環(huán)境風作用下的高速鐵路行車安全問題研究

環(huán)境風作用下的高速鐵路行車安全問題研究

高速運營速度很快，周圍氣流變化顯著。在風暴和其他不利天氣條件下，列車可能會受到強烈的橫向風，這會導致車輛兩側之間的較大差異，導致嚴重的鐵路事故，如列車脫軌和傾斜。我國東南沿海地區(qū)人員流動大、鐵路網(wǎng)密集,已開通的杭福深客運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。同我國其他地區(qū)相比,東南沿海及海島等地為我國風能極為豐富的地區(qū),每年的臺風、短時強對流等氣候災害較為多發(fā)國內外學者為研究不同風速對建筑結構的影響建立了多種環(huán)境風速模型。Yan等人建立了模擬臺風邊界層風場特性分析模型并利用臺風Caitlin、Kinna、Mireille風速風向實測數(shù)據(jù)驗證該模型的適用性1沿途環(huán)境風速數(shù)據(jù)的采集1.1運專線運行線路溫州-廈門客運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“四縱四橫”客運專線中的一部分。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)受臺風和季風影響頻繁,風速較大且風況較復雜。以此條客運專線作為大風實測段,測風點如圖1所示。在此待測線路的關鍵站點(沿線的所有大山埡口地段)共計72個測風點采集風速樣本數(shù)據(jù),可以對全線的環(huán)境風特性進行統(tǒng)計分析。測點列表如表1所示。1.2風速儀安裝及測量每一個測風點配備一個大風監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)的現(xiàn)場設備由2套風速儀、數(shù)據(jù)采集單元組成,設置在沿線大橋上的鐵路接觸網(wǎng)立柱上,設置高度為(4±0.1)m風速儀布置方法如圖2所示。風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(動態(tài)響應頻率為60Hz)實時發(fā)送一回風速風向數(shù)據(jù)到GSM-R基站監(jiān)控單元并自動存儲。風速儀探頭量程為:±80m/s(±5%測量值),測量精度<0.03m/s。環(huán)境溫度為-20℃~70℃。兩個風速儀呈相互垂直角水平安裝。收集的所有測風點風速數(shù)據(jù)樣本量很大,首先依據(jù)我國鐵路現(xiàn)行的高速鐵路列車環(huán)境風速管制值設定警報值2環(huán)境風作用風速計算方法近地環(huán)境風由平均風和脈動風組成,平均風引起的靜風載荷作用在列車上直接影響到列車的氣動特性及運行穩(wěn)定性,容易使列車輪軌動力學特性及輪軌接觸關系發(fā)生變化,可能會誘發(fā)列車傾覆超限及脫軌等一系列安全隱患。脈動風引起的脈動風載荷作用在車體上會導致車體脈沖氣動力的突變,有可能會導致行車安全問題。且高密度的荷載往復作用在車體上可能會引起車體部分結構的疲勞破壞,同時影響運行列車的乘坐舒適性。環(huán)境風作用在高速列車上,會引起列車姿態(tài)的響應,當這種響應超過一定限度時,會對行車安全構成威脅。一般來說,風在高速列車上的作用力可以分成3類(1)平均風引起的平均風載荷,決定著列車的渦振、靜風失穩(wěn)等風振問題;(2)脈動風引起的脈動風載荷,決定著列車的抖振問題;(3)風與高速列車耦合振動產(chǎn)生的慣性力。鑒于此,對于所采集到的風速數(shù)據(jù),需關注其以下特性:(1)對風振問題,研究風的平均風特性,包括平均風速和平均風速剖面等;(2)對抖振問題,研究風的湍流脈動特性,包括湍流強度、陣風因子和風加速度等。環(huán)境風特性分析所需參數(shù)包括平均風特性參數(shù)和脈動風特性參數(shù),風場特性參數(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平均時距t與t平均風速反映環(huán)境風在一定時距內的速度水平。對于所采集的風速數(shù)據(jù),其包含有水平風速和風向兩重信息。風速儀測得兩個角度的風速數(shù)據(jù),得到合速度,把該風速分解到對照軌道方向建立的正交坐標軸上,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為主風向和列車之間的夾角,U為環(huán)境風速在列車行駛方向的分速度。平均時距T的長度決定了平均風速的計算結果,時距太長或太短都不利于分析平均風特性,本文平均時距取為10min。研究表明,最大和最小風速之差的平均值,隨時距的增加而增大,但當時距增大到10min以后變得緩慢,表明10min這個時距得出的風速平均值是具有代表性的2.2陣風因子及平均風速最大的平均風速風在一定時距內存在波動,這種波動的強度可以用陣風因子表示。陣風因子G定義為時距tg內的平均風速最大值U(tg)與平均風速珚U之比,而tg的長度對于陣風因子的計算結果有著重要影響。目前一般取平均時距T內所有1~3s內的平均風速的最大值,文中取3s作為時距tg的長度G值是一個無量綱參數(shù),其值越大,說明風速脈動的強度越大。2.3環(huán)境風標準偏差值與平均風速比值的計算方法湍流強度I表示風速在時域和空域上變化的劇烈程度,也反映風的脈動強度。我國將湍流強度定義為10min的環(huán)境風標準偏差值與平均風速的比值,其計算方法如下:式中:σ———環(huán)境風的標準偏差值。I值是一個無量綱參數(shù),其值越大,說明風速脈動的強度越大。3夏季風速偏高,列車停輪風過從全線的風速信息監(jiān)測數(shù)據(jù)表1中看出,其中5~8月報警次數(shù)和級別均高于其他季節(jié),因此判定夏季為該鐵路所處地區(qū)的風季,這與當?shù)嘏_風特征相吻合,環(huán)境風速呈現(xiàn)出明顯的季節(jié)性,夏季風速明顯偏高。此外FXF1031測風點與WFF0786測風點在2012年5月和7月各出現(xiàn)過一次4級報警,在發(fā)生報警的時刻該段行駛的列車必須停輪避風。從運營管理的角度出發(fā),需要重點分析這兩個測風點以及臨近測風點在該報警時段的環(huán)境風特性。3.1平均風速、風特性選取測風點FXF1031及其前后各2個測風點FXF1010、FXF1019、FXF1040、FXF1044,這5個測風點較均勻地分布在沿線方向34km范圍內。對5個測風點報警當天風速數(shù)據(jù)進行低通六階濾波處理,輸出各測風點1s時程風速,再將各測風點濾波后的數(shù)據(jù)按照10min平均時距分成不同子樣本,計算每個子樣本的珚U。測風點FXF1019和FXF1031在2012年5月10日全天1s時程風速及10min平均風速如圖4所示,另外3個測風點1s時程風速及10min平均風速分布與圖4(a)相似。由圖4可知,FXF1031測風點在報警日所測瞬時風速達到30.10m/s,持續(xù)穩(wěn)定111s后回落到3.11m/s,而臨近測風點所測最大風速均不超過12m/s。FXF1031測風點處10min平均風速最大值為15.29m/s,各測風點全天10min平均風速總體變化幅度較大。選取測風點WFF0786及其前后各2個測風點WFF0782、WFF0784、WFF0790、WFF0792,5個測風點較均勻的分布在沿線方向10km范圍內。測風點WFF0784和WFF0786在2012年7月16日全天1s時程風速和10min平均風速如圖5所示。另外3個測風點1s時程風速及10min平均風速分布與圖5(a)相似。可以看出WFF0786測風點在報警日所測瞬時風速達到35.19m/s,持續(xù)穩(wěn)定8s后回落到32.63m/s,臨近測風點均在同一時段出現(xiàn)了風速最值。WFF0786測風點處10min平均風速最大值為12.88m/s,各測風點平均風特性相似,在最大風速時段外的10min平均風速集中分布在0.50~3.05m/s區(qū)間,總體變化幅度較小。同樣選取FXF1010~FXF10445個測風點,將這5個測風點報警當天風速數(shù)據(jù)按照10min時距分成不同的子樣本,計算每個子樣本中脈動風速標準方差值及10min時距內所有3s平均風速最大值,再根據(jù)式(2)和式(3)計算這5個測風點在報警日全天湍流強度與陣風因子值,測風點FXF1019和FXF1031全天湍流強度與陣風因子隨10min平均風速分布情況如圖6所示。另外3個測風點湍流強度與陣風因子分布情況與圖6(a)相似。根據(jù)圖6可知,FXF1031測風點處湍流強度值分布在0.10~3.40區(qū)間,陣風因子值分布在0.50~34.93區(qū)間,其幅值和離散程度遠高于臨近測風點,結合FXF1031測風點及其臨近測風點的平均風特性,認為該日風速數(shù)據(jù)不可信,風速超限屬于誤報。同樣選取WFF0782~WFF07925個測風點,分析其脈動風特性。測風點WFF0784和WFF0786全天湍流強度與陣風因子隨10min平均風速分布情況如圖7。另外3個測風點湍流強度與陣風因子分布與圖7(a)相似。由圖7可知,WFF0786測風點及其臨近測風點的湍流強度值集中分布在0.10~1.20區(qū)間,陣風因子值集中分布在1.25~8.00區(qū)間,其幅值和離散程度較為一致。隨著平均風速的升高,湍流強度與陣風因子值均呈下降趨勢,當平均風速超過2m/s時,各測風點湍流強度值一般不超過0.50,陣風因子值一般在2.00左右波動。WFF0782~WFF07925個測風點在沿線方向10km范圍內組成的最大風速段在報警日當天平均風特性相似,10min平均風速最大值均出現(xiàn)在同一時段。與文獻3.2最大風速點總體脈動強度較高最大風速出現(xiàn)在WFF0786測風點,因此將該測風點作為沿線典型大風點。將WFF0786測風點在2012年前10個月的監(jiān)測數(shù)據(jù)以月份為單位分為10組,每組以當月最大風速出現(xiàn)日為基準,取其前后連續(xù)共7d的風速數(shù)據(jù)組成當月樣本,各月樣本信息如表3所示。6、7月份最大風速點處各項風特性參數(shù)分析結果分別如圖8和圖9所示,其他月份湍流強度及陣風因子分布規(guī)律與圖8、圖9相似,10min平均風速最大值介于6、7月份之間。圖8、圖9可知:最大風速點處各月最大平均風速不超過13m/s,7月份最大平均風速為12.93m/s,6月份最大平均風速為6.21m/s。前10個月最大風速點處湍流強度及陣風因子總體平均值分別為0.38和2.23,表明最大風速點總體脈動強度較高。湍流強度及陣風因子值在各月中的分布規(guī)律一致,呈現(xiàn)一定的正相關性,均在較低平均風速水平中分布較集中,且湍流強度大小集中分布在0.10~1.00區(qū)間,最大值不超過2.00,陣風因子值集中分布在1.00~8.00區(qū)間,最大值不超過16.00。隨著平均風速的升高,湍流強度及陣風因子值的分布范圍迅速收斂,離散度降低,在大于5m/s的平均風速中湍流強度值一般不超過0.50,陣風因子值一般不超過2.00,湍流強度及陣風因子值在大于10m/s的平均風速水平中分布概率很小。由于各樣本實測風速時程均為非平穩(wěn)隨機過程,環(huán)境風速具有一定的突變性,在突變過程中風速變化快且破壞性強。本文定義風速系數(shù)λ式中:i=1,2———表風速上升和回落過程;U△t———風速突變所用時間。為了進一步分析各樣本最大風速時段環(huán)境風速突變過程,表4統(tǒng)計了WFF0786測風點在樣本S由表4可知,在每月最大風速時段環(huán)境風速突變過程中,對應的湍流強度及陣風因子值都較大。表明此時環(huán)境風的脈動能量較大;湍流強度值集中分布在0.10~0.30區(qū)間,陣風因子值集中分布在1.30~2.50區(qū)間,湍流強度與陣風因子對應關系較好,當陣風因子值增大時,湍流強度值也增大。風速系數(shù)的離散程度高,且風速上升系數(shù)與風速回落系數(shù)無關。4陣風因子及湍流強度的幅值、離散度通過對東南沿海鐵路沿線環(huán)境風特性分析,文中得到以下結論:(1)東南沿海某鐵路沿線環(huán)境風速呈現(xiàn)明顯的季節(jié)性,夏季風速明顯偏高。沿線最大風速段內各處全天環(huán)境風特性相似,1