環(huán)境風(fēng)作用下的高速鐵路行車安全問(wèn)題研究

環(huán)境風(fēng)作用下的高速鐵路行車安全問(wèn)題研究

高速運(yùn)營(yíng)速度很快，周圍氣流變化顯著。在風(fēng)暴和其他不利天氣條件下，列車可能會(huì)受到強(qiáng)烈的橫向風(fēng)，這會(huì)導(dǎo)致車輛兩側(cè)之間的較大差異，導(dǎo)致嚴(yán)重的鐵路事故，如列車脫軌和傾斜。我國(guó)東南沿海地區(qū)人員流動(dòng)大、鐵路網(wǎng)密集,已開通的杭福深客運(yùn)專線等一系列沿海高速鐵路,大大提高了該地區(qū)旅客輸送效率。同我國(guó)其他地區(qū)相比,東南沿海及海島等地為我國(guó)風(fēng)能極為豐富的地區(qū),每年的臺(tái)風(fēng)、短時(shí)強(qiáng)對(duì)流等氣候?yàn)?zāi)害較為多發(fā)國(guó)內(nèi)外學(xué)者為研究不同風(fēng)速對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響建立了多種環(huán)境風(fēng)速模型。Yan等人建立了模擬臺(tái)風(fēng)邊界層風(fēng)場(chǎng)特性分析模型并利用臺(tái)風(fēng)Caitlin、Kinna、Mireille風(fēng)速風(fēng)向?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該模型的適用性1沿途環(huán)境風(fēng)速數(shù)據(jù)的采集1.1運(yùn)專線運(yùn)行線路溫州-廈門客運(yùn)專線由多條線路銜接而成,于2009年開始陸續(xù)開通,并于2013年全線通車,是我國(guó)“四縱四橫”客運(yùn)專線中的一部分。線路總里程約為573.3km,其中橋梁和隧道占全線的62.56%,該線路所經(jīng)地區(qū)受臺(tái)風(fēng)和季風(fēng)影響頻繁,風(fēng)速較大且風(fēng)況較復(fù)雜。以此條客運(yùn)專線作為大風(fēng)實(shí)測(cè)段,測(cè)風(fēng)點(diǎn)如圖1所示。在此待測(cè)線路的關(guān)鍵站點(diǎn)(沿線的所有大山埡口地段)共計(jì)72個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)采集風(fēng)速樣本數(shù)據(jù),可以對(duì)全線的環(huán)境風(fēng)特性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。測(cè)點(diǎn)列表如表1所示。1.2風(fēng)速儀安裝及測(cè)量每一個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)配備一個(gè)大風(fēng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備由2套風(fēng)速儀、數(shù)據(jù)采集單元組成,設(shè)置在沿線大橋上的鐵路接觸網(wǎng)立柱上,設(shè)置高度為(4±0.1)m風(fēng)速儀布置方法如圖2所示。風(fēng)速傳感器用不銹鋼支架固定于接觸網(wǎng)立柱上,傳感器每秒(動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率為60Hz)實(shí)時(shí)發(fā)送一回風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)到GSM-R基站監(jiān)控單元并自動(dòng)存儲(chǔ)。風(fēng)速儀探頭量程為:±80m/s(±5%測(cè)量值),測(cè)量精度<0.03m/s。環(huán)境溫度為-20℃~70℃。兩個(gè)風(fēng)速儀呈相互垂直角水平安裝。收集的所有測(cè)風(fēng)點(diǎn)風(fēng)速數(shù)據(jù)樣本量很大,首先依據(jù)我國(guó)鐵路現(xiàn)行的高速鐵路列車環(huán)境風(fēng)速管制值設(shè)定警報(bào)值2環(huán)境風(fēng)作用風(fēng)速計(jì)算方法近地環(huán)境風(fēng)由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)組成,平均風(fēng)引起的靜風(fēng)載荷作用在列車上直接影響到列車的氣動(dòng)特性及運(yùn)行穩(wěn)定性,容易使列車輪軌動(dòng)力學(xué)特性及輪軌接觸關(guān)系發(fā)生變化,可能會(huì)誘發(fā)列車傾覆超限及脫軌等一系列安全隱患。脈動(dòng)風(fēng)引起的脈動(dòng)風(fēng)載荷作用在車體上會(huì)導(dǎo)致車體脈沖氣動(dòng)力的突變,有可能會(huì)導(dǎo)致行車安全問(wèn)題。且高密度的荷載往復(fù)作用在車體上可能會(huì)引起車體部分結(jié)構(gòu)的疲勞破壞,同時(shí)影響運(yùn)行列車的乘坐舒適性。環(huán)境風(fēng)作用在高速列車上,會(huì)引起列車姿態(tài)的響應(yīng),當(dāng)這種響應(yīng)超過(guò)一定限度時(shí),會(huì)對(duì)行車安全構(gòu)成威脅。一般來(lái)說(shuō),風(fēng)在高速列車上的作用力可以分成3類(1)平均風(fēng)引起的平均風(fēng)載荷,決定著列車的渦振、靜風(fēng)失穩(wěn)等風(fēng)振問(wèn)題;(2)脈動(dòng)風(fēng)引起的脈動(dòng)風(fēng)載荷,決定著列車的抖振問(wèn)題;(3)風(fēng)與高速列車耦合振動(dòng)產(chǎn)生的慣性力。鑒于此,對(duì)于所采集到的風(fēng)速數(shù)據(jù),需關(guān)注其以下特性:(1)對(duì)風(fēng)振問(wèn)題,研究風(fēng)的平均風(fēng)特性,包括平均風(fēng)速和平均風(fēng)速剖面等;(2)對(duì)抖振問(wèn)題,研究風(fēng)的湍流脈動(dòng)特性,包括湍流強(qiáng)度、陣風(fēng)因子和風(fēng)加速度等。環(huán)境風(fēng)特性分析所需參數(shù)包括平均風(fēng)特性參數(shù)和脈動(dòng)風(fēng)特性參數(shù),風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)隨著地形地貌、地理位置以及氣候條件的不同而不同。2.1平均時(shí)距t與t平均風(fēng)速反映環(huán)境風(fēng)在一定時(shí)距內(nèi)的速度水平。對(duì)于所采集的風(fēng)速數(shù)據(jù),其包含有水平風(fēng)速和風(fēng)向兩重信息。風(fēng)速儀測(cè)得兩個(gè)角度的風(fēng)速數(shù)據(jù),得到合速度,把該風(fēng)速分解到對(duì)照軌道方向建立的正交坐標(biāo)軸上,如圖3所示。其中x方向表示沿軌道方向,y方向表示垂直軌道方向,θ為主風(fēng)向和列車之間的夾角,U為環(huán)境風(fēng)速在列車行駛方向的分速度。平均時(shí)距T的長(zhǎng)度決定了平均風(fēng)速的計(jì)算結(jié)果,時(shí)距太長(zhǎng)或太短都不利于分析平均風(fēng)特性,本文平均時(shí)距取為10min。研究表明,最大和最小風(fēng)速之差的平均值,隨時(shí)距的增加而增大,但當(dāng)時(shí)距增大到10min以后變得緩慢,表明10min這個(gè)時(shí)距得出的風(fēng)速平均值是具有代表性的2.2陣風(fēng)因子及平均風(fēng)速最大的平均風(fēng)速風(fēng)在一定時(shí)距內(nèi)存在波動(dòng),這種波動(dòng)的強(qiáng)度可以用陣風(fēng)因子表示。陣風(fēng)因子G定義為時(shí)距tg內(nèi)的平均風(fēng)速最大值U(tg)與平均風(fēng)速珚U之比,而tg的長(zhǎng)度對(duì)于陣風(fēng)因子的計(jì)算結(jié)果有著重要影響。目前一般取平均時(shí)距T內(nèi)所有1~3s內(nèi)的平均風(fēng)速的最大值,文中取3s作為時(shí)距tg的長(zhǎng)度G值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù),其值越大,說(shuō)明風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度越大。2.3環(huán)境風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)偏差值與平均風(fēng)速比值的計(jì)算方法湍流強(qiáng)度I表示風(fēng)速在時(shí)域和空域上變化的劇烈程度,也反映風(fēng)的脈動(dòng)強(qiáng)度。我國(guó)將湍流強(qiáng)度定義為10min的環(huán)境風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)偏差值與平均風(fēng)速的比值,其計(jì)算方法如下:式中:σ———環(huán)境風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差值。I值是一個(gè)無(wú)量綱參數(shù),其值越大,說(shuō)明風(fēng)速脈動(dòng)的強(qiáng)度越大。3夏季風(fēng)速偏高,列車停輪風(fēng)過(guò)從全線的風(fēng)速信息監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表1中看出,其中5~8月報(bào)警次數(shù)和級(jí)別均高于其他季節(jié),因此判定夏季為該鐵路所處地區(qū)的風(fēng)季,這與當(dāng)?shù)嘏_(tái)風(fēng)特征相吻合,環(huán)境風(fēng)速呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性,夏季風(fēng)速明顯偏高。此外FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)與WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在2012年5月和7月各出現(xiàn)過(guò)一次4級(jí)報(bào)警,在發(fā)生報(bào)警的時(shí)刻該段行駛的列車必須停輪避風(fēng)。從運(yùn)營(yíng)管理的角度出發(fā),需要重點(diǎn)分析這兩個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)以及臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)在該報(bào)警時(shí)段的環(huán)境風(fēng)特性。3.1平均風(fēng)速、風(fēng)特性選取測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1031及其前后各2個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1010、FXF1019、FXF1040、FXF1044,這5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)較均勻地分布在沿線方向34km范圍內(nèi)。對(duì)5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)報(bào)警當(dāng)天風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行低通六階濾波處理,輸出各測(cè)風(fēng)點(diǎn)1s時(shí)程風(fēng)速,再將各測(cè)風(fēng)點(diǎn)濾波后的數(shù)據(jù)按照10min平均時(shí)距分成不同子樣本,計(jì)算每個(gè)子樣本的珚U。測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1019和FXF1031在2012年5月10日全天1s時(shí)程風(fēng)速及10min平均風(fēng)速如圖4所示,另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1s時(shí)程風(fēng)速及10min平均風(fēng)速分布與圖4(a)相似。由圖4可知,FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)在報(bào)警日所測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到30.10m/s,持續(xù)穩(wěn)定111s后回落到3.11m/s,而臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)所測(cè)最大風(fēng)速均不超過(guò)12m/s。FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)處10min平均風(fēng)速最大值為15.29m/s,各測(cè)風(fēng)點(diǎn)全天10min平均風(fēng)速總體變化幅度較大。選取測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0786及其前后各2個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0782、WFF0784、WFF0790、WFF0792,5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)較均勻的分布在沿線方向10km范圍內(nèi)。測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0784和WFF0786在2012年7月16日全天1s時(shí)程風(fēng)速和10min平均風(fēng)速如圖5所示。另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)1s時(shí)程風(fēng)速及10min平均風(fēng)速分布與圖5(a)相似?？梢钥闯鯳FF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在報(bào)警日所測(cè)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到35.19m/s,持續(xù)穩(wěn)定8s后回落到32.63m/s,臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)均在同一時(shí)段出現(xiàn)了風(fēng)速最值。WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)處10min平均風(fēng)速最大值為12.88m/s,各測(cè)風(fēng)點(diǎn)平均風(fēng)特性相似,在最大風(fēng)速時(shí)段外的10min平均風(fēng)速集中分布在0.50~3.05m/s區(qū)間,總體變化幅度較小。同樣選取FXF1010~FXF10445個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn),將這5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)報(bào)警當(dāng)天風(fēng)速數(shù)據(jù)按照10min時(shí)距分成不同的子樣本,計(jì)算每個(gè)子樣本中脈動(dòng)風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)方差值及10min時(shí)距內(nèi)所有3s平均風(fēng)速最大值,再根據(jù)式(2)和式(3)計(jì)算這5個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)在報(bào)警日全天湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子值,測(cè)風(fēng)點(diǎn)FXF1019和FXF1031全天湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速分布情況如圖6所示。另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子分布情況與圖6(a)相似。根據(jù)圖6可知,FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)處湍流強(qiáng)度值分布在0.10~3.40區(qū)間,陣風(fēng)因子值分布在0.50~34.93區(qū)間,其幅值和離散程度遠(yuǎn)高于臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn),結(jié)合FXF1031測(cè)風(fēng)點(diǎn)及其臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)的平均風(fēng)特性,認(rèn)為該日風(fēng)速數(shù)據(jù)不可信,風(fēng)速超限屬于誤報(bào)。同樣選取WFF0782~WFF07925個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn),分析其脈動(dòng)風(fēng)特性。測(cè)風(fēng)點(diǎn)WFF0784和WFF0786全天湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子隨10min平均風(fēng)速分布情況如圖7。另外3個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子分布與圖7(a)相似。由圖7可知,WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)及其臨近測(cè)風(fēng)點(diǎn)的湍流強(qiáng)度值集中分布在0.10~1.20區(qū)間,陣風(fēng)因子值集中分布在1.25~8.00區(qū)間,其幅值和離散程度較為一致。隨著平均風(fēng)速的升高,湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子值均呈下降趨勢(shì),當(dāng)平均風(fēng)速超過(guò)2m/s時(shí),各測(cè)風(fēng)點(diǎn)湍流強(qiáng)度值一般不超過(guò)0.50,陣風(fēng)因子值一般在2.00左右波動(dòng)。WFF0782~WFF07925個(gè)測(cè)風(fēng)點(diǎn)在沿線方向10km范圍內(nèi)組成的最大風(fēng)速段在報(bào)警日當(dāng)天平均風(fēng)特性相似,10min平均風(fēng)速最大值均出現(xiàn)在同一時(shí)段。與文獻(xiàn)3.2最大風(fēng)速點(diǎn)總體脈動(dòng)強(qiáng)度較高最大風(fēng)速出現(xiàn)在WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn),因此將該測(cè)風(fēng)點(diǎn)作為沿線典型大風(fēng)點(diǎn)。將WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在2012年前10個(gè)月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以月份為單位分為10組,每組以當(dāng)月最大風(fēng)速出現(xiàn)日為基準(zhǔn),取其前后連續(xù)共7d的風(fēng)速數(shù)據(jù)組成當(dāng)月樣本,各月樣本信息如表3所示。6、7月份最大風(fēng)速點(diǎn)處各項(xiàng)風(fēng)特性參數(shù)分析結(jié)果分別如圖8和圖9所示,其他月份湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子分布規(guī)律與圖8、圖9相似,10min平均風(fēng)速最大值介于6、7月份之間。圖8、圖9可知:最大風(fēng)速點(diǎn)處各月最大平均風(fēng)速不超過(guò)13m/s,7月份最大平均風(fēng)速為12.93m/s,6月份最大平均風(fēng)速為6.21m/s。前10個(gè)月最大風(fēng)速點(diǎn)處湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子總體平均值分別為0.38和2.23,表明最大風(fēng)速點(diǎn)總體脈動(dòng)強(qiáng)度較高。湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值在各月中的分布規(guī)律一致,呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性,均在較低平均風(fēng)速水平中分布較集中,且湍流強(qiáng)度大小集中分布在0.10~1.00區(qū)間,最大值不超過(guò)2.00,陣風(fēng)因子值集中分布在1.00~8.00區(qū)間,最大值不超過(guò)16.00。隨著平均風(fēng)速的升高,湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值的分布范圍迅速收斂,離散度降低,在大于5m/s的平均風(fēng)速中湍流強(qiáng)度值一般不超過(guò)0.50,陣風(fēng)因子值一般不超過(guò)2.00,湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值在大于10m/s的平均風(fēng)速水平中分布概率很小。由于各樣本實(shí)測(cè)風(fēng)速時(shí)程均為非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程,環(huán)境風(fēng)速具有一定的突變性,在突變過(guò)程中風(fēng)速變化快且破壞性強(qiáng)。本文定義風(fēng)速系數(shù)λ式中:i=1,2———表風(fēng)速上升和回落過(guò)程;U△t———風(fēng)速突變所用時(shí)間。為了進(jìn)一步分析各樣本最大風(fēng)速時(shí)段環(huán)境風(fēng)速突變過(guò)程,表4統(tǒng)計(jì)了WFF0786測(cè)風(fēng)點(diǎn)在樣本S由表4可知,在每月最大風(fēng)速時(shí)段環(huán)境風(fēng)速突變過(guò)程中,對(duì)應(yīng)的湍流強(qiáng)度及陣風(fēng)因子值都較大。表明此時(shí)環(huán)境風(fēng)的脈動(dòng)能量較大;湍流強(qiáng)度值集中分布在0.10~0.30區(qū)間,陣風(fēng)因子值集中分布在1.30~2.50區(qū)間,湍流強(qiáng)度與陣風(fēng)因子對(duì)應(yīng)關(guān)系較好,當(dāng)陣風(fēng)因子值增大時(shí),湍流強(qiáng)度值也增大。風(fēng)速系數(shù)的離散程度高,且風(fēng)速上升系數(shù)與風(fēng)速回落系數(shù)無(wú)關(guān)。4陣風(fēng)因子及湍流強(qiáng)度的幅值、離散度通過(guò)對(duì)東南沿海鐵路沿線環(huán)境風(fēng)特性分析,文中得到以下結(jié)論:(1)東南沿海某鐵路沿線環(huán)境風(fēng)速呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性,夏季風(fēng)速明顯偏高。沿線最大風(fēng)速段內(nèi)各處全天環(huán)境風(fēng)特性相似,1