强风场中高速铁路桥梁列车运行安全分析及防风措施研究

摘要

风灾是影响铁路运营安全的主要自然灾害之一，尤其是我国西北地区，铁路经过几大风区，时常发生列车停驶或倾覆事故，是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区。
　　建于大风区的桥梁，受到风力的激扰会产生强烈的振动，同时，高速运行的列车在强劲的横向风压作用下，在桥上脱轨、倾覆的可能性大大增加。因此，对风荷载作用下车辆与桥梁耦合振动系统进行综合研究，并采取防风措施以确保列车在桥上的运行安全性，对于风区铁路桥梁和防风措施的设计建造具有重要的理论和工程意义。本文以在建的兰新铁路第二双线为研究背景，旨在建立一种合理的分析框架，对风荷载作用下车辆与桥梁耦合系统的振动响应做出估计，以便评价桥梁的动力性能和桥上高速列车的走行性能。同时对提高列车运行安全的防风结构进行研究，使桥梁在强风发生时尽量少甚至不限制行车。全文的主要内容及成果如下:
　　(1)通过对国内外风致列车事故进行综述，阐明了风场中防护列车安全的重要性。然后对车桥耦合振动、风致桥梁振动、风场中车桥系统振动分析以及风场中列车运行安全性和防风措施的研究现状进行了归纳总结，明确了现阶段风—车—桥系统动力分析和防风措施研究的热点问题，在继承前人工作的基础上确定了本文的研究内容及主要方法。
　　(2)对桥址区的风场特性进行了分析，并采用改进的数值方法模拟了桥址区脉动风速时程曲线。分析了风场的平均风特性和脉动风特性以及地形、地貌对风特性的影响，着重分析了大风区兴建的兰新铁路第二双线上桥梁所处的风环境，戈壁地区的风沙流特性及其对防风屏障的影响。详述了随机脉动风场的数值模拟计算公式，并以白杨河连续梁桥桥面及桥墩各点风速模拟为例加以实现。
　　(3)对防风屏障进行了初步选型并分析了防风屏障对车桥系统气动性能的影响。根据计算流体力学(CFD)的相关原理，选择合适的湍流模型对气流经过防风屏障这一空气动力学问题进行数值模拟，针对几种防风屏障的设计方案，分析了不同设计参数（包括开孔率、高度等）的防风屏障对风速的影响规律，对桥上防风屏障的防风效果及有效防护区域进行定量分析，初步探讨防风屏障的合理形式和主要设计参数的合理取值。任何形式的防风屏障，都会对桥面风场产生影响，加强紊流效应，使桥梁结构周围风场更加复杂，当列车驶过时作用于列车上的风荷载与没有设置防风屏障时有明显区别，尤其是在列车的背风侧。
　　(4)建立了考虑桥上安装防风屏障时风荷载作用下车桥系统动力相互作用分析模型，编制了相应的计算分析程序。针对桥上安装不同类型风屏障的情况，考虑风—车—桥—风屏障系统的动力相互作用，计算了强风与列车共同作用下桥梁和列车的动力响应及行车安全性指标，相较于无风屏障时，差异明显。以兰新铁路第二双线上的10跨简支箱梁桥为例，分为无风屏障、全段安装单侧4m风屏障、单侧7m风屏障及双侧7m风屏障四种情形，计算分析不同风速、不同车速条件下的车桥动力响应。
　　(5)推导了列车进出防风屏障时车体上的风荷载变化计算公式，讨论了风载突变对列车运行安全的影响;并且计算了列车运行引起的风屏障上的气动脉冲力，将其作用于风屏障进行时程分析，得到风屏障的动力响应，同时考虑了外部自然风的作用。以兰新铁路第二双线上的10跨简支箱梁桥为例，在桥上200 m区段安装单侧4m风屏障、单侧7m风屏障和双侧7m风屏障与无风屏障及全段安装同样风屏障时车辆的动力响应及行车安全性指标进行对比;计算了单侧4m风屏障在自然风荷载、气动脉冲力荷载以及二者组合时关键节点的动力响应。
　　(6)基于自编的计算分析程序，计算了兰新铁路第二双线上常用跨度简支箱梁桥、简支T梁桥、简支槽梁桥以及白杨河连续梁桥列车运行时车辆、桥梁的动力响应，考虑桥上全段安装风屏障和桥上部分区段安装风屏障等不同情况。根据列车走行性能的评价方法和指标，计算了不同风速下列车的最大安全运行速度，提出了风场中安装不同风屏障的桥梁上列车安全运行车速阈值曲线。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 车桥耦合振动研究现状

1．2．2 风致桥梁振动研究现状

1．2．3 风场中车桥系统动力响应分析

1．2．4 风场中列车运行安全性及防风措施

1．3 本文主要内容及研究思路

第2章 桥址区风场模拟

2．1 桥址区风环境

2．1．1 平均风的剖面特性

2．1．2 脉动风的特性

2．1．3 地形和地貌对风特性的影响

2．1．4 兰新第二双线桥址区风环境

2．1．5 戈壁地区的风沙流对防风屏障的影响

2．2 脉动风场的数值模拟

2．2．1 随机脉动风速时程的多维AR模型

2．2．2 AR模型的定阶

2．2．3 AR模型模拟脉动风速时程的相关讨论

2．3 白杨河大桥桥址区风场模拟

2．4 本章小结

第3章 风屏障对桥梁和车辆周围风场的影响分析

3．1 计算流体动力学理论和分析方法

3．1．1 基本控制方程

3．1．2 湍流模型

3．1．3 流场数值计算方法

3．2 桥梁防风结构

3．2．1 桥梁上的防风结构类型

3．2．2 兰新铁路第二双线风区分区

3．2．3 兰新铁路第二双线的防风结构设计方案

3．3 基于计算流体力学理论的风屏障选型

3．3．1 桥梁风流场数值模拟的几个关键问题分析

3．3．2 基于计算流体力学的桥梁防风屏障选型

3．3．3 侧向风作用下车桥系统气动性能及防风屏障的影响研究

3．3．4 风洞试验验证

3．4 本章小结

第4章 考虑风屏障的风—车—桥系统动力相互作用分析

4．1 车桥耦合系统模型

4．1．1 车辆子系统

4．1．2 桥梁子系统

4．1．3 车桥耦合关系

4．1．4 轨道不平顺的模拟

4．1．5 基于动力指纹线的车桥竖向共振分析

4．2 桥梁和车辆上的风荷载

4．2．1 桥梁风荷载

4．2．2 列车风荷载

4．3 考虑风屏障的风—车—桥系统动力分析模型

4．4 实例分析

4．4．1 计算条件及参数

4．4．2 计算结果

4．5 本章小结

第5章 风屏障导致的风载突变对行车安全的影响分析

5．1 列车进出防风屏障时车体上的风载突变

5．2 突变风荷载对行车安全性及平稳性的影响

5．2．1 部分区段安装单侧4m风屏障

5．2．2 部分区段安装各种风屏障时的结果比较

5．3 防风屏障的振动响应计算

5．3．1 自然风脉动风压时程

5．3．2 风屏障结构上车致脉冲力计算方法

5．3．3 实例分析

5．4 本章小结

第6章 风场中高速铁路桥上列车走行性评价

6．1 行车安全性及平稳性评价指标

6．1．1 行车安全性评价指标及限值

6．1．2 运行平稳性评价指标

6．2 全段安装风屏障时桥上列车走行性评价

6．2．1 评价方法

6．2．2 简支箱型梁桥

6．2．3 简支T型梁桥

6．2．4 简支槽型梁桥

6．2．5 白杨河连续梁桥

6．3 考虑风屏障导致的风载突变后列车走行性评价

6．3．1 简支箱型梁桥

6．3．2 白杨河连续梁桥

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 论文主要研究工作及结论

7．2 进一步研究工作展望

参考文献

作者简历

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