2)一般風區高橋和強風區低橋，對應風壓在2.7～4.0 kPa，可采用4 mm板厚；

(3)強風區高橋，對應風壓在4.0～6.0 kPa，可采用4 mm板厚[2]。

3.3擋風板的波高

設置波形的擋風結構后，風通過擋風板時，位于斜面上的開孔不但會減少通過的風，還會局部改變風的方向，在擋風板后形成局部的湍流，從而進一步提高擋風結構的減風效果。通過對50、60、70 mm三種波高的比較，在70 mm波高時，斜面上可以采用3排孔，50 mm及60 mm波高僅能采用2排孔，所以增加波高對改善減風效果是有利的。

擋風板的抗彎能力主要是通過波高的加高或板厚的加厚實現的，因此在板厚相同的條件下，適當加高波高，在材料用量較少增加的條件下，可有效降低波形板的應力。經計算，板厚為4 mm條件下:波高70 mm時，板的應力為141 MPa;波高50 mm時，板的應力為158 MPa。隨著波高的減少，結構應力增加了12%[2]。

綜合比較波高變化對減風效果、對結構應力及位移、對開孔布置的影響等，擋風板波高選用70 mm較為合適。

3.4計算結果

荷載按照自重+脈動力(負壓)+風荷載考慮。一般風區擋風板必須能夠抵抗4 kPa的表面壓力，大風地區擋風板必須能夠抵抗6 kPa的表面壓力。擋風板的變形撓度值需要小于L/100(L為擋風板長度)。

(1)在6 kPa的表面壓力作用下，板厚采用4 mm，波高70 mm。除擋風板和立柱連接處出現應力集中外，擋風板其他部位有效應力141 MPa，位移6.2 mm。

(2)在4 kPa的表面壓力作用下，板厚采用3 mm，波高70 mm。除擋風板和立柱連接處出現應力集中外，擋風板其他部位有效應力127 MPa，位移6.0 mm。

擋風板在北京交大通過試驗，疲勞可滿足設計要求[2]。

3.5U形卡槽的設計

為提高板端剛度，同時便于擋風板的安裝和運輸，在擋風板兩端設置有U形卡槽，厚4 mm。卡槽采用螺栓與擋風板連接，并在擋風板與卡槽連接的端部設置分段焊縫，確保了擋風板與卡槽的可靠傳力，避免了在擋風板上開長圓孔，造成的擋風板受力局部削弱帶來的應力集中的問題。

為適應立柱間距誤差及立柱間溫度變形的影響，在卡槽上設置38 mm的長圓孔，采用雙螺母及防脫銷，以滿足安裝及螺栓防松的要求，并在螺栓連接部位放置墊圈，以確保螺栓連接的牢固性。標準卡槽平面構造如圖7所示。

圖7　卡槽平面構造(單位：mm)

3.6擋風板的標準高度與標準長度

根據擋風結構高3.5 m和4.0 m，擋風屏豎向分為7或8塊擋風板，擋風板豎向連接采用搭接的方式，標準波形擋風板高552 cm，與上下擋風板各搭接26 cm。標準擋風板按波形彎折后扣除搭接部分高度為500 cm。

沿橋梁縱向擋風立柱標準間距是2.0 m，立柱采用工字形熱軋型鋼，立柱的標準截面形式分為3種，擋風板根據立柱截面也分為3種標準長度，如表1所示。

表1　擋風立柱規格和對應擋風板長度[13]

3.7梁端擋風板的設計

在橋梁端部，為適應不同的梁縫寬度和溫度變化引起的伸縮，立柱翼緣寬度根據需要可做適當加寬。同時為了減少擋風板的類型，對一定范圍的梁縫設計為一種擋風板長度，通過板端卡槽、長圓孔來適應不同的梁縫寬度和溫度變化引起的伸縮。

(1)對于標準簡支梁，標準卡槽尺寸和38 mm的長圓孔就能滿足上述跨梁縫處擋風板的設計。

(2)對于大跨度連續梁，由于溫度變化引起的伸縮較大，對梁端處的立柱靠梁縫一側的翼緣進行加寬，且跨梁縫處的擋風板兩端的卡槽需分別設計，可對擋風板中與連續梁立柱相接側的卡槽加寬，長圓孔加長來適應溫度變化引起的伸縮；與簡支梁相接側的卡槽和長圓孔可采用標準尺寸。

例如：蘭新高速鐵路新疆段達坂城濕地特大橋(40+64+40) m連續梁3號墩位于曲線上[14]，與箱梁相接時，梁縫寬度f=16 ～18 cm，擋風板按照f=18 cm生產。在安裝時，將簡支箱梁側立柱螺栓孔與擋風板長圓孔2中心對齊；連續梁端立柱螺栓孔對應長圓孔1，螺栓安裝孔位可以根據實際情況調整[15]。如圖8所示。

圖8　梁端處擋風板立面(單位：mm)

4擋風屏與擋風立柱的連接

擋風板先與U形卡槽連接再通過螺栓與立柱連接，擋風板豎向之間采用搭接的方式，由此形成整體擋風屏。

擋風板和卡槽采用M16，10.9S高強螺栓與立柱連接，安裝后螺母需擰緊。擋風板之間采用M14，10.9S高強螺栓進行豎向搭接，可提高擋風板連接位置的剛度，并減少風噪，安裝后螺母需擰緊。位于跨梁縫的擋風板，要保證其在縱向能夠自由滑動，以適應溫度變化引起的伸縮，安裝后螺母無需擰緊[15]。

擋風板安裝在立柱內側，安裝中擋風板與立柱的螺母位于遠離線路一側，因有卡槽的阻擋，即使螺栓偶然脫落，也不會發生列車吸附造成的安全問題。卡槽與立柱連接方便，螺栓的安裝及維護均在線路內側進行，避免了擋風板與立柱采用直接連接時，安裝及養護人員需外掛施工的不便和不安全。

擋風板、卡槽、立柱連接平面如圖9所示，擋風屏與擋風立柱立面連接如圖10所示。擋風屏與擋風立柱的連接見圖11。

圖9　擋風板、卡槽、立柱連接平面示意(單位：mm)

根據橋梁地處不同的風區，列車的防風需要，擋風板的豎向布置可采用10%開孔率擋風板與20%開孔率擋風板進行豎向組合。以4 m高擋風結構為例，可在橋面以上0.5～1.5 m范圍內采用10%開孔率擋風板，其余3.5～2.5 m范圍內采用20%開孔率擋風板。這樣的組合方式方便靈活，且保證了擋風屏的整體開孔率小于20%，同時，對于列車下側減少開孔，可進一步提高減風效果。

5結語

蘭新高速鐵路橋梁擋風結構擋風板的合理技術參數如下。

(1)通過數值分析和風洞試驗確定擋風板的合理投影開孔率為20%；擋風板厚度根據風壓可采用3 mm或4 mm；波高采用70 mm。

(2)擋風板開孔方式采用長圓端孔與短圓端孔交錯布置。

(3)擋風板兩端設置卡槽，可提高板端剛度，同時便于板的安裝與運輸。

(4)擋風板之間的豎向連接采用搭接的方式，并采用螺栓安裝，可提高擋風板連接位置的剛度，并減少風噪。

在國內，蘭新高速鐵路首次應用了新型橋梁擋風結構。該結構的設置能夠明顯降低作用于列車的橫風作用，在風速不大于40 m/s時，列車仍能以120 km/h

的速度安全運行。擋風板的合理設計保證了在大風條件下列車運營的安全，并改善了旅客的視野效果，提高了列車的舒適程度。本設計成果可為其他鐵路穿越新疆、內蒙、沿海等頻繁受大風或臺風影響地區等對風環境敏感的相關工程提供借鑒和參考，也可應用于其他公路、市政工程的建設。目前，蘭新高速鐵路已運營了一年多，通過了高溫、高寒和風沙雨雪的考驗，為人們的出行提供便捷，社會效益和經濟效益顯著。

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[15]中鐵第一勘察設計院集團有限公司.新建鐵路蘭州至烏魯木齊第二雙線橋梁防風工程擋風結構補充設計圖[Z].西安: 中鐵第一勘察設計院集團有限公司，2012.

收稿日期：2016-01-16； 修回日期：2016-02-22

基金項目：中國鐵道建筑總公司科技研究開發計劃項目(10-01A)

作者簡介：俞萍(1981—)，女，工程師，2005年畢業于蘭州交通大學土木工程專業，工學學士，E-mail：8336566@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0086-04

中圖分類號：U238； U443.7

文獻標識碼：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