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高速铁路棚护支架空气动力效应分析 张建 民，陈宝 良，李 达 中国交通建设股 份有限公司 ，江苏苏州 2 1 5 1 2 2 摘要 通过 对动车 穿过 棚 户支 架时空 气动 力效应计 算 分析 ， 确定和验证 高速铁路棚护 支架技术 方案安全措施 ， 对 既有线进 行防护 ， 将现 浇支架和 防护棚 架施 工有机 地结合 在一 起 ， 变中 断停车施工为正常行驶施工 ， 实现沪宁城 际安全、 工期 目标 ， 成 功解决 了新建铁路施 工和既有铁路 营运 互相 干扰 问题 ， 降低 了 施 工 风 险 ． 加 快 了施 工进 度 。 保 证 了施 工 安 全 和 铁 路 运 输 安 全 。 关键词 高速铁路 ；棚护 支架 ；动力效应 中 图 分 类 号 U2 3 8 ；U 4 5 1 ． 3 文 献 标 识 码 A 文章编号 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 0 0 2 0 0 9 1 0 3 1 工程概 况 沪宁城 际铁 路设 计 时速 3 0 0 k m， 虹桥 上 行 线 在里 程 H Q S D K 2 6 0 7 ． 6 5 3～HQ S D K 2 8 2 9 ． 1 5 3处跨 越 既有 沪宁铁 路 ， 该路 段 动 车 运 营 时速 达 到 2 5 0 k m， 在 该 处 立交桥 型布 置为 5 7 m 1 0 0 1T I 6 3 m连 续 梁 ； 原 设计 为 挂篮施 工 ， 由于工 期 比较 紧 ， 后 来 改 为现 浇 支 架 施 工 ， 施 工安 全风 险高 ， 是全 线 的重点 工程 ， 也是 目前 全 国已 桥 梁 知 的跨 越 时速最 高 的再 建既 有线 施工 工程 。当高速 列 车通过 时会 产 生风 吸效 应 ， 对支架 造 成影 响 ， 如 何保 证 既有铁 路 正常运 行 ， 保证 施 工安 全是 面 I临的最 大难 题 ， 所 以对 棚 护支架 的空气 动力 效应 进行 分析 是保 证施 工 安 全必 要前 提 ， 也 是 棚 护支 架 设 计 的依 据 。在 此 项 工 程实施前没有成功的经验可 以借鉴 ， 我单位在沪宁城 际铁路 施工 中经 过 理论 研 究 和 实 践 运 用 ， 成 功 地 解 决 该问题 ， 以下内容 主要 以沪宁城际虹桥上行单线特大 桥施 工 为例 加 以阐述 图 1 、 表 1 。 既有翔黄铁路护栏位置 沪宁城 际上行线 垩亘些垡 堡 京沪高铁 图 1 沪宁城 际铁路与既有沪宁铁路平面位 置关 系 表 1 沪 宁 城 际 虹 桥 上 行 单 线 特 大 桥 与 既 有 线 关 系 2 工 程地质 与气 象 条件 线路 位 于长江 三 角 洲平 原 区 ， 均 为 第 四系 地 层 覆 盖 ， 系江河 、 湖 泊 、 海 相 沉 积 形 成 ， 为 黏 土 、 粉 质 黏 土 夹 粉细砂 层 ； 夏季 多雨 ， 常受 台风影 响 。 3棚护 支架 结构 简介 跨 既有 线 中跨 支 架 采 用 1 ． 2 m 钻 孔 灌 注 桩 ， 高 1 m、 宽 1 ． 8 m 条 形 基 础 ， 条 形 基 础 上 预 埋 钢 板 ， 设 置 6 6 3 0 m m钢管桩 ， 钢 管桩之间采用 [ ] 2 5 a型钢斜撑 和 [ ] 2 5 a 双支型钢平联， 钢管桩上部设置钢板牛腿 ， 牛腿 上部纵向铺设 I 2 5 a型钢 纵梁 ， 纵 梁之 间铺设单 块宽 4 m、 长 1 7 m 防 护棚架 ， 质 量 4 ． 3 t ， 钢 管 桩 顶 纵 向铺 设 3 I 4 0 a型钢 ， 上部 跨线 吊装 双层 贝雷 梁 ， 贝雷 梁 顶 节 点 位 置设 置纵 向 I 2 0 b型 钢 和横 向 I 2 0 b型 钢 ， 上 部 采 用 碗扣式支架调整箱 梁线形 ， 上部纵 向 I 1 0型钢 、 横 向 收稿 日期 2 0 0 9 0 72 7 ；修 回日期 2 0 0 9 0 92 9 作者简介 张建民 1 9 6 4 一 ， 男， 工程 师 ， 2 0 0 1年 毕业 于长 安大 学桥 梁 工程专业。 铁道标准 设计R AI LW AY S T A N DA R D DE S I G N 2 0 1 0 2 1 0 c mX 1 0 c m方 木 图 2 。 f a 1 立 面 2 m m 厚铁皮5 0 5 木板 ，满铺1 1 4 I 3 2 a 8l 6 l 40 0 I 4 00 b 半 面 图 2立面 、 平面布置 单位 c m 边跨 的支 架基 础采 用 4 0 a m、 间距 1 ． 2 m 的 C F G 桩 ， 上 面采 用 两 层 扩 大 基 础 ， 基 础 上 预 埋 件 与 钢 管 连 接 ， 钢 管立 柱采 用 q 6 3 0 mm、 6 1 0 mm螺旋 钢 管 ， 钢管 桩 91 桥 梁 张建民， 陈宝良， 李 达一高速铁路棚护支架空气动力效应分析 之 间采用 [ ] 2 5 a型钢 斜 撑 和 [ ] 2 5 a双 支 型 钢平 联 ， 钢 管桩 顶纵 向铺 设 2 1 4 5 b型钢 ， 横 向设 置 H 6 0 0 x 2 0 0型 钢 ， 型钢顶 再设 置纵 向 I 2 0 b型 钢 和横 向 I 2 0 b型钢 ， 上 部再 采用 碗扣 式支 架 调 整 箱 梁 线 形 ， 上 部 纵 向 I 1 0型 钢 、 横 向 1 0 c m 1 0 c m方 木 ， 模板采 用竹 胶板 完成 箱梁 浇筑 。 4 高速列车通过棚户支架时空气动力效应分析 4 ． 1 分 析情 况 情况 1 当支 架空 载时 ， 火车 经 过产 生 风 吸效 应会 对 钢管桩 底预 埋件受 力产 生较 为不 利影 响 。 情况 2 高 速 列 车 通 过 时 ， 列 车 的头 部 产 生 压 力 波 ， 对 棚 户支架 顶面 可能会 产生 向上 的较 大推力 ， 影 响 安全 。 4 ． 2 空气 动 力效应 计算 基于 问题 l ， 考 虑计 算简 化 ， 采用 了如 图 3所 示 的 高速列车模型几何参数。出发点是为了计算支架底部 所受 风力 的大 小或 者分 布 。 图 3 高速列车模型几何参数示意 单位 mm 4 ． 2． 1 棚 户 支架 既有 沪 宁铁路 上行 中心 线到棚 户支 架 中心连线 的 距 离为 6 ． 0 m； 既有 沪 宁铁 路 上 行 中心 线 到 铁 路 护 栏 的距 离 为 4 ． 7 m。铁 路 护栏 和 临 时施 工 的棚 户 支架 与 路轨平 行 ， 设定 联 合作 用 的计 算尺 寸 为 HW L 5． 0 mx3 ． 0 rex6． 0 m。 既 有沪 宁铁 路 两 侧 安 装 的实 际 支 架 长 达 1 0 6 m， 由于顶 部做 了防护层 ， 高速 列 车 通 过 时会 产 生 一定 程 度 的 “ 活 塞效 应 ” 。 当高速 列车通 过 棚 户 支架 时产 生 的 风 致效 应 ， 是 指列车 高速 运行 引发 的列 车 与建 筑 物 之 间 湍 流 、 绕 流 流动产 生 的 压 力 ， 这 一 问 题 十 分 复 杂 ， 归 为 非 定 常 U n s t e a d y F l o w 具 有 相对移 动 边界 的湍 流 、 绕 流 T u r b u l e n t F l o w 问 题 。后 面 的 计算 结 论 中产 生 的 负压 即 为前 面 的报 告 中 提 到 的 “ 火 车 通 过 时 的 风 吸效 应 ” 。 当建筑 物距 离列 车较 近 ， 而列 车速度 较高 时 ， 这 种绕 流 对建 筑物 有很 大的甚 至是 破坏 性影 响 。 我单位聘请有专业资质的西南交通大学土木学院 桥梁系基于非定常湍流 、 绕流理论的空气动力仿真计 算 具体 计算 过程 不再 描述 结 果 总结 出 了如 下 的 结论 。 92 4 ． 2 ． 2有 关计 算结 论 1 压力 系数 随着建 筑 物 内侧 面 与轨 道 中 心距 离 d而变化 图 4列 出 了 建 筑 物 内 侧 面 与 轨 道 中 心 距 离 d 6 ． 0 m 和 d 4 ． 7 m下 两 种情 况 ， 列 车驶 向建筑 物 时建 筑物 内侧 面中心 点 的压 力 系数 变化 值 。可 以看 出 ， 当 列车 刚刚驶 向建 筑物 时 ， 压 力系 数逐步 增加 ； 当列 车头 部到 达 中心 点 时 ， 压力 系数 达到 最大值 ； 列 车头部 驶过 中心 点后 ， 压力 系数 很 快 降 至最 底 点 ， 然后 逐 步 回升 ， 仍保 持负压 ； 当列车尾 部驶 过 中心点 时 ， 压力 系数 有 明 显下 降 ， 然 后逐 步 回升 至零 附近 。两者 的规 律一致 ， 但 当列 车轨道 中心 与建 筑物 内侧 面 的距 离 增 大 至 6 ． 0 m 时 ， 压 力系数 极值 有 明显 下 降 。压 力 系 数定 义 C P 一尸 ／ q ， 其 中 P 为测 点压 力 ， P 为 无 穷远 处 来 流 静压 ， 这 里 指 当地 大 气 压 ； q 为 无穷 远 处来 流 动 1 压， q p v 2o， P为当地大气密度， 为来流速度， 二 这里 指列 车运行 速度 。 辍 出 0 行车距离， m 图 4 内侧 面中心点压 力系数变化 2 建筑物 不 同侧面 压力 系数 的变化 考 察 的 计算 尺 度 范 围 内 ， 建 筑 物 的 内侧 面 、 外 侧 面 、 迎风 面 、 背 风 面中心 点 的压 力 系数变化 。从 图 5中 可 以看 出 ， 列 车驶 向建 筑 物 时 ， 迎 风 面 和 内侧 面 压 力 系数逐 步增加 ， 当列 车头 部 到 达迎 风 面 和 内侧 面 中点 时 ， 两 中心点 压力 系数 分别 达到最 大值 ， 迎风 面的 正压 峰值 较 大 ， 内侧面 较 小 。列 车 头部 驶 过 迎风 面和 内侧 面后 ， 两点压 力 系数很 快降 至最底 点 ， 内侧面 负压 峰值 较大 ， 迎风 面 较 小 ， 接 着 迎 风 面 和 内侧 面压 力 逐 步 回 升， 内侧面仍保持负压， 而迎风面升至正压 ， 但量级较 小 。外侧 面和背 风面 当列 车头 部到达 时 ， 外 侧面 和背 辍 出 O m 图 5 建筑物 四个侧面 中心点压力 系数变化 铁道标准设 计R AI L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 2 张建民 ， 陈宝 良， 李 达一高速铁路棚护支架 空气动力效应分析 风面 两 中心 点 压 力 系数 降 至 最 低 点 。列 车 头 部 驶 过 时， 压力系数逐步回升， 并保持负压 。当列车尾部驶过 中心 点 时 ， 压 力 系 数 都 有 下 降 ， 然 后 逐 步 回 升 至 零 附近 。 3 内侧 面 的面荷 载 随轨心 距 离 的改变 变化值 若 设垂 直 于 内侧 面 的面荷 载 P ， 图 6则 显 示 了在 速度分 别为 V 1 6 0 k m ／ h和 2 5 0 k m ／ h两种 工况 下 ， 改变轨 心 与建筑 物 内侧 面间距 时 ， 内侧 面 的 面荷 载 P 的变化 图 。 由图 7可看 出 ， 随着 间距 的增 加 ， 面荷 载 以 较 快 的速度 降低 。 兰 值 暮 匿 图 6 水 平 方 向垂 直 于 内侧 面 的 面 荷 载 随 间 距 改 变 变 化 4 棚 户 支架所 受 的空气 压力 具体 到 既有沪 宁 铁路 线 上 的棚 户 支 架 ， 当单 独 一 列列 车通 过 ， 铁 路护 栏无 遮 时 ， 棚 户支 架 的 内侧 面直 接 受力 。拟 定列 车速 度 2 5 0 k m ／ h ， 轨心 到支 架 内侧 面 间距 大约 为 6 ． 5 m 时 ， 列车 头部驶 过 内侧 面后 ， 该 点 压 力 系数很 快降 至最 底 点 ， 内侧 面 负 压 峰 值较 大 。 由图 6可 以 基 本 得 到 支 架 内 侧 面 的 面 荷 载 P 约 为 2 3 6 N ／ m 。这 一 荷 载 已 经 降 为 峰 值 面 压 力 荷 载 的 大 约 2 4 ％ 。若 考 虑铁路 护 栏 对 支 架 面 的 遮 挡 ， 那 么 支架 所 受的峰值面压力荷载将更小。也即火车经过时产生的 风吸效 应 由于受铁 路 护 栏 的 第 一层 防 护 ， 直 接对 钢 管 桩 支架 的影 响减小 。 4 ． 2 ． 3 断面 上 空气 压 力监 测点 的变 化趋 势 根据 现场 实施 的 测 点安 排 情 况 ， 图 7是 类 似 一 座 方形 隧道 口的立 面 图 上某 一 断 面 安 排 了 K 1～K1 1的 分 布的风 场压 力监 测 点 ， 当列 车从 左 侧 高速 进 入 棚 户 支架 围起 的空 间区域 时 ， 其 中列 车长 度 为 1 l 0 m， 列 车 速度 为 2 5 0 k m ／ h 7 0 m／ s ， 阻塞 比为 0 ． 0 8 2 2 ， 测 点 断 面位 于距 离入 口 5 5 m。经 过 现 场 精 密 仪 器 实 测 得 到 图 8数 据结 果 。 4 ． 2 ． 4对 支架顶 棚 的受 力分 析 如 果按 支架 顶棚 断面 各点 处 的最 大压力 值作 用在 顶 棚上 ， 可 以对顶 棚产 生一 定 的影 响 ， 顶 棚 区间一 半 面 积 大小 约 2 5 m ， 当 按 照 图 8结 果 取 最 大 的峰 值 压 力 铁道 标准设计R A I L W AY S T A ND A R D D E S I G N 2 0 1 0 2 [ 桥 梁 ●压力监测点 图 7支 架 断 面 风 场 中压 力 监 测 点 单 位 c , m 皤 断 面 上 压 力 测 点 图 8 同一断面各点处 的最大 压力变化 1 ． 3 4 k P a ， 产 生 的 向上 的推 力 为 3 3 ． 5 k N， 一 半 支 架 及 模 板 等 的重力 是 5 3 ． 7 3 ／ 2 2 6 ． 8 6 k N， 因 此 ， 简 单 搁 置 时高速 列 车通 过时 可 能 有一 定 的危 害 ， 但 构 造 上 顶 棚 在 两端 已经约束 ， 足 以承 受 向上 的推 力 ， 应 无虑 。由于 受 铁路 护栏 的挡 风 作 用 ， 钢 管 桩 支 架底 部 直 接 受 风 力 影 响较 小 。支架 顶 棚 当不 增 强 约 束 时 ， 高 速 列 车 通 过 时 ， 通过 施 加约束 ， 空载状 态 下应无 恙 。 5 结 语 经 过 以上 高 速 列 车 通 过 顶 棚 时 空 气 动 力 效 应 分 析 ， 又结 合现 场施 工情 况 以及 实际测 量 的数据 结果 ， 防 护棚 架设 计结 构 ， 即 能满 足 上 部 钢 筋 混 凝 土结 构 施 工 受力需要 ， 也能承受高速列车通过时产生的空气动力 效应对 支 架顶 棚造 成 的危 害 。棚 架 搭设完 成 以后 的施 工 过程 中 ， 高速 列 车运行 没 有减 速也 未停 运 ， 成 功地 解 决 了既有铁 路 与新 建铁路 相 互干 扰 、 相互影 响 的 问题 ， 安全得到了有效保证 ， 为以后相似跨 既有铁路工程提 供 了宝 贵 的经验 。 参 考文 献 [ 1 ] 西南交通大学． 高速列车通过棚户支架时空气动力效应计 算分析 [ R] ． 成都 2 0 0 9 ． [ 2 ] T B -- 1 0 0 0 2 ． 1 --2 0 0 5， 铁路 桥涵设计基本 规范 [ S ] ． [ 3 ] 铁办 2 0 0 8 --1 9 0 ， 铁路营业 线施工 安全 管理办法 [ s ] ． 『 4 ] 太 原 工学 院． 震 动 计 算 『 M] ． 北 京 中 国建 筑 工、 I 出 版 社 ． 1 9 7 8 ． 9 3 孺