高速铁路桥上防风结构的参数优化研究

For the running safety of the train on high-speed railway bridge in wind zones, the aerodynamic performance of the high-speed railway bridge and the safety protection of the train which are the important front research in the field of disaster prevention and mitigation of the bridge are studied on the basis of the high-speed train coupling with the bridge installed windbreak barriers. First of all, the wind zones along the railway line are divided into different levels where the different windbreak structures are proposed. Then the windbreak effect of the wind barriers is analyzed and the aerodynamic characteristics of the train-bridge-wind barrier system are calculated according to the computational fluid dynamics theory and wind tunnel tests. Establish the wind-vehicle-bridge-wind barrier coupled vibration analysis model considering the impact of wind barrier on the dynamic characteristics of the bridge and the sudden change of wind load induced by into or out of the wind barrier on running safety of the train, to calculate the safety indices of the train with wind barrier in order to build direct relationships between the design parameters of the wind barrier and the train running safety indices. Finally, the design parameters of wind barrier such as the height and opening ratio are optimized by constraints of the derailment coefficient, overturning coefficient, wheel uplift and wheel-rail separation time with the orthogonal test method. These will provide theoretical support and engineering practice reference for the windbreak design and parameters optimization of the railway in the wind zone.

针对风区高速铁路桥上列车运行安全问题，以安装防风屏障之后的桥梁与高速运行车辆耦合系统为对象，研究强风场中高速铁路桥梁的气动力学性能及列车运行安全防护这一桥梁防灾减灾领域的前沿课题。首先对风区铁路沿线进行风场分区，针对不同的风场等级拟定不同的防风结构方案，基于流体动力学理论采用数值模拟方法分析防风屏障的防风效果及计算车－桥－风屏障系统气动特性，并利用风洞试验加以验证；然后建立风－车－桥－风屏障耦合振动分析模型，模型能考虑防风屏障对桥梁动力特性的影响及列车进出防风屏障导致的风载突变对列车运行安全的影响，计算安装防风屏障之后，列车运行安全性评价指标，获得防风屏障设计参数与列车运行安全指标之间的关系；最后，以脱轨系数、倾覆系数、车轮抬升量和轮轨分离时间作为评价条件，采用正交试验方法，优化防风屏障的设计参数（高度及开孔率），为今后风区铁路挡风结构的设计及参数优化提供理论支撑和工程实践参考。

本项目为解决强风区修建高速铁路所遇到的风荷载严重影响列车运行甚至造成列车倾覆这一难题，为减小风力对列车运行的影响，保障列车在强风发生时不停轮、不翻车，提高运力并保障人民群众生命财产安全。对风区高速铁路建设中桥梁防风屏障设置这一关键问题进行精炼细化，最终形成一套完整的基于行车安全的风区桥上防风屏障优化设计理论及应用方法，以保证风区高速铁路桥梁的安全运营和高速列车的平稳安全运行。主要研究内容及结论如下：. 基于空气动力学和车桥耦合动力学理论的防风屏障参数优化设计。为保证强风场中列车运行安全，常在桥上安装风屏障，但是当列车进出风屏障时由于列车上气动力系数的变化导致风力发生突变，因此对列车进出风屏障的区段（风屏障过渡段）进行特殊设计，建立考虑风屏障影响的风-车-桥系统动力相互作用模型，分析列车的走行性能，并深入讨论风屏障过渡段的设计方案。. 提出了基于可靠度理论的桥上列车横风安全性分析框架。基于可靠度理论，分析风荷载作用下高速列车在桥上的运行安全性，利用失效概率来评价桥上列车横风安全性。首先由风洞试验获得的列车和桥梁的气动力系数，然后建立风荷载作用下车桥耦合系统分析模型，计算不同平均风速下高速列车以不同车速在桥上运行时的安全性评价指标，最后基于可靠度理论计算高速列车桥上运行的失效概率。. 对桥上防风结构的进行可靠度评价。防风屏障结构承受的主要荷载为自然风荷载和车致脉动风荷载，其具有随机性的特点，因此对铁路桥梁风屏障在风荷载和车致风荷载共同作用下的构件和结构体系静动力可靠度进行计算并评估风屏障的可靠性，以保证风屏障的安全性，防止其在强风作用下倾覆对列车安全运行造成威胁。同时还对风屏障结构体系的静动力可靠度进行了参数敏感性分析。