CN114277701B - 一种模块化挡风墙及其施工方法 - Google Patents

Abstract

一种模块化挡风墙，包括至少两根并排设置的支撑柱，支撑柱底部固定在地面上或者底座上，相邻两根所述支撑柱之间设有卸压横风的导流组件，导流组件包括至少一个卸压横风的喇叭口，喇叭口的小口朝向迎风侧、且其大口朝向背风侧；导流组件包括至少两个形成喇叭口的模块化导流件，模块化导流件包括相互连接的导流板和挡风板，导流板呈水平倾斜设置，挡风板呈竖向设置。本发明可以进行模块化生产与使用，可以有效缩短施布周期，提高作业效率、降低作业难度；本发明有效降低风区铁路桥上线路内的风速，防止强风环境下列车的侧翻、倾覆等危害铁路运输安全的事故发生。

Description

一种模块化挡风墙及其施工方法

技术领域

本发明属于轨道交通领域，尤其涉及一种模块化挡风墙及其施工方法。

背景技术

在我国中西部的沙漠、戈壁区域及高原山区，铁路列车在路基上或铁路桥上运行时常受强横风影响而无法正常开展运输工作，严重影响沿途旅客出行和货物运输时效性，造成巨大的经济损失。强风对路基与铁路桥上列车运行的影响主要体现在车、墙、桥三方面：①强横风作用在列车上导致其气动力和气动力矩增加，引发列车横摆或倾覆；②强横风作用在挡风墙上导致墙体所受气动力及气动力矩增加，引发墙体变形及与墙体-桥体脱离事故；③强横风作用在桥上导致桥体所受气动力和气动力矩急剧增加，引发桥体横移量超标或产生失稳。

目前，针对铁路路基与桥梁沿线恶劣强横风环境下的防护措施，主要是在路基与铁路桥上迎风侧外侧修建透风式防风墙，通过降低线路内风速降低车辆受到的气动载荷。而一旦存在较强横风时，现有挡风墙需承受较大的横向力与倾覆力矩，在桥梁上时其受力还将传递给桥体，严重危害墙体与桥梁的安全，缩短墙体与桥体使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服以上背景技术中提到的不足和缺陷，提供一种模块化挡风墙及其施工方法，其安装简单、结构可靠、成本低廉、易于维护、检修方便，且可以对横风条件下车体、挡风墙、桥体所受倾覆力矩进一步降低，能在严重风区内保障铁路路基与桥上行车不受强风影响。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种模块化挡风墙，包括至少两根并排设置的支撑柱，所述支撑柱底部固定在地面上或者底座上，相邻两根所述支撑柱之间设有卸压横风的导流组件，所述导流组件包括至少一个卸压横风的喇叭口，所述喇叭口的小口朝向迎风侧、且其大口朝向背风侧。

进一步的，所述支撑柱为直柱或凸面朝向迎风侧的支撑曲柱。

进一步的，所述导流组件包括至少两个形成喇叭口的模块化导流件，所述模块化导流件包括相互连接的导流板和挡风板，所述导流板呈水平倾斜设置，所述挡风板呈竖向设置，所述导流板的前部与相邻挡风板形成喇叭口的小口，相邻两个所述导流板的后部形成喇叭口的大口。

进一步的，多个所述模块化导流件在挡风墙的上部和下部进行分区排布，其中上部包括多个对气流起抬升卸压作用的上导流件，下部包括多个对气流起下引卸压作用的下导流件。

进一步的，所述上导流件的挡风板的上端连接有向上倾斜的导流板，所述上导流件形成对气流起抬升卸压作用的喇叭口，所述下导流件的挡风板的下端连接有向下倾斜的导流板，所述下导流件形成对气流起下引卸压作用的喇叭口；位于挡风墙上部的所述上导流件与位于挡风墙下部的所述下导流件呈近似的对称布置。

进一步的，位于挡风墙上部的所述上导流件与位于挡风墙下部的所述下导流件的对称轴处附近还设有对气流同时起到抬升卸压与下引卸压作用的中导流件，所述中导流件的挡风板的上端连接有向上倾斜的导流板，其下端连接有向下倾斜的导流板。

进一步的，所述支撑柱的侧面设有插槽，所述模块化导流件的端部设有插板，所述插板插装于插槽的插孔中，所述插槽和插板上均设有相互匹配的安装孔，且通过螺栓连接；所述支撑柱的底端设有安装板，所述安装板通过螺栓设于底座上。

进一步的，所述挡风板沿高程方向等间距均匀分布。

一种模块化挡风墙的施工方法，包括以下步骤：

S1.设计方案：

第一步，进行现场测量：测量线路迎风侧横风的日均风速和最大风速，测量风向与地面的流向偏角；

第二步，根据测量的日均风速、最大风速、风向和地面的流向偏角，确定模块化导流件的导流板的倾角；

第三步，根据现场线路车辆的运行，确定模块化导流件的上导流件、中导流件和下导流件的分区排布位置；

第四步，根据现场线路上许可列车运行的最高风速，得出墙体后方车体所能承受的最大横向力，并依此确定模块化导流件的透风率；

第五步，根据单位距离内支撑柱所能承受的最大横向力与倾覆力矩，确定支撑柱的安装间距和支撑柱的曲率；

S2.施工安装：在线路迎风侧预设底座，然后在底座上安装支撑柱，最后在支撑柱之间安装模块化导流件；

S3.调整维护。

进一步的，所述导流板为倾角α在10°-40°内可调的柔性导流板，所述柔性导流板为有机玻璃。

进一步的，所述中导流件与车体侧部鼓型结构的棱线位置近似对应。

进一步的，所述挡风板根据透风率沿高程方向等间距均匀分布。

进一步的，当现场为路基线路时，所述支撑柱的内部曲率为0-0.000111、其外部曲率0-0.000091；当现场为桥梁线路时，所述支撑柱的内部曲率为0.000111-0.000222、其外部曲率0.000091-0.000182。

进一步的，所述施工安装具体包括以下步骤：

第一步，在线路迎风侧预设底座与螺栓，在支撑柱的底端设置安装板并打孔，在支撑柱侧面设置有插槽与安装孔，在模块化导流件的端部设置插板与安装孔；

第二步，将支撑柱与路基的底座进行装配，将支撑柱的安装板孔位插入底座上的螺栓上，并通过螺母对支撑柱进行固定；

第三步，将模块化导流件与支撑柱进行装配，将模块化导流件端部的插板插入插槽中，并通过螺钉对插槽进行固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1.本发明安装简单、结构可靠、成本低廉、易于维护、检修方便，且本发明的部件均采用模块化，可以进行模块化生产与使用，可以有效缩短施布周期，提高作业效率、降低作业难度；

2.本发明有效降低风区铁路路基与桥上线路内的风速，优化线路内的流场品质、削弱横风对列车动力学性能的影响，降低列车、挡风墙及桥体在横风条件下所受倾覆力矩，防止了强风环境下列车的侧翻、倾覆等危害铁路运输安全的事故发生，同时降低了挡风墙的施工与维护难度；

3.可针对不同线路条件、挡风要求及线路上所开行列车气动特性要求进行更具针对性的装配，以达到最优的横风条件下的卸压效果；可以在横风条件下，对车体、挡风墙、桥体所受倾覆力矩进一步降低，能在严重风区内保障铁路行车不受强风影响；

4.可安装于沙漠地区，峡谷山区、沿海平原等横风严重区域，无需采用电气化设备，且不具有机械连接结构，具有较强的结构耐用性与可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中迎风侧的轴测示意图；

图3是本发明中背风侧的轴测示意图；

图4是本发明中迎风侧的剖视轴测示意图；

图5是本发明中卸压横风的示意图；

图6是本发明中支撑柱与模块化导流件的连接示意图；

图7是本发明中支撑柱与基座的连接示意图；

图8是使用现有挡风墙的速度流线云图；

图9是使用本发明的速度流线云图；

图10是使用本发明的压力云图。

附图中：11、支撑曲柱；2、喇叭口，21、上导流件；211、导流板；212、挡风板；22、中导流件；23、下导流件；3、插槽；31、插孔；32、插板；33、安装孔；34、螺栓；4、底座；41、安装板。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明做更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体实施例。

除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。

除非另有特别说明，本发明中用到的各种原材料、试剂、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。

实施例：如图1-图7所示，一种模块化挡风墙，包括至少两根并排设置的支撑柱，支撑柱底部固定在地面上或者底座4上，相邻两根支撑柱之间设有卸压横风的导流组件，导流组件包括至少一个卸压横风的喇叭口2，喇叭口2的小口朝向迎风侧、且其大口朝向背风侧。

支撑柱为直柱或凸面朝向迎风侧的支撑曲柱11。

导流组件包括至少两个形成喇叭口2的模块化导流件，模块化导流件包括相互连接的导流板211和挡风板212，导流板211呈水平倾斜设置，挡风板212呈竖向设置，导流板211的前部与相邻挡风板212形成喇叭口2的小口，相邻两个导流板211的后部形成喇叭口2的大口。

多个模块化导流件在挡风墙的上部和下部进行分区排布，其中上部包括多个对气流起抬升卸压作用的上导流件21，下部包括多个对气流起下引卸压作用的下导流件23。

上导流件21的挡风板212的上端连接有向上倾斜的导流板211，上导流件21形成对气流起抬升卸压作用的喇叭口2，下导流件23的挡风板212的下端连接有向下倾斜的导流板211，下导流件23形成对气流起下引卸压作用的喇叭口2；位于挡风墙上部的上导流件21与位于挡风墙下部的下导流件23呈近似的对称布置。

位于挡风墙上部的上导流件21与位于挡风墙下部的下导流件23的对称轴处附近还设有对气流同时起到抬升卸压与下引卸压作用的中导流件22，中导流件22的挡风板212的上端连接有向上倾斜的导流板211，其下端连接有向下倾斜的导流板211。

支撑柱的侧面设有插槽3，模块化导流件的端部设有插板32，插板32插装于插槽3的插孔31中，插槽3和插板32上均设有相互匹配的安装孔33，且通过螺栓34连接；支撑柱的底端设有安装板41，安装板41通过螺栓34设于底座4上。

一种模块化挡风墙的施工方法，包括以下步骤：

S1.设计方案：

第一步，进行现场测量：测量线路迎风侧横风的日均风速和最大风速，测量风向与地面的流向偏角；

第二步，根据测量的日均风速、最大风速、风向和地面的流向偏角，确定模块化导流件的导流板211的倾角；导流板211为倾角α在10°-40°内可调的柔性导流板，导流板211的最佳倾角为25°，柔性导流板为有机玻璃，既可以满足强度又可以强化列车运行过程中对外部环境的观察情况，提升列车迎风侧的瞭望环境。

第三步，根据现场线路的运行车辆，确定模块化导流件的上导流件21、中导流件22和下导流件23的分区排布位置，确保中导流件22与车体侧部鼓型结构的棱线位置近似对应；

第四步，根据现场线路上许可列车运行的最高风速，得出墙体后方车体所能承受的最大横向力，并依此确定模块化导流件的透风率；透风率为10％-50％，挡风板212沿高程方向等间距均匀分布，且呈竖直设置。

第五步，根据单位距离内支撑柱所能承受的最大横向力与倾覆力矩，确定支撑柱的安装间距和支撑柱的曲率：支撑柱的内部结构为实心体；支撑柱的间隔为1-2m。支撑柱按一定间隔固定安装于风区铁路桥迎风侧的外侧，支撑柱随线路环境的影响其间距而变化，随着线路环境横风强度的增强，支撑柱的间隔缩小；当现场为路基线路时，支撑柱的内部曲率为0-0.000111、其外部曲率0-0.000091；当现场为桥梁线路时，支撑柱的内部曲率为0.000111-0.000222、其外部曲率0.000091-0.000182。

S2.施工安装：在线路迎风侧预设底座4，然后在底座4上安装支撑柱，最后在支撑柱之间安装模块化导流件，具体包括以下步骤：

第一步，在线路迎风侧预设底座4与螺栓34，在支撑柱的底端设置安装板41并打孔，在支撑柱侧面设置有插槽3与安装孔33，在模块化导流件的端部设置插板32与安装孔33；

第二步，将支撑柱与路基的底座4进行装配，将支撑柱的安装板41孔位插入底座4上的螺栓34上，并通过螺母对支撑柱进行固定；

第三步，将模块化导流件与支撑柱进行装配，将模块化导流件端部的插板32插入插槽3中，并通过螺钉对插槽3进行固定；

S3.调整维护：通过拆卸螺母与螺栓34即可完成对所有设备的安装与拆卸。

经CFD仿真分析，在支撑柱与三种形态的可用于卸压横风的模块化导流件组合安装下，挡风墙所受横向力及横向力矩在横风速为0-60m/s时均符合要求，且以线路上动车组在横风条件下运行的风速阈值30m/s进行分析发现，列车、挡风墙及桥体在横风条件下相较于目前线路运营中采用挡风设备，所受倾覆力矩均存在不同程度减弱，其中墙体倾覆力矩降低约1.7％-35.5％，桥体倾覆力矩降低约4.8％-20.8％，车体倾覆力矩降低约-95.2％-80.9％。

对倾角在10°-40°范围内的导流板211多导流角度进行比选分析，经CFD仿真分析发现在风向水平情况下，当导流板211的倾角为10°时，墙体所受横向力矩最小，相比现有式挡风墙降低约35.5％，桥体所受倾覆力矩降低约21％，但车体所受倾覆力矩增加了约95％，严重影响了车辆运行安全。随着挡风墙导流角度的不断增加，墙体所受横向倾覆力矩不断增加，桥体倾覆力矩不断增加，但车体所受倾覆力矩不断减少。当导流板211的倾角增加到25°时，其墙体倾覆力矩相比现有透风式挡风墙降低约4％，桥体倾覆力矩降低约9％，车体横向倾覆力矩从增加95％降低至减少26.8％。随着倾角进一步增大直至40°，桥体与墙体所受倾覆力矩变化不大，但其横向力却增大约10％，并超过了现有挡风墙所受横向力，因此可认为导流板211的倾角为25°时可以起到最优的综合气动性能。当导流板211的倾角为25°时，该倾角可以有效对气流起到引导及抬升作用，使横风越过线路并以一定偏向角作用于车体侧墙，减少气流对车辆的横向直接冲击。同时该角度也可有效降低横向气流对挡风墙及桥体的加载作用，防止横风造成的墙体结构超载，因此导流板211的倾角为25°。

经CFD仿真分析，该卸压孔可以有效降低挡风墙后方跨线横风的运动速度，降低其对线路上运行的列车车体表面的冲击强度，从而保证列车运行的平稳性与安全性。

在严重风区内对比图：如图8所示的使用现有挡风墙的速度流线云图与如图9所示的使用本发明的速度流线云图，说明本发明可以有效降低既有线路横风条件下作用于列车表面的气流流速来进行气流的卸载，使车体侧墙附近高流速区明显降低，并使气流以更优角度作用于车体侧墙，降低车体表面所受气动力，从而达到泄压效果。

如图10所示，使用本发明的压力云图，说明可以有效优化线路上运行列车迎风侧的正压区，降低车体表面不对称压差导致的横向力，通过卸压提升车辆运行稳定性。

Claims (12)

1.一种模块化挡风墙，其特征在于，包括至少两根并排设置的支撑柱，所述支撑柱的底部固定在地面上或者底座（4）上，相邻两根所述支撑柱之间设有卸压横风的导流组件，所述导流组件包括至少一个卸压横风的喇叭口（2），所述喇叭口（2）的小口朝向迎风侧、且其大口朝向背风侧，所述导流组件包括至少两个形成喇叭口（2）的模块化导流件，所述模块化导流件包括相互连接的导流板（211）和挡风板（212），所述导流板（211）呈水平倾斜设置，所述挡风板（212）呈竖向设置，所述导流板（211）的前部与相邻挡风板（212）形成喇叭口（2）的小口，相邻两个所述导流板（211）的后部形成喇叭口（2）的大口。

2.根据权利要求1所述的一种模块化挡风墙，其特征在于，所述支撑柱为直柱或凸面朝向迎风侧的支撑曲柱（11）。

3.根据权利要求2所述的一种模块化挡风墙，其特征在于，多个所述模块化导流件在挡风墙的上部和下部进行分区排布，其中上部包括多个对气流起抬升卸压作用的上导流件（21），下部包括多个对气流起下引卸压作用的下导流件（23）。

4.根据权利要求3所述的一种模块化挡风墙，其特征在于，所述上导流件（21）的挡风板（212）的上端连接有向上倾斜的导流板（211），所述上导流件（21）形成对气流起抬升卸压作用的喇叭口（2），所述下导流件（23）的挡风板（212）的下端连接有向下倾斜的导流板（211），所述下导流件（23）形成对气流起下引卸压作用的喇叭口（2）；位于挡风墙上部的所述上导流件（21）与位于挡风墙下部的所述下导流件（23）呈近似的对称布置。

5.根据权利要求4所述的一种模块化挡风墙，其特征在于，位于挡风墙上部的所述上导流件（21）与位于挡风墙下部的所述下导流件（23）的对称轴处附近还设有对气流同时起到抬升卸压与下引卸压作用的中导流件（22），所述中导流件（22）的挡风板（212）的上端连接有向上倾斜的导流板（211），其下端连接有向下倾斜的导流板（211）。

6.根据权利要求1所述的一种模块化挡风墙，其特征在于，所述支撑柱的侧面设有插槽（3），所述模块化导流件的端部设有插板（32），所述插板（32）插装于插槽（3）的插孔（31）中，所述插槽（3）和插板（32）上均设有相互匹配的安装孔（33），且通过螺栓（34）连接；所述支撑柱的底端设有安装板（41），所述安装板（41）通过螺栓（34）设于底座（4）上。

7.一种如权利要求1-6任一所述的模块化挡风墙的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.设计方案：

第一步，进行现场测量：测量线路迎风侧横风的日均风速和最大风速，测量风向与地面的流向偏角；

第二步，根据测量的日均风速、最大风速、风向和地面的流向偏角，确定模块化导流件的导流板（211）的倾角；

第三步，根据现场线路车辆的运行，确定模块化导流件的上导流件（21）、中导流件（22）和下导流件（23）的分区排布位置；

第四步，根据现场线路上许可列车运行的最高风速，得出墙体后方车体所能承受的最大横向力，并依此确定模块化导流件的透风率；

第五步，根据单位距离内支撑柱所能承受的最大横向力与倾覆力矩，确定支撑柱的安装间距和支撑柱的曲率；

S2.施工安装：在线路迎风侧预设底座（4），然后在底座（4）上安装支撑柱，最后在支撑柱之间安装模块化导流件；

S3.调整维护。

8.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述导流板（211）为倾角α在10°-40°内可调的柔性导流板。

9.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述中导流件（22）与车体侧部鼓型结构的棱线位置近似对应。

10.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述挡风板（212）根据透风率沿高程方向等间距均匀分布。

11.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，当现场为路基线路时，所述支撑柱的内部曲率为0-0.000111、其外部曲率0-0.000091；当现场为桥梁线路时，所述支撑柱的内部曲率为0.000111-0.000222、其外部曲率0.000091-0.000182。

12.根据权利要求7所述的施工方法，其特征在于，所述施工安装具体包括以下步骤：

第一步，在线路迎风侧预设底座（4）与螺栓（34），在支撑柱的底端设置安装板（41）并打孔，在支撑柱侧面设置有插槽（3）与安装孔（33），在模块化导流件的端部设置插板（32）与安装孔（33）；

第二步，将支撑柱与路基的底座（4）进行装配，将支撑柱的安装板（41）孔位插入底座（4）上的螺栓（34）上，并通过螺母对支撑柱进行固定；

第三步，将模块化导流件与支撑柱进行装配，将模块化导流件端部的插板（32）插入插槽（3）中，并通过螺钉对插槽（3）进行固定。

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