風區(qū)擋風墻/屏影響下接觸網(wǎng)設(shè)計風速計算研究

劉改紅

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司，西安 710043)

接觸網(wǎng)的設(shè)計風速是進行接觸網(wǎng)設(shè)計計算的基本依據(jù)，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計風速和運行設(shè)計風速。結(jié)構(gòu)設(shè)計風速用于支柱、硬橫梁、吊柱及基礎(chǔ)等的強度校核，運行設(shè)計風速用于風偏、跨距及支柱撓度的計算。接觸網(wǎng)的設(shè)計風速取值的合適與否至關(guān)重要，直接影響接觸網(wǎng)系統(tǒng)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(shè)計規(guī)范，規(guī)定了接觸網(wǎng)風速資料的標準條件(如地貌、高度、時距及重現(xiàn)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(shù)換算及接觸網(wǎng)的設(shè)計風速取值進行了一定的研究[4-7]，但是均尚未涉及風區(qū)設(shè)置擋風墻/屏條件下接觸網(wǎng)的設(shè)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(qū)沿線按一定標準設(shè)置擋風墻/屏等擋風設(shè)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(jīng)過擋風墻/屏后，在墻/屏體上部形成增速區(qū)或減速區(qū)，擋風墻/屏的設(shè)置會直接影響接觸網(wǎng)風偏設(shè)計風速和結(jié)構(gòu)設(shè)計風速的取值[8]。

本論文研究了風區(qū)考慮擋風墻/屏影響下的接觸網(wǎng)的設(shè)計風速計算方法，并以蘭新第二雙線百里風區(qū)為例進行了風區(qū)擋風墻/屏區(qū)段接觸網(wǎng)設(shè)計風速的計算。

1 擋風墻/屏影響下結(jié)構(gòu)設(shè)計風速計算方法

1.1 計算公式

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)，結(jié)構(gòu)基本風速應根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)，按50年一遇基本風壓計算確定。計算結(jié)構(gòu)設(shè)計風速時，應根據(jù)地區(qū)、地形、高度對相應基本風速進行修正使用，并保證接觸網(wǎng)主要構(gòu)件在結(jié)構(gòu)設(shè)計風速下不被破壞。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)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(tǒng)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(jié)構(gòu)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(shù)；

μs——風荷載體型系數(shù)；

μz——風壓高度變化系數(shù)；

W0——基本風壓，kN/m2。

利用擋風墻/屏后結(jié)構(gòu)設(shè)計風速計算用的風壓變化系數(shù)(簡稱結(jié)構(gòu)風壓變化系數(shù))考慮擋風墻/屏對結(jié)構(gòu)設(shè)計風速的影響。擋風墻/屏影響下結(jié)構(gòu)設(shè)計風速風壓、結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計風速風壓，kN/m2；

vk_jg——擋風墻/屏影響下的結(jié)構(gòu)設(shè)計風速，m/s；

μdpq——擋風墻/屏后的結(jié)構(gòu)風壓變化系數(shù)，研究該系數(shù)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(guān)于免耕播種技術(shù)的示范基地數(shù)量相對較少，基地規(guī)模小，建設(shè)過程中存在很多不規(guī)范之處，輻射效果較差，有些鄉(xiāng)鎮(zhèn)在示范基地建設(shè)過程中不能按照技術(shù)的技術(shù)規(guī)范要求開展合理的田間作業(yè)。在示范基地建設(shè)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(jié)果的現(xiàn)象。最終，導致了農(nóng)田示范基地建設(shè)不規(guī)范，相關(guān)數(shù)據(jù)采集不合理，不能發(fā)揮其應有的示范帶動作用。

μs在結(jié)構(gòu)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(shù)取值

1.2.1 風振系數(shù)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)，一般結(jié)構(gòu)基本自振周期經(jīng)驗公式為T1=(0.007～0.013)H，鋼結(jié)構(gòu)取高值，H為結(jié)構(gòu)的高度。接觸網(wǎng)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(jié)構(gòu)上引起的動力放大，風振系數(shù)取值1。

1.2.2 風壓高度變化系數(shù)

風壓高度變化系數(shù)用來將路基、橋梁上的結(jié)構(gòu)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(jù)《鐵路電力牽引供電設(shè)計規(guī)范》(TB10009—2005)計算出路堤、橋梁的風壓高度變化系數(shù)。

1.2.3 擋風墻/屏后的結(jié)構(gòu)風壓變化系數(shù)

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(shù)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(jié)構(gòu)風速變化系數(shù)。計算過程為：首先，按結(jié)構(gòu)基本風速與接觸線處風速系數(shù)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(jié)構(gòu)基本風速與承力索處風速系數(shù)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(jié)構(gòu)基本風速的比值為擋風墻/屏后的結(jié)構(gòu)風速變化系數(shù)，風速系數(shù)的平方即為風壓系數(shù)。

2 擋風墻/屏影響下運行設(shè)計風速計算方法

根據(jù)《高速鐵路設(shè)計規(guī)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(shè)計風速時，應根據(jù)地區(qū)、地形、高度對相應基本風速進行修正使用。按風區(qū)擋風墻/屏區(qū)段的線路運營條件，在嚴禁列車進入風區(qū)風速即停輪風速的基礎(chǔ)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(wǎng)的運行設(shè)計風速。其中利用擋風墻/屏后運行設(shè)計風速計算用的風速變化系數(shù)(簡稱運行風速變化系數(shù))考慮擋風墻/屏對運行設(shè)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(shù)

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(shù)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(shù)。計算過程為：首先，按停輪風速與接觸線處風速系數(shù)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(shù)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(wǎng)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(shù)。

綜上，擋風墻/屏影響下的運行設(shè)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(shè)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(shù)，研究該系數(shù)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(qū)接觸網(wǎng)設(shè)計風速

3.1 擋風墻/屏后的風速系數(shù)

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(qū)，總長580 km，占線路總長的33%。風區(qū)內(nèi)風速高、極大風速超過60 m/s，且風期長，是目前鐵路建設(shè)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(yè)在路基、橋梁上按一定標準設(shè)置了擋風墻/屏等擋風結(jié)構(gòu)。

基于蘭新第二雙線站前防風工程設(shè)計方案，對路基專業(yè)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(yè)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(shù)的數(shù)值模擬計算及風洞試驗研究，并結(jié)合實測結(jié)果，分析得出對于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計及風偏計算的控制性工況及風場參數(shù)，作為接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計風速及風偏設(shè)計風速計算的風場參數(shù)的輸入條件，擋風墻/屏后的結(jié)構(gòu)風速變化系數(shù)、運行風速變化系數(shù)分別見表1、表2。

表1 擋風墻/屏后的結(jié)構(gòu)風速變化系數(shù)

注：研究風速變化系數(shù)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(shù)

注：研究風速變化系數(shù)用來風為墻外距軌面4 m處瞬時風速。

3.2 百里風區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)按A類地表考慮。經(jīng)統(tǒng)計，蘭新第二雙線百里風區(qū)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(nèi)1座。百里風區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計風速計算參數(shù)及結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計風速計算值，分析總結(jié)出適用于全線的典型結(jié)構(gòu)設(shè)計風速值。

表3 百里風區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計風速計算參數(shù)及結(jié)果

3.3 百里風區(qū)運行設(shè)計風速計算

蘭新第二雙線風區(qū)設(shè)計停輪風速為40 m/s，百里風區(qū)運行設(shè)計風速計算參數(shù)及結(jié)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(shè)計風速計算值，分析總結(jié)出適用于全線的運行設(shè)計風速值。

表4 百里風區(qū)運行設(shè)計風速計算參數(shù)及結(jié)果

4 結(jié)論

針對風區(qū)鐵路沿線設(shè)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(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計風速的計算方法及公式、運行設(shè)計風速的計算方法及公式，并給出了計算公式中相關(guān)參數(shù)的取值方法。采用該方法，以蘭新第二雙線百里風區(qū)為例，計算了擋風墻/屏影響下各里程段接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計風速值及運行設(shè)計風速值。

本研究綜合、合理地在風區(qū)接觸網(wǎng)的設(shè)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(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計的安全可靠性及控制工程投資。

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