CN209039999U - 一种减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障，包括外翻部，所述外翻部包括外翻板和两个外翻柱，所述外翻板固定设置于两个所述外翻柱之间，所述外翻部呈朝迎风侧方向弯曲的弧形。本实用新型具有良好的挡风效果，能有效减小大风环境下列车气动载荷，外翻部使车辆周围的流场发生很大变化，车顶区域的负压明显减小，还有效减少了车辆在受力较大的一线位置的横向力、升力和倾覆力矩，具有结构简单、方便加工、改造工作量小、对桥梁影响小等优点。

Description

一种减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障

技术领域

本实用新型属于防风技术领域，尤其涉及一种减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障。

背景技术

大风严重影响列车运行安全。对于一些特殊的风环境，如桥梁、路堤、丘陵及山区的风口区域、侧向气动力与离心力叠加的曲线路段，列车周围绕流流场突变，气动力显著增大，导致列车倾覆的可能性大大增加。我国铁路风环境复杂，兰新铁路、南疆铁路年均大风150天以上，最高风速达64m/s；京沪、福厦、沪杭、海南东环等高速铁路，年均大风50天以上，最高风速达60m/s。1960年至今，我国新疆境内铁路运输因大风造成的行车安全事故30多起，迫使列车经常停轮；国外铁路发达国家也均发生过大风吹翻列车的事故，如日本铁路曾经发生强风导致的重大事故有29起。

随着列车运行速度的提高，大风给行车安全带来的影响更为严重：(1)流动分离加剧，在背风侧产生大尺度的脱体涡，急剧改变流场结构，造成列车空气动力性能恶化；(2)动车组自重轻，抗倾覆能力低。因此，为了保证大风条件下的行车安全，通常在铁路两侧修建挡风结构，如目前南疆线在桥梁来风侧修建了如图1和图2所示挡风结构，现有的挡风结构整体有一定的弯曲度，挡风结构的底部固定安装在铁路桥梁的侧面，且由下至上向背风侧的方向弯曲。图3和图4分别为在现有的铁路桥梁挡风结构条件下动车组位于一、二线时表面压力云图和流线图，图中可以看出，桥梁挡风结构下，大多数横向来流被阻挡在挡风结构外，挡风板迎风侧区域受到较大正压。列车位于一线时，车体迎风侧为较小负压区域，这是由于挡风板为开孔板，仅少部分沿开孔进入线路内，形成负压区域，车体顶部靠近迎风侧区域为明显负压，顶部靠近背风侧区域负压逐渐消失，这是由于挡风板并非直板，而是有一定的弯曲度，气流跃过弧形挡风板后恰好作用于列车迎风侧与车顶过渡处，气流加速。列车位于二线时，与一线不同，车体迎风侧正压和车顶负压基本消失，这是由于列车位于二线时，车体距离线路较远，通过开孔进入线路内以及跃过挡风结构进入线路内的气流到达车体时强度减小，对列车作用较弱，因此对于桥梁挡风结构，列车位于一线时更加危险。同时通过现场试验发现，现有的挡风结构对于动车组的防护效果不足，不能满足动车组在南疆铁路的运营需求，需要对其进行优化改造。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种能有效减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障。

为解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案为：

一种减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障，包括外翻部，所述外翻部包括外翻板和两个外翻柱，所述外翻板固定设置于两个所述外翻柱之间，所述外翻部呈朝迎风侧方向弯曲的弧形。如图5和图6所示，在挡风屏障高度不变，桥梁结构承受气动载荷没有大幅变化的情况下，将向背风侧方向内弯的挡风屏障改成朝迎风侧方向外翻的形状，使车辆周围的流场发生很大变化，特别是在车顶区域的负压，改造前车顶靠近迎风侧的负压区域很大，改造后明显减小，从而使列车升力大幅减小；另外改造后车辆背风侧的负压也有所减小，所以车辆的侧向力也有较好的改善。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述挡风屏障还包括内弯部，所述内弯部包括内弯板和两个内弯柱，所述内弯板固定设置于两个所述内弯柱之间，所述内弯部呈朝背风侧方向弯曲的弧形。现有的挡风屏障常采用内弯部的形式，在其基础上进行施工即可实现外翻部的结构，具有施工方便等优点。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述外翻部的一端与所述内弯部的一端固定连接。将外翻部和内弯部固定连接，方便加工，简化结构，减少了改造的工作量。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述外翻部与内弯部的固定连接点距外翻部或内弯部底部的距离为L，2.2m≤L≤2.5m。将固定连接点设置在这一范围内防风效果更好，能有效减少车辆在受力较大的一线位置的横向力、升力和倾覆力矩。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述挡风屏障还包括拉板，所述拉板的一端与所述外翻部的另一端固接，所述拉板的另一端与所述内弯部的另一端固接。采用拉板将外翻部和内弯部连接为整体，增加了挡风屏障的整体抗风能力，保障了挡风屏障的安全。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述外翻部的另一端与所述内弯部的另一端位于同一高度层。这样设置能有效减少车辆在受力较大的一线位置的横向力、升力和倾覆力矩。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述外翻部或内弯部的底部设有用于与铁路桥梁连接的连接底板。连接底板便于将挡风屏障紧固地安装于铁路桥梁的侧面。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述外翻板和内弯板上均匀分布有多个开孔。具体的，外翻板和内弯板上的开孔率为20～30％。设置开孔可以大幅减小挡风屏障自身的受力，这样使桥梁的受力减小，有利于桥梁结构自身的安全，同时一定程度的开孔对挡风屏障后的列车的防风效果并没有明显变化。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述外翻柱和内弯柱上开设有多个圆形通孔，所述多个圆形通孔的直径由下至上依次减小。设置圆形通孔主要是为了减重，以减轻桥梁结构的负载，由于外翻柱和内弯柱从下到上尺寸逐渐减小，因此圆形通孔的直径也由下至上逐渐减小设置。

上述的铁路桥梁挡风屏障，优选的，所述挡风屏障设置于铁路桥梁的侧面，所述外翻部面朝迎风侧的方向布置。这样设置能有效提高挡风屏障对动车组的防风能力。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的铁路桥梁挡风屏障，包括外翻部，所述外翻部包括外翻板和两个外翻柱，所述外翻板固定设置于两个所述外翻柱之间，所述外翻部呈朝迎风侧方向弯曲的弧形。在桥梁结构承受气动载荷没有大幅变化且其他条件基本相同的情况下，相对于现有的内弯结构，外翻结构使车辆周围的流场发生很大变化，特别是车顶区域的负压明显减小，还有效减少了车辆在受力较大的一线位置的横向力、升力和倾覆力矩，且结构简单，方便加工，改造工作量小，对桥梁影响小，提高了对列车的防护效果，保证动车组的安全运行。

附图说明

图1是现有的挡风屏障的侧视结构示意图。

图2是现有的挡风屏障的主视结构示意图。

图3是在现有的挡风屏障下动车组位于一线时表面压力云图和流线图。

图4是在现有的挡风屏障下动车组位于二线时表面压力云图和流线图。

图5是本实用新型的挡风屏障的侧视结构示意图。

图6是本实用新型的挡风屏障下动车组位于一线时表面压力云图和流线图。

图7是采用实施例1中的挡风屏障的铁路桥梁的横截面示意图。

图8是实施例1中的挡风屏障的主视结构示意图。

图9是采用实施例2中的挡风屏障的铁路桥梁的横截面示意图。

图10是采用对比例1中的挡风屏障的铁路桥梁的横截面示意图。

图11是采用对比例2中的挡风屏障的铁路桥梁的横截面示意图。

图12是采用对比例3中的挡风屏障的铁路桥梁的横截面示意图。

图13是采用对比例4中的挡风屏障的铁路桥梁的横截面示意图。

图14是建模时坐标轴方向、力及力矩正向方向的示意图。

图例说明：

1、外翻部；11、外翻板；12、外翻柱；2、内弯部；21、内弯板；22、内弯柱；3、拉板；4、连接底板；5、竖直部。

具体实施方式

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

实施例1：

如图7和图8所示，本实施例的铁路桥梁挡风屏障，包括内弯部2，内弯部2包括内弯板21和两个内弯柱22，内弯板21固定设置于两个内弯柱22之间，内弯部2呈朝背风侧方向弯曲并延伸的弧形，内弯部2为3.5m高。

本实施例中，内弯部2的底部设有用于与铁路桥梁连接的连接底板4。

本实施例中，内弯部2上焊接固定有外翻部1，外翻部1包括外翻板11和两个外翻柱12，外翻板11固定设置于两个外翻柱12之间，外翻部1呈朝迎风侧方向弯曲并延伸的弧形，外翻部1为3.5m高。

本实施例中，挡风屏障还包括拉板3，拉板3的一端与外翻部1的另一端固接，拉板3的另一端与内弯部2的另一端固接。

本实施例中，外翻部1的另一端与内弯部2的另一端位于同一高度层。具体的，拉板3平行于桥面设置。

本实施例中，外翻板11和内弯板21上均匀分布有多个开孔。

本实施例中，外翻柱12和内弯柱22上开设有多个圆形通孔，多个圆形通孔的直径由下至上依次减小。

本实施例中，挡风屏障设置于铁路桥梁的侧面，外翻部1面朝迎风侧的方向布置。

本实施例中，外翻部1与内弯部2的焊接点距内弯部2底部的距离为L，L＝2.5m。

实施例2：

如图9所示，本实施例的铁路桥梁挡风屏障与实施例1基本相同，主要不同之处在于：本实施例中，外翻部1与内弯部2的焊接点距内弯部2底部的距离为L，L＝2.2m。

对比例1：

如图10所示，本对比例的挡风屏障为现有的挡风屏障，包括内弯部2，内弯部2包括内弯板21和两个内弯柱22，内弯板21固定设置于两个内弯柱22之间，内弯部2呈朝背风侧方向弯曲并延伸的弧形，内弯部2为3.5m高。

对比例2：

如图11所示，本对比例的挡风屏障与对比例1基本相同，主要不同之处在于：本对比例中，还包括竖直部5，竖直部5的一端与内弯部2焊接固定，竖直部5沿垂直于桥面的方向设置。

本对比例中，竖直部5与内弯部2的焊接点距内弯部2底部的距离为L，L＝2.2m。

本对比例中，内弯部2的顶端高出竖直部5的顶端0.2m。

对比例3：

如图12所示，本对比例的挡风屏障与对比例2基本相同，主要不同之处在于：本对比例中，竖直部5的顶端与内弯部2的顶端位于同一高度层。

对比例4：

如图13所示，本对比例的挡风屏障与对比例2基本相同，主要不同之处在于：本对比例中，竖直部5与内弯部2的焊接点距内弯部2底部的距离为L，L＝2.85m。

本对比例中，竖直部5的顶端高出内弯部2的顶端0.1m。

对上述的各实施例和对比例进行建模计算，桥梁模型长度为250米，进行对比分析的数据为各实施例和对比例的动车组的横向力、升力、倾覆力矩，其中力的单位为kN，力矩单位为kN·m，车辆取倾覆力矩最大的一节车进行分析。受力以对应坐标轴正向为正；力矩以绕对应坐标轴正向为正(右手定则)；各坐标轴方向、力及力矩正向方向如图14所示。其中：Fx为阻力，Fy为横向力，Fz为升力；Mx为倾覆力矩，My为点头力矩，Mz为摇头力矩。

表1实施例和对比例中动车组所受横向力、升力和倾覆力矩的计算结果

从表1中的计算结果可知，实施例相较于对比例而言防风效果更好，其中实施例2的车辆在受力较大的一线位置的横向力、升力、倾翻力矩分别比现有技术对比例1减小了27.0％、61.9％、36.4％。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种减小大风环境下列车气动载荷的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：包括外翻部(1)，所述外翻部(1)包括外翻板(11)和两个外翻柱(12)，所述外翻板(11)固定设置于两个所述外翻柱(12)之间，所述外翻部(1)呈朝迎风侧方向弯曲的弧形。

2.根据权利要求1所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述挡风屏障还包括内弯部(2)，所述内弯部(2)包括内弯板(21)和两个内弯柱(22)，所述内弯板(21)固定设置于两个所述内弯柱(22)之间，所述内弯部(2)呈朝背风侧方向弯曲的弧形。

3.根据权利要求2所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述外翻部(1)的一端与所述内弯部(2)的一端固定连接。

4.根据权利要求3所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述外翻部(1)与内弯部(2)的固定连接点距外翻部(1)或内弯部(2)底部的距离为L，2.2m≤L≤2.5m。

5.根据权利要求3所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述挡风屏障还包括拉板(3)，所述拉板(3)的一端与所述外翻部(1)的另一端固接，所述拉板(3)的另一端与所述内弯部(2)的另一端固接。

6.根据权利要求3所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述外翻部(1)的另一端与所述内弯部(2)的另一端位于同一高度层。

7.根据权利要求2所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述外翻部(1)或内弯部(2)的底部设有用于与铁路桥梁连接的连接底板(4)。

8.根据权利要求2所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述外翻板(11)和内弯板(21)上均匀分布有多个开孔。

9.根据权利要求2所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述外翻柱(12)和内弯柱(22)上开设有多个圆形通孔，所述多个圆形通孔的直径由下至上依次减小。

10.根据权利要求1至9任一项所述的铁路桥梁挡风屏障，其特征在于：所述挡风屏障设置于铁路桥梁的侧面，所述外翻部(1)面朝迎风侧的方向布置。