CN104032684A - 用于高速铁路桥梁的组合式风屏障 - Google Patents

Abstract

本发明为一种用于铁路桥梁的组合式风屏障，包括至少两根立柱，立柱之间留有间距，立柱底部固定在地面上或者底座上，相邻两根立柱之间设有用以阻挡横风的第一挡风组件和第二挡风组件；第一挡风组件包括两片用以阻挡横风的第一挡风叶片以及用以连接两片第一挡风叶片的第一连接轴，两片第一挡风叶片的板边通过连接轴连接，至少一片第一挡风叶片可以以第一连接轴为旋转轴进行旋转；第二挡风组件包括一片用以阻挡横风的第二挡风叶片以及第二旋转轴，第二挡风叶片的板边与第二旋转轴连接并随第二旋转轴旋转。减小组合式风屏障传递给下部桥梁的作用，保障桥梁正常的设计以及运营，降低抵抗横风造成的额外成本。

Description

用于高速铁路桥梁的组合式风屏障

技术领域

本发明涉及铁路桥梁装置技术领域，具体涉及一种用于铁路桥梁的组合式风屏障。

背景技术

随着高速铁路的迅速发展，随之而来的高速列车安全问题也一一体现出来。横风是高速列车的威胁之一，列车在横风下运行受到横风造成的侧向力的作用，容易发生倾覆、脱轨等威胁，强风作用严重限制了列车运行速度。为维持列车运行稳定性，采用在线路两侧设置风屏障的方式为大风区列车提供低风速运行环境。

目前的风屏障均采用固定式结构，通过减小透风率和增加屏障高度来保证列车挡风效果。但是这样就造成强风下风屏障受到的横风气动力过大，给风屏障带来了疲劳问题。与此同时，风屏障固定在桥梁上，作用在屏障上的风荷载传递到桥梁结构，使得桥梁承受巨大的风荷载，给桥梁设计和运营带来了很大问题。

因此，研究一种新型的用于铁路桥梁的组合式风屏障，已成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了弥补现有技术的缺陷，本发明专利提供了一种用于铁路桥梁的组合式风屏障，通过在强风下增加风屏障透风率来减小风荷载。以解决现有固定式风屏障在持续横风作用下产生的疲劳破坏；风屏障将受到的高强风荷载传递到桥梁，从而造成桥梁破坏的技术问题。

为了实现上述技术目的，本发明专利的技术方案是：一种用于铁路桥梁的组合式风屏障，包括至少两根立柱，立柱之间留有间距，立柱底部固定在地面上或者底座上，相邻两根立柱之间设有用以阻挡横风的第一挡风组件和第二挡风组件；第一挡风组件包括两片用以阻挡横风的第一挡风叶片以及用以连接两片第一挡风叶片的第一连接轴，两片第一挡风叶片的板边通过连接轴连接，至少一片第一挡风叶片可以以第一连接轴为旋转轴进行旋转；第二挡风组件包括一片用以阻挡横风的第二挡风叶片以及第二旋转轴，第二挡风叶片的板边与第二旋转轴连接并随第二旋转轴旋转。

优选地，第一连接轴两端分别连接在两端的立柱上；第二旋转轴两端分别连接在端部的立柱上。

优选地，第一连接轴和/或第一挡风叶片上设置有用以控制第一挡风叶片旋转角度和旋转速度的第一控制器；第二旋转轴和/或第二挡风叶片上设置有用以控制第二挡风叶片旋转角度和旋转速度的第二控制器。

优选地，第一挡风组件和/或第二挡风组件上设置有用以感应风力的风力传感器；风力传感器连接第一控制器和/或第二控制器。

优选地，第一连接轴和/或第一挡风叶片上设有用以保持第一挡风叶片端部与立柱之间间隔距离的第一限位机构；第二旋转轴和/或第二挡风叶片上设有用以保持第二挡风叶片端部与立柱之间间隔距离的第二限位机构。

优选地，第一挡风叶片和第二挡风叶片均沿垂直于立柱的方向布设；或者第一挡风叶片和第二挡风叶片均与立柱斜交。

优选地，第一挡风组件上设有用以限制第一挡风叶片旋转角度的第一角度定位机构； 第二挡风组件上设有用以限制第二挡风叶片旋转角度第二的角度定位机构。

优选地，第一角度定位机构和/或第二角度定位机构为定位销、定位夹、定位弹簧、弹簧铰链、定位弹片中的至少一个。

优选地，立柱沿直线排列，并且立柱的排列直线与铁路桥梁上的铁轨平行。

优选地，立柱包括靠近铁轨布置的第一立柱以及远离铁轨布置的第二立柱；第一立柱与第二立柱间隔排布。

本发明的有益效果在于：

本发明用于铁路桥梁的组合式风屏障，通过在相邻两立柱之间同时设置第一挡风组件和第二挡风组件的方式，利用第一挡风组件的两片第一挡风叶片的旋转开合调节合页式风屏障与横风的接触面形态以及透风率，利用第二挡风组件的一片第二挡风叶片的旋转调节合页式风屏障与横风的接触面形态以及透风率。第一挡风叶片和第二挡风叶片根据横风的风力大小改变旋转开合角度，面对小风量横风时，通过旋转小角度合拢状态的第一挡风叶片和第二挡风叶片进行透风的同时改变横风流动方向；面对大风量横风时，两片第二挡风叶片旋转至完全合并的状态，一片挡风叶片旋转至与风向平行的状态，横风直接通过第一挡风组件以及第二挡风组件之间的间隙透过，减少大风量横风对于组合式风屏障的风荷载作用力，从而减小组合式风屏障传递给下部桥梁的作用，保障桥梁正常的设计以及运营，降低抵抗横风造成的额外成本。

下面结合附图对本发明专利作进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；

图2是本发明实施例的处于初始状态的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；

图3是本发明实施例的挡风叶片旋转30°的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；

图4是本发明实施例的挡风叶片旋转至与风向同向时的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；

图5是本发明实施例的安装在铁路桥梁上的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；

图6为图5的俯视图；

图7是本发明实施例的无车时叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；

图8是本发明实施例的无车时叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图；

图9是本发明实施例的无车时叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；

图10是本发明实施例的无车时叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图；

图11是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；

图12是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图；

图13是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；

图14是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图。

其中1为立柱，2为第一挡风组件，201、第一挡风叶片，202为第一连接轴，3、第二挡风组件，301、第二档风叶片，302、第二旋转轴。

具体实施方式

下面对本发明专利技术内容的进一步说明，但并非对本发明专利实质内容的限制。

图1是本发明实施例的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；图2是本发明实施例的处于初始状态的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；图3是本发明实施例的挡风叶片旋转30°的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；图4是本发明实施例的挡风叶片旋转至与风向同向时的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；图5是本发明实施例的安装在铁路桥梁上的用于铁路桥梁的组合式风屏障的结构示意图；图6为图5的俯视图；图7是本发明实施例的无车时叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；图8是本发明实施例的无车时叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图；图9是本发明实施例的无车时叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；图10是本发明实施例的无车时叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图；图11是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；图12是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图；图13是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的压力云图；图14是本发明实施例的10m/s横风下叶片旋转-30°转角的用于铁路桥梁的组合式风屏障的速度矢量图。

如图1所示，本发明实施例的一种用于铁路桥梁的组合式风屏障，包括至少两根立柱1，立柱1之间留有间距，立柱1底部固定在地面上或者底座上，相邻两根立柱1之间设有用以阻挡横风的第一挡风组件2和第二挡风组件3；第一挡风组件2包括两片用以阻挡横风的第一挡风叶片201以及用以连接两片第一挡风叶片201的第一连接轴202，两片第一挡风叶片201的板边通过连接轴连接，至少一片第一挡风叶片201可以以第一连接轴202为旋转轴进行旋转；第二挡风组件3包括一片用以阻挡横风的第二挡风叶片301以及第二旋转轴302，第二挡风叶片301的板边与第二旋转轴302连接并随第二旋转轴302旋转。优选地，第二旋转轴302均处于第二档风叶片301上靠近第一连接轴202的板侧布置。本发明用于铁路桥梁的组合式风屏障，通过在相邻两立柱之间同时设置第一挡风组件和第二挡风组件的方式，利用第一挡风组件的两片第一挡风叶片的旋转开合调节合页式风屏障与横风的接触面形态以及透风率，利用第二挡风组件的一片第二挡风叶片的旋转调节合页式风屏障与横风的接触面形态以及透风率。第一挡风叶片和第二挡风叶片根据横风的风力大小改变旋转开合角度，面对小风量横风时，通过旋转小角度合拢状态的第一挡风叶片和第二挡风叶片进行透风的同时改变横风流动方向；面对大风量横风时，两片第二挡风叶片旋转至完全合并的状态，一片挡风叶片旋转至与风向平行的状态，横风直接通过第一挡风组件以及第二挡风组件之间的间隙透过，减少大风量横风对于组合式风屏障的风荷载作用力，从而减小组合式风屏障传递给下部桥梁的作用，保障桥梁正常的设计以及运营，降低抵抗横风造成的额外成本。

如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，其还在于，第一连接轴202两端分别连接在两端的立柱1上；第二旋转轴302两端分别连接在端部的立柱1上。

其还在于，第一连接轴202和/或第一挡风叶片201上设置有用以控制第一挡风叶片201旋转角度和旋转速度的第一控制器；第二旋转轴302和/或第二挡风叶片301上设置有用以控制第二挡风叶片301旋转角度和旋转速度的第二控制器。

其还在于，第一挡风组件2和/或第二挡风组件3上设置有用以感应风力的风力传感器；风力传感器连接第一控制器和/或第二控制器。

其还在于，第一连接轴202和/或第一挡风叶片201上设有用以保持第一挡风叶片201端部与立柱1之间间隔距离的第一限位机构；第二旋转轴302和/或第二挡风叶片301上设有用以保持第二挡风叶片301端部与立柱1之间间隔距离的第二限位机构。

其还在于，第一挡风叶片201和第二挡风叶片301均沿垂直于立柱1的方向布设；或者第一挡风叶片201和第二挡风叶片301均与立柱1斜交。

其还在于，第一挡风组件2上设有用以限制第一挡风叶片201旋转角度的第一角度定位机构；第二挡风组件3上设有用以限制第二挡风叶片301旋转角度第二的角度定位机构。

其还在于，第一角度定位机构和/或第二角度定位机构为定位销、定位夹、定位弹簧、弹簧铰链、定位弹片中的至少一个。

其还在于，立柱1沿直线排列，并且立柱1的排列直线与铁路桥梁上的铁轨平行。

其还在于，立柱1包括靠近铁轨布置的第一立柱1以及远离铁轨布置的第二立柱1。

其还在于，第一立柱1与第二立柱1间隔排布。

实施时，通过设置叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)旋转角度来改变阻挡来流的方式和来流通过屏障后的流出角度，并研究由此带来的气动性能变化。因其变化挡风板由两部分构成，包括上方及下方单板和中间双板，本文将它命名为“组合型(可变角度)风屏障”(Combination-Type Wind Barriers)，如图1、2、3、4、5、6所示。本用于铁路桥梁的组合式风屏障，通过设在叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)某个位置的旋转轴的转动来改变挡风板角度，旋转角度范围为-90°～90°，通过旋转角度的变化来改变来流与叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)的交角，同时改变尾流的流出方式。当叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)与竖直方向交角为0°时，假定为初始状态，相当于设置不透风的风屏障，此时透风率为0，阻挡来流效果最大；当交角为-90°或90°时相当于设置横栅栏式风屏障，此时透风率最大，绝大部分来流均可透过，有利于强风作用时对风屏障和桥梁的保护。在挡风叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)从-90°或90°变化的一个周期当中，来流经过风屏障后的方向先是在上半部分形成向下的气流、下半部分形成向上的气流，大于0°后，在上半部分形成向上的气流、下半部分形成向下的气流。从阻挡横风的方面来看，一定的角度还避免了气流对挡风板的垂直剧烈冲击。用于铁路桥梁的组合式风屏障改变了来流经过屏障后的方向，并改变了来流与屏障作用的方式，改变了空气流过叶片后的角度，即改变了尾流的速度分量。当呈负角度时可减少透过风屏障风气流直接作用在列车上，呈正角度时形成两股相反的屏障背后气流，这样可以在抵消部分竖向的速度所带来的冲击，特别是当转角较大时，两股气流相互作用，抵消了流经屏障后流场的竖向速度。

整个用于铁路桥梁的组合式风屏障通过锚固连接在桥面翼缘上，每隔一定距离设置立柱1，两个立柱1之间安装可旋转挡风板(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)，如图1、2、3、4、5、6所示。

本发明用于铁路桥梁的组合式风屏障，可以通过改变单块挡风板(第一挡风组件2和/或第二挡风组件3)高度以及挡风板(第一挡风组件2和/或第二挡风组件3)数量来实现改变风屏障高度的目的。在于改变角度达到改变透风率和气流方向导流的目的。

本发明用于铁路桥梁的组合式风屏障，由于挡风叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)有一定厚度，其端部制作成梭形可以保证完全关闭，打开顺畅。

本发明用于铁路桥梁的组合式风屏障，采用主动控制时，通过控制轴的转动来控制板的倾斜角度。采用被动控制时通过板的受力转动带动轴的转动。

本发明用于铁路桥梁的组合式风屏障，可以通过调节挡风板(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)转角来改变透风率和屏障后气流方向，列车经过时保证列车横风下运行安全，无车时保证桥梁安全，减少风屏障的疲劳损伤。

另外，在不同来流情况下，通过何种方式来改变挡风叶片角度也是一项值得研究的课题。可根据来流的风速和风攻角等改变叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)角度，可分为主动式和被动式两种方式。例如，通过在工点处设监测风场装置得到风场数据，或在风屏障上安装传感器，并将数据传输至电子智能系统来控制叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)角度等方式来实现主动控制，称为主动式；或在旋转轴(第一连接轴202和/或第二旋转轴302)安装弹簧装置形成弹簧铰链，通过来流的风力直接吹顶叶片的方式来改变叶片(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)角度等方式来实现被动旋转，类似于弹簧门的工作原理，称为被动式。

组合风屏障改变挡风板旋转角度时，同时也改变了反射来流的角度和流体作用在屏障上的作用力方向，当旋转角度改变时时，来流经过挡板(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)反射后将水平速度部分转化为竖向分速度，此时相当于在给挡板(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)一个水平侧力的同时，还给了挡板(第一挡风叶片201和/或第二挡风叶片301)一个竖向气动力。

如图7、8、9、10、11、12、13、14所示，从上图可以看到该新型风屏障明显改变了气流方向，并且可以通过调节旋转角度可以改变该气流方向。正角度时给列车创造了低风速的运行环境，负角度时竖向风速得到抵消，各有其优势。

如图5、6所示，H为风屏障高度，h1、h2为挡风板高度，b为挡风板厚度，β为旋转角度，L为立柱间距。这些参数均可依据实际线路结合相关研究进行调整。

本发明适用于各类高速铁路桥梁，特别是大跨度桥梁。可以改善运行列车、桥梁及屏障本身在大风中的气动性能，改善桥梁结构及其附属结构、屏障结构的受力状况，提高疲劳寿命，提高整个铁路线路的服务水平。

本发明属于国家自然科学基金项目(51178471、51322808)的重点研究内容之一，为移动列车气动性能以及安全行驶提供更为精确的风洞试验手段，从而为确保高速列车安全运营的提供技术支撑。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于铁路桥梁的组合式风屏障，包括至少两根立柱(1)，立柱(1)之间留有间距，立柱(1)底部固定在地面上或者底座上，其特征在于，相邻两根立柱(1)之间设有用以阻挡横风的第一挡风组件(2)和第二挡风组件(3)；第一挡风组件(2)包括两片用以阻挡横风的第一挡风叶片(201)以及用以连接两片第一挡风叶片(201)的第一连接轴(202)，两片第一挡风叶片(201)的板边通过连接轴连接，至少一片第一挡风叶片(201)可以以第一连接轴(202)为旋转轴进行旋转；第二挡风组件(3)包括一片用以阻挡横风的第二挡风叶片(301)以及第二旋转轴(302)，第二挡风叶片(301)的板边与第二旋转轴(302)连接并随第二旋转轴(302)旋转。

2.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的合页式风屏障，其特征在于，第一连接轴(202)两端分别连接在两端的立柱(1)上；第二旋转轴(302)两端分别连接在端部的立柱(1)上。

3.根据权利要求1所述的用于铁路桥梁的合页式风屏障，其特征在于，第一连接轴(202)和/或第一挡风叶片(201)上设置有用以控制第一挡风叶片(201)旋转角度和旋转速度的第一控制器；第二旋转轴(302)和/或第二挡风叶片(301)上设置有用以控制第二挡风叶片(301)旋转角度和旋转速度的第二控制器。

4.根据权利要求3所述的用于铁路桥梁的合页式风屏障，其特征在于，第一挡风组件(2)和/或第二挡风组件(3)上设置有用以感应风力的风力传感器；风力传感器连接第一控制器和/或第二控制器。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铁路桥梁的组合式风屏障，其特征在于，第一连接轴(202)和/或第一挡风叶片(201)上设有用以保持第一挡风叶片(201)端部与立柱(1)之间间隔距离的第一限位机构；第二旋转轴(302)和/或第二挡风叶片(301)上设有用以保持第二挡风叶片(301)端部与立柱(1)之间间隔距离的第二限位机构。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铁路桥梁的组合式风屏障，其特征在于，第一挡风叶片(201)和第二挡风叶片(301)均沿垂直于立柱(1)的方向布设；或者第一挡风叶片(201)和第二挡风叶片(301)均与立柱(1)斜交。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铁路桥梁的组合式风屏障，其特征在于，第一挡风组件(2)上设有用以限制第一挡风叶片(201)旋转角度的第一角度定位机构；第二挡风组件(3)上设有用以限制第二挡风叶片(301)旋转角度第二的角度定位机构。

8.根据权利要求7所述的用于铁路桥梁的合页式风屏障，其特征在于，第一角度定位机构和/或第二角度定位机构为定位销、定位夹、定位弹簧、弹簧铰链、定位弹片中的至少一个。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铁路桥梁的组合式风屏障，其特征在于，立柱(1)沿直线排列，并且立柱(1)的排列直线与铁路桥梁上的铁轨平行。

10.根据权利要求1至4中任一项所述的用于铁路桥梁的组合式风屏障，其特征在于，立柱(1)包括靠近铁轨布置的第一立柱(1)以及远离铁轨布置的第二立柱(1)；第一立柱(1)与第二立柱(1)间隔排布。