桥上电缆槽盖板位置稳定性空气动力试验研究.pdf

桥 梁 桥上电缆槽盖板位置稳定性空气动力试验研究 张 立 江 铁道第三勘察 设计 院集 团有 限公 司桥梁设计处 ，天津3 0 0 1 4 2 摘 要 列车空气动力和 自然风 的作 用对高速铁路桥上盖板 的位 置稳定有重要影响 ， 控制着 R P C轻型 电缆槽盖板 的最 小厚度。结合德 国在该方面空气动力研究成果和既有 工程观 测成果 ， 运 用数 字仿 真和风洞试 验的手段 ， 以保 证盖板位置稳定为原则 ， 对郑西客运 专线桥 上拟采 用的最小 2 c m厚 电缆槽盖板 厚度 的合 理性进行 研 究， 给 出 了列 车空气动 力作 用下盖板位置稳定性有保证 以及在列车空 气动力和横 向 自然风共 同作 用下盖板 位置稳 定性无 法保 证 的 结论 性 意 见 ， 为 RP C轻 型 盖 板 的设 计 、 施 工 、 维护 提 供 了指 导 。 关 键 词 客 运 专 线 ；铁 路 桥 ；空 气动 力 ； 盖板 ；稳 定性 中图分类 号 U 4 4 3 ． 5 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 4 2 9 5 4 2 0 1 3 0 3 0 0 7 4 0 3 Ae r o d y na mi c Ex pe r i me nt a l S t ud y o n Po s i t i o n St a b i l i t y o f Co v e r Pl a t e s o f Ca b l e Tr o ug h u po n Br i d g e Z H A N G L i - j i a n g B r i d g e E n g i n e e r i n g De p a r t me n t ，t h e T h i r d Ra i l w a y S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e Gr o u p Co r p o r a t i o n，T i a n j i n 3 0 0 1 4 2，C h i n a Abs t r a c tTr a i n i nd u c e d a e r o d y n a mi c f o r c e a n d n a t u r a l wi n d f o r c e h a v e g r e a t i n flu e n c e o n po s i t i o n s t a b i l i t y o f c o v e r p l a t e s o f c a b l e t r o ug h u p o n t he br i d g e o f h i g h s p e e d r a i l wa y，whi c h c o nt r o l t h e mi ni mu m t h i c k ne s s o f RPC l i g h t d u t y c o v e r p l a t e s ．I n c o mb i n a t i o n wi t h t h e r e l e v a n t s t u d y r e s u l t s o f Ge r ma n y a n d t h e e x i s t i n g o b s e r v i n g r e s u l t s ，by wa y o f n u me r i c a l s i mul a t i o n a n d wi nd t u n n e l t e s t ，a n d o n t h e b a s i s o f e n s u r i n g t h e s t a b i l i t y o f c o v e r p l a t e ’ s po s i t i o n，t h e r e a s o n a bi l i t y o f t h i c k n e s s wa s r e s e a r c h e d f o r t h e c o v e r p l a t e s o f c a b l e t r o u g h wi t h a mi n i mum t hi c k n e s s o f 2 c m whi c h wi l l b e u s e d u p o n t h e b r i d g e s o f Zh e n g z h o u Xi ’ a n P a s s e n g e r De di c a t e d Li n e ．Th e c o n c l u s i o n d r a wn f r o m t h i s s t u d y i s t h a t t h e s t a b i l i t y o f t h e c o v e r p l a t e ’ s p o s i t i o n c a n b e e n s u r e d i f t h e r e i s o n l y t h e t r a i n i n d uc e d a e r o d y n a mi c f o r c e，wh i l e t h e s t a b i l i t y o f t he c o v e r p l a t e ’ s p o s i t i o n c a n no t be e n s u r e d i f t he r e a r e b o t h t he t r a i n i n d u c e d a e r o d y na mi c f o r c e a n d t he n a t u r a l wi nd f o r c e ． Th e c o n c l u s i o n c a n s e r v e a s a g u i d a n c e t o d e s i g n，i n s t a l l a t i o n a n d ma i n t e n a n c e o f RP C l i g h t d u t y c o v e r p l a t e s ． Ke y wo r ds p a s s e n g e r d e d i c a t e d l i n e；r a i l wa y b r i d g e；a e r o d y n a mi c f o r c e；c o v e r p l a t e；s t a bi l i t y 收稿 日期 2 0 1 3 0 l O 7 作者简介 张赢江 1 9 6 5 一 ， 男 ， 高级工程 师 ， 1 9 9 3年毕 业 于天津 大学 力 学 系 ， 工学 硕 士 ， E m a i l o 1“8 4 4 0 y a h o o ． c o in ． c n 。 ●ii ◆i●i ◆i●i ◆i◆◆i． o-●i ●●i●●●◆i i． ●i ●1●ii ●ii , ●◆i i , ◆ii ◆ii , ◆i◆◆．o- ii ◆il◆i i ◆i i , o-●i 3 对于分体式钢箱 ， 目前还没有针对斜拉桥 的 相关规范规定 ， 本实例可供相关设计参考。 参 考文 献 [ 1 ] 易鹏 ． 大跨度公铁两用斜拉桥计算模型简化 的探讨[ J ] ． 铁道标准 设计 ， 2 0 0 3 9 1 6 1 7 [ 2] 马坤全， 王志平． 大跨度铁路斜拉桥抗震 性能研究 [ J ] ． 铁道标 准 设计， 2 0 0 5 4 4 7 ～5 2 ． [ 3 ] 陈开利 ， 余 天庆． 混合梁斜拉桥结合段 设计技术 的新发展 [ J ] ． 铁 道标准设计， 2 0 0 6 5 4 3 4 4 ． [ 4 ] 徐升桥 ， 刘永锋． 北京市六环路斜 拉桥设计关 键技术 [ J ]铁 道标 准设计 ， 2 0 0 9 1 1 5 25 5 [ 5 ] 王 富君． 跨既有铁路矮塔斜拉桥设计与转体施工[ J ] ． 铁道标准设 74 ◆◆◆◆i◆◆●◆i●◆◆●◆i● 计 ， 2 0 1 1 3 5 86 1 ． [ 6 ] 刘士林． 斜拉桥[ M] ． 北京 人民交通出版社， 2 0 0 2 ． [ 7 ] 严 国敏． 现代斜拉桥[ M] ． 成都 西南交通大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 8 ] 杨新宝 ， 曹雪琴． 大跨 度铁路斜 拉桥竖 向刚度的研究 [ J ] ．【 海铁 道学 院学报 ， 1 9 9 5 ， 1 6 2 1 2 2 0 ． [ 9] 易伦雄 ． 大跨 度铁路 桥 梁桥型 方案 构思 与设计 [ J ] ． 桥 梁建设 ， 2 0 0 5 2 3 3～3 6． [ 1 0]刘春彦 ． 有碴正交异性板钢桥面系铁路钢桥的设计研究及优越 性 的探讨 [ J ] ． 铁道标准设计通讯 ， 1 9 8 9 2 1 1 1 6 ． [ 1 1 ]韩衍群． 三主桁道碴整体桥面板桁组合 梁桥分析理论及计算 方法 研究 [ D] ． 长沙 中南大学 ， 2 0 0 8 ． [ 1 2 ] [日] 小 西 一 郎． 钢 桥 第 一分 册 [ M] ． 北 京 人 民铁 道 出版 社 ， 1 9 8 1 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 3 0 3 张立江一 桥上电缆槽盖板位置稳定 性空气动力试验研究 1 概 述 为减轻桥面二期恒载， 提高盖板的耐久性 和安装 便捷性 ， 郑西客运专线采用 R P C混凝土对桥上 电缆槽 盖板进行了轻量化设计。根据设计结果 ， 在满足检修 荷载情况下 ， 盖板厚度最小 可采用 2 c m， 但 在高速列 车空气动力及侧 风作用下位置 能否保持稳定无 法判 定 ， 为此 ， 郑西客运专线 中外 咨询联合体组织 中、 德咨 询师开展 了该项研究 ， 以确定 高速列车空气动力及 自 然侧风对盖板 的作用力 ， 给出盖板能保持稳定的最小 厚 度 ， 指 导设 计施 工 。 2主 要参数 列 车 采 用 车 宽 调 整 后 的 I C E 3型 车 宽 b 3 ． 2 6 m ，最 高 速 度3 5 0 k m ／ h 。盖 板 平 面 尺 寸 0 ． 4 9 4 m 0 ． 4 9 4 m， 密度2 3 9 0 k g ／ m ， 厚度 2 c m， 桥面整 体情况见图 1 。 图 1 郑 西客 运专线桥面布置 单位 mm 3 假 定条 件 1 仅考虑盖板外露面承受列车空气动力和 自然 风 的作用 ； 2 假 定 短 暂 和 急 剧 的压 力 变 化 情 况 下 ， 盖 板 下 表面 压力 尚未 释放 ； 3 不 考虑 盖板 间的摩 擦 ； 4 不考虑空气阻力对盖板运动的影响。 4 研究 方 法 运用德 国铁路公 司积累的道旁测量成果评估盖板 受 到 的列 车空 气动 力影 响 ， 使用 A N S Y S C F X软件 包进 行了数字仿真流体力学计算 C F D ， 对缩 尺模型进行 风 洞试 验研 究 。 5桥 面气 流 分析研 究 5 ． 1 列车引起的空气动力 列 车在 盖 板上 引起 的压 力 荷 载根 据 欧洲 规 范 [ p r E N1 9 9 1 ，R I L 8 0 7]和 高 速 铁 路 设 计 规 范 T B 1 0 6 2 1 2 0 0 9 确定。防撞墙 轨顶 以上高度 h 0 ． 3 m， 距轨道中心 Y 2 ． 2 m 为该断 面的特征。根据 [ C E N 0 5 ] ， 推导 出遮蔽 系数 0 ． 3 。严格来说 ， 此 系 铁道标 准设计R A I L W AY S T A ND A R D DE S I G N 2 0 1 3 0 3 桥 梁 数仅对垂直于挡墙上的风速有效 ， 对本研究 ， 考虑到列 车 引 起 的 气 流 有 很 强 的 侧 向 组 分 ， 遮 蔽 系 数 按 0 ． 7 采用 。 临近轨道的盖板 距线路 中心 Y 2 ． 6 m 位置 最 不利 。所 研究 盖板 的临 界 静 压力 P一 4 7 8 P a ， 临 界 压 力系数 C p c r i t 0 ． 1 。数值模 拟计 算表 明 在空气 动 力持续作用时间 A t 0 ． 1 S 内， 局部静压力会超过临界 值 ， 引起的盖板 向上位移 A z 0 ． 1 m m。 5 ． 2桥 面上风 致 流场 自然 风作 用对 盖板稳 定性 也有 重要 影 响。前期 德 国高速 铁路 桥 图 2 a 风洞 试验 已清 晰地 表 明桥 面 结构物对气流有加速效应 。图 2 b 表明 由于梁体影 响 ， 气流速度较地面上有所增加 ， 桥面迎风面邻近轨道 处的最大风速达到地面值 的 1 ． 3倍 ， 产生了强大 的压 力梯度 ， 影响到电缆槽盖板等桥面构造物的位置稳定。 a 德国高速铁路桥 b 桥面对气流速度的影响 图 2 德 国既有 高速铁 路桥 风洞试验结果 另外 ， 对于高桥 ， 由对数边界层法则公式可知桥面 上 的气 流速 度相 对 于地 面气 流速度 有相 当大的提 高 。 ／～、d l l 、 Z o ， 式 中 ， V 、 。 分别 为距 地 面高度 m 和 m 处 的气 流 速 度 ； 为 地 面 气 流 速 度 测 量 点 的高 度 ， 为风 切变 指数 ， O L 0 ． 1 4 。 按此法则 ， 高度 2 0 、 4 0 m处 的风速较 地面 高度 4 m 可增 加 2 5 ％ 和 3 7 ％ 以上 。 以上两种因素都使得桥 面风速大大高 于地面风 速。另外 ， 根据已有研究成果 ， 桥面的具体外形和列车 的出现也影响桥面周围的气流。因此 ， 有必要通过风 洞试验对郑西客运专线情况进行进一步研究。 6风 洞试验 风洞试验是在 哥廷根 的德一 荷 风洞进 行 HD G 的。H D G是封闭风洞， 可提供 1 0 7 P a的高压 ， 产生的 气 流 速度 可达 3 0 m ／ s 。 6 ． 1 试验 模 型 图 3 模型按 11 0 0比例制作 。其最重要 的部分是侧 面遮板及 2道防撞墙 ， 在盖板上 ， 沿纵 向开设了一系列 压力 测试 孔 ， 列 车模 型可 组 合 成单 头 和双 头 2种 形式 。 7 5 桥 梁 张立江一桥上电缆槽盖板位置稳定性空气动力试验研究 a 列车单头部 b 双车头下风向 图 3风洞试验模型 风 洞测试 区 0 ． 6 mx 0 ． 6 m 6 ． 2 工 况 考察 了 5种 工 况 ， 即 ① 桥 上 无 车 横 向 自然 风 ； ②桥上有车 单头 下风； ③桥上有车 双头 下风 ； ④桥上有车 单头 上风 列车近迎风面 ； ⑤桥上有 车 双头 上风 。 6 。 3测试 结果 图 4 为 了保证测试结果 不受雷诺数影响， 采用 了一系 列 不 同的 e 数值 。 2 3 2 2 2 1 2 0 “ ．_ I 迎风面距轨遭 中心距离O I m 图 4风洞测试结果 ， 桥面横 向压力 系数 C 。 变化 测试 结 果显 示 ， 无 车情 况 下 ， 产 生 了二 维 气流 场 。 图 4通过不 同位置的侧 向压力系数给出了压力分布情 况。为说明气流的二维性 ， 纵 向给出 3个不 同截面的 测量 结果 测 量 点 1 7 2 3 ， 2 7 3 0 ， 3 1 3 4 ， 其 中测 量 点 2 7 3 0、 3 1 3 4和 1 7 2 3均 不 在 一 个 截 面 ， 图 中未 显 示 ， 但 在横 向的位置 如 图横坐标 所示 。 压力分布清楚地显示了桥面气流的状况。迎风面 外缘的下部气流形成了大型 的回流区， 气 流分离导致 了大范围的低压区 y 3 ． 8 I l l ， C 0 。在试验流入条 件 4 k g ／ m ， 1 8 m／ s ， 桥面迎 风侧 临近 遮板 处 Y 2 ． 8 m 负压 系数 低 至 C ⋯i 一 0 ． 9 ， 产 生 了 明显 的 吸力。对所研究盖板 ， 在没有声屏障情况下 ， 桥面横风 速 度超 过 V 3 0 m ／ s 时 对 于 4 0 m 高桥梁 ， 相 当于地 面 风速 ⋯ 2 3 m ／ s ， 盖板可能开始竖 向移动， 图5为阵 风持续 时 间 A t 0 ． 5 S 时 ， 盖板 竖 向位 移情 况 。 图中显 示 ， 盖板竖向位移可能高达近 9 0 m m， 此位移已大大超 过盖板 2 0 mm的厚度 ， 导致盖板的位置失去稳定性。 若阵风持续时间按可能性更大的考虑 ， 则盖板位移量 将 会更 大 。 76 暑 { 苣 图 5风洞测试 结果， 竖 向位移 根 据前 述 ， 桥 上列 车对 桥面流 场也 有影 响 ， 但 根据 德 国既有研 究成 果 ， 有 车情 况下 ， 最 大 吸力小 于无 车时 的吸力， 因此， 可仅仅考虑桥上无车情况。 7结论 和建 议 1 临近轨道的盖板为位置最不利盖板 。 2 对 厚度 2 c m 的盖 板 ， 列 车空 气动 力作 用下 ， 位 置 稳定性 有保 证 。 3 依据试验研究结果 ， 横向 自然风作用下 ， 当桥 面风 速 达 到 3 0 m ／ s时， 即 使 短 暂作 用 持 续 时 间 0 ． 5 S ， 盖板 也会 产生 较大位 移 ， 当作 用 时间 增 长或 与 列 车空气 动力 联合 作 用 时 ， 盖板 会 产 生 超 过盖 板 厚 度 的位移 ， 位 置稳定 性无法 保证 。 4 虽然 本 试 验 研 究 结 论 较 为保 守 ， 但 对 于 可 能 受强风作用的高桥 ， 为了防范风险， 建议采用加厚的盖 板或 者能够 固定 的盖板 。 5 应严 格 控 制 盖 板 厚 度 施 工 偏 差 ， 严 格 控 制 安 装偏差 ， 联合调试期问注意对盖板稳定性进行测试 ， 注 意盖 板 的维护 。 参 考文献 [ 1 ] T B 1 0 6 2 1 --2 0 0 9高速铁 路设计规范 [ S ] ． [ 2 ] p r E N 1 9 9 1 1 4 2 0 0 4， E u r o c o d e 1 A c t i o n s o n s t r u c t u r e s --G e n e r a l a c t i o n s -- P a r t 1 4W i n d a c t i o n s ，C EN，Br u s s e l s ．2 0 0 4． [ 3 ] E N V 1 9 9 1 24 ， 风荷载设计暂行标准[ S ] [ 4 ] T B 1 0 0 0 2 ． 1 --2 0 0 5 ， 铁路桥涵设计基本规范 [ S ] [ 5 ] S c h e r z ，J o s e p h A，Ae r o d y n a mi c s o f Hi g h ． S p e e d T r a i n s [ J ] ，A n n u a l Re v i e w o f Fl u i d Me c h a n i c s ．2 0 01 、 3 3 3 71 4l 4． [ 6 ] B e t t l e ，J ．e t a 1 ．A C o m p u t a t i o n a l S t u d y o f t h e A e r o d y n a m i c F o r c e s A c t i n g o n a T r a c t o r - T r a i l e r Ve h i c l e o n a B r i d g e i n C r o s s Wi n d [ J ] ． J o u r n a l o f W i n d E n g i n e e r i n g a n d I n d u s t r i a l Ae r o d y n a mi c s ，2 0 0 3， 9 1 5 7 35 9 2． [ 7 ] E N 1 4 0 6 74 2 0 0 5 R a i l w a y a p p l i c a t i o n s - A e r o d y n a mi c s P a r t 4R e q u i r e me n t s a n d t e s t p r o c e d u r e s f o r a e r o d y n a m i c s o n o p e n t r a c k [ S] ． B r u s s e l s CE N 2 0 0 5． [ 8 ] [ C E N 0 5] C E N E N 1 4 0 6 7 4 2 0 0 5 R a i l w a y a p p l i c a t i o n s Ae r o d y n a mi c s - Pa rt 4 Re q u i r e me n t s a n d t e s t p r o c e d u r e s f o r a e r o d y n a mi c s o n u p e n t r a c k ．Br u s s e l s CEN，2 0 0 5 f 9 ] T B 1 0 7 5 2 --2 0 1 0， 高速铁 路桥涵工程施工质量验收标 准[ S 1 ． 铁道标准设计R AI L W AY S T A N D A R D DE S I G N 2 0 1 3 0 3 2 4 6 8 O一 辍懈 一二