400 km_h高速铁路典型路基段风致行车安全研究.pdf

106MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通安全防护安全防护郑晓龙，陈星宇，徐昕宇，周川江，杨 泉（中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031）基金项目：国家重点研发计划项目(2022YFB2603400);中国中铁股份有限公司科技研究开发计划（2022-重大-02）第一作者：郑晓龙,男,教授级高级工程师引用格式：郑晓龙,陈星宇,徐昕宇,等.400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究J.现代城市轨道交通,2024(03):106-112.ZHENG Xiaolong,CHEN Xingyu,XU Xinyu,et al.Study on wind-induced operation safety in typical subgrade sections of 400 km/h high-speed railwaysJ.Modern Urban Transit,2024(03):106-112.DOI:10.20151/ki.1672-7533.2024.03.0171 背景为落实国家交通强国战略部署，在充分借鉴我国既有 350 km/h 高速铁路设计和运营实践的基础上，兴建400 km/h 高速铁路对于提升我国铁路建设自立自强能力摘要：以某设计速度 400 km/h 的高速铁路 4种典型路基段结构为研究对象，采用风车路耦合动力分析方法，运用 ANSYS 和多体动力学软件 SIMPACK 分别建立路基和列车模型，分析CRH380 动车组在环境风速 20 40 m/s 区间工况，以速度 400 km/h 通过时车辆的动力响应。根据评价准则提出风致行车安全控制指标。结果表明：车体横向加速度反映列车横风稳定性，可以作为风致行车安全的控制指标；脱轨系数随着风速增大而增大，在风速不超过 40 m/s 条件下，均未达到上限值 0.8；4#路基段可以承受的环境风速最大，风致行车安全的效果最好；背风侧的车辆响应指标均明显好于迎风侧，对于横风影响下的动力仿真分析，应将迎风侧作为主要研究对象。关键词：高速铁路；典型路基；风车路耦合振动；动力响应；风致行车安全 中图分类号：U213.1具有重要的示范引领作用。然而，在高速铁路沿线，复杂多样的地理环境和地形不可避免地对高速铁路车辆、轨道设施和运营安全产生影响，其中风致灾害尤为突出。随着列车速度的不断提升，在强横风环境下，路基段空气动力特性急剧恶化，对高速铁路的安全运营造成威胁。1990 年 2 月，瑞士 Oberalpsee 附近一列停在 8 m高路堤上的列车被强风吹翻。2002 年，奥地利 Pinzgan窄轨线上一单节车辆被大风吹翻。日本在铁路运输至今140 年间，由风引起的列车事故超过 30 余起。2007 年 2月，从乌鲁木齐驶往阿克苏的列车遭受 13 级大风，造成列车脱轨，导致 4 人死亡，30 多人受伤。据统计，在2000 年2002 年期间，兰新铁路上平均每年由于大风停运的时间高达 10 000 min，造成超过 2 亿元人民币的经济损失。由于高速列车车速高且车体质量轻，发生事故时人员伤亡严重。为保障高速列车的行车安全，针对典型路基段开展风致行车安全分析十分必要1。本文以某设计速度 400 km/h 高速铁路 4 种典型路基段为研究对象，首先建立路基-车辆系统流场分析模型及 CRH380 动车组动力学模型。然后，对风场进行模拟并基于计算流体动力学（CFD）分析，确定各种结构形式下的风荷载及气动参数。最后，按 400 km/h 车速进行单双线行车动力仿真分析，根据有关列车行车安全性400 km/h 高速铁路典型路基段 风致行车安全研究107 现代城市轨道交通3/2024 MODERN URBAN TRANSIT安全防护安全防护400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究评估标准，确定不同风速下典型路基段上列车安全行车的风速阈值，进而提出强风作用下高速列车安全行车的限速标准2。2 工程概况本文研究的 4 种典型路基段位于某设计速度为 400 km/h 的高速铁路3-4，其中 1#路基高 8 m，上宽13.6 m，两侧斜坡坡度为 11.5，如图 1 所示；2#路基高 8 m，上宽 13.6 m，两侧坡度为 11.5，迎风侧路堤含前斜坡，坡度为 15，如图 2 所示；3#路基高 8 m，迎风侧挡风面垂直于路面，背风面斜坡坡度为 11.5，如图 3 所示；4#路基高 8 m，迎风侧挡风面垂直于路面，迎风侧路堤前含斜坡，坡度为 15，如图 4 所示。3 风场模拟及风荷载施加高速列车的风速场是列车动力响应的重要激励源，通常由长周期成分的平均风加上各方向上短周期的脉动风来描述风速场。脉动风时程可考虑为随机平稳过程，将脉动风作为空间相关的平稳随机过程进行模拟，基于谱解法分别模拟横向和竖向脉动风。沿列车运动方向将风场离散为若干个空间相关的脉动风速区间，通过差值算法得到作用在列车上的脉动风速。作用在车辆上的静风力只与来流环境风速相关，不随时间变化，按体轴坐标系描述为：Dst=12 U2HCD（1）Lst=12 U2BCL（2）Mst=12 U2B2CM（3）式（1）式（3）中，Dst、Lst、Mst分别为静风阻力、静风升力和静风升力矩；为空气密度；U为来流环境风速；H、B 分别为车辆断面的高度和宽度；CD、CL、CM分别为体轴系下的阻力系数、升力系数和扭矩系数。车辆的三分力示意如图 5 所示。图 1 1#路基段断面（单位：mm）5 0008 0001 1.51 1.5图 2 2#路基段断面（单位：mm）5 0008 000151 1.51 1.5图 3 3#路基段断面（单位：mm）5 0008 0001 1.55 0008 000151 1.5图 4 4#路基段断面（单位：mm）图 5 车辆三分力示意图注：图中 D、L、M 分别为车辆的静风阻力、静风升力和静风升力矩；FL、FD分别为升力和阻力；为风攻角。MFDDFLLyyxxo客车风自然风紊流特性引发的抖振风是一种重要的风致振动现象，大致分为结构物自身尾流引起的抖振和自然风中的脉动成分引起的抖振，其中脉动风引起的抖振占主要权重。抖振荷载基于准定常假定，参考已有研究，作用在车辆上的气动力近似采用余弦准则计算，作用在车108MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通安全防护安全防护400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究辆单位长度上的抖振力可表示为：Dbu=12 U2B 2CD Du u(t)U+CD Dw w(t)U（4）Lbu=12 U2B 2CL Lu u(t)U+CL+CD Lw w(t)U（5）Mbu=12 U2B2 2CM Mu u(t)U+CM Mw w(t)U（6）式（4）式（6）中，Dbu、Lbu和 Mbu分别为抖振阻力、抖振升力和抖振升力矩；CD、CL和 CM分别为 CD、CL和 CM的斜率；为气动导纳函数；u(t)和w(t)分别为纵向脉动风速和竖向脉动风速5-6。4 静力气动参数CFD分析路基上列车 CFD 分析模型如图 6 图 8 所示。空气绕流列车周边的流场复杂，对于较钝化区域，易形成较大范围的尾流区，距离列车模型较远区域，流场结果改变不大，接近匀速流场，变化梯度小；模型周边区域风速较大，流场压力梯度大。因此，在模型周边采用密网格，模型外围选用疏网格。在 0攻角情况下，迎风侧边界设置为速度进口条件，背风侧边界设置为压力出口条件，下侧边界设定为壁面边界，上侧边界设置为自由出口边界；湍流模型采用剪应力输送（SST）k-湍流模型，湍流因子取 0.5%，粘性系数取为 2 7。通过 CFD 数值模拟 0风攻角下、20 m/s 风速工况，得到气动力系数。其中，1#路基的网格及流场如图 9 图 11 所示。图 6 列车位于迎风侧图 7 列车位于背风侧图 8 双车交会工况图 9 网格及流场示意图（1#路基，仅迎风侧列车）a 网格划分b 压力场及流线（单位：Pa）不同风速工况下列车的三分力系数均值如表 1 所示。由表可知，各个典型路基段形式的迎风侧、背风侧，单线行车和双线行车的三分力各系数都存在明显差别。5 风车路耦合动力仿真分析列车采用 CRH380 动车组，16 辆编组，单双线行车，环境风速取 20 40 m/s，计算车速为 400 km/h，轨道谱采用在科研和工程应用领域广泛认可的德国低干扰谱转换的时域不平顺样本8-9。109 现代城市轨道交通3/2024 MODERN URBAN TRANSIT安全防护安全防护400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究图 11 网格及流场示意图（1#路基，双车对开）a 网格划分b 压力场及流线（单位：Pa）图 10 网格及流场示意图（1#路基，仅背风侧列车）a 网格划分b 压力场及流线（单位：Pa）根据 TB 10621-2014高速铁路设计规范10，车辆的动力响应涵盖脱轨系数、轮重减载率、车体横向和竖向加速度等评价指标，由于车辆在路基上受到横向风，本文以反映横向评价指标最为敏感的车体横向加速度作为列车运行安全性能的主要判别指标，以脱轨系数作为辅助判别指标，各指标限值如表 2 所示。车速为 400 km/h 时，1#路基位于迎风侧和背风侧的车体横向加速度仿真分析结果如图 12 所示。由图可知，随着风速的提高迎风侧的车体横向加速度明显大于背风侧；迎风侧加速度从 0.843 m/s2提高到 1.531 m/s2，背风侧加速度从 0.819 m/s2提高到 1.251 m/s2；当环境风速不超过 25 m/s 时，CRH380 动车组运行速度可达 400 km/h；当环境风速为 30 m/s 时，CRH380 动车组的横向加速度指标超限。车速为 400 km/h 时，2#路基位于迎风侧和背风侧的车体横向加速度仿真分析结果如图 13 所示。由图可知，随着风速的提高迎风侧的车体横向加速度明显大于背风侧，且增长幅度显著；迎风侧加速度从 0.996 m/s2 提高到 1.731 m/s2，增幅为 1.74 倍；背风侧加速度从0.991 m/s2提高到 1.056 m/s2，增幅为 1.06 倍；当环境风速不超过 20 m/s 时，CRH380 动车组运行速度可达 400 km/h；当环境风速达到 25 m/s 时，CRH380 动车组的横向加速度指标超限。车速为 400 km/h 时，3#路基位于迎风侧和背风侧的车体横向加速度仿真分析结果如图 14 所示。由图可知，随着风速的提高迎风侧的车体横向加速度明显大于110MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通安全防护安全防护背风侧，且增长幅度显著；迎风侧加速度从 0.998 m/s2提高到 1.438 m/s2，背风侧加速度从 0.978 m/s2提高到1.066 m/s2；当环境风速不超过 20 m/s 时，CRH380 动车组运行速度可达 400 km/h；当环境风速达到 25 m/s 时，CRH380 动车组的横向加速度指标超限。车速为 400 km/h 时，4#路基位于迎风侧和背风侧的车体横向加速度仿真分析结果如图 15 所示。由图可知，随着风速的提高迎风侧的车体横向加速度明显大于背风侧；迎风侧加速度从 0.961 m/s2提高到 1.180 m/s2，背风侧加速度从 0.969 m/s2提高到 1.059 m/s2；当环境风速不超过 30 m/s 时，CRH380 动车组运行速度可达 400 km/h；当环境风速达到 35 m/s 时，CRH380 动车组的横向加速度指标超限。400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究表 1 不同风速工况下车辆的三分力系数均值表路基形式状态阻力系数CH升力系数CV力矩系数CM1#单线，迎风侧0.8450.016-0.088单线，背风侧0.1820.5670.059双线，迎风侧0.957-0.211-0.084双线，背风侧-0.1170.0240.0042#单线，迎风侧0.934-0.080-0.106单线，背风侧-0.0790.6700.102双线，迎风侧1.091-0.254-0.110双线，背风侧-0.077-0.0300.0023#单线，迎风侧0.748-0.080-0.066单线，背风侧0.0960.4660.054双线，迎风侧0.887-0.250-0.067双线，背风侧-0.1180.0340.0034#单线，迎风侧0.362-0.1820.047单线，背风侧-0.310-0.2800.006双线，迎风侧0.479-0.1790.027双线，背风侧0.022-0.043-0.001表 2 车辆响应限值脱轨系数车体振动加速度/ms-2 0.8横向 1.0图 12 1#路基车体横向加速度结果20253035400.80.91.01.11.21.31.41.51.6环境风速/ms-1背风侧迎风侧横向加速度/ms-2图 13 2#路基车体横向加速度结果环境风速/ms-120253035400.91.01.11.21.31.41.51.61.71.8背风侧迎风侧横向加速度/ms-2图 14 3#路基车体横向加速度结果环境风速/ms-120253035401.01.11.21.31.41.5背风侧迎风侧横向加速度/ms-2图 15 4#路基车体横向加速度结果迎风侧和背风侧脱轨系数的仿真分析结果如图 16、图 17 所示。图 16 为 1#4#路基迎风侧结果，随着风速提高，1#4#路基脱轨系数分别从 0.132 增长至0.366、从 0.143 增长至 0.571、从 0.135 增长至 0.233、20253035400.91.01.11.2横向加速度/ms-2背风侧迎风侧环境风速/ms-1111 现代城市轨道交通3/2024 MODERN URBAN TRANSIT安全防护安全防护6 结论本文以 400 km/h 高速铁路 4 种典型路基段为工程背景，研究了 CRH380 列车在各路基段受到横向风工况下的行车安全性，得出研究结果如下。（1）车辆车体横向加速度响应随着风速的增大而增大，CRH380 动车组运行速度达到 400 km/h 时，1#路基段上环境风速可达 25 m/s，2#、3#路基段上环境风速可达 20 m/s，4#路基段上环境风速可达 30 m/s，说明车体横向加速度可以作为风致行车安全的控制指标。（2）通过车体横向加速度指标判断，4#路基段可以承受的环境风速最大，风致行车安全的效果最好。（3）脱轨系数随着风速的增大而增大，在风速超过30 m/s 后，增大幅度明显，在风速不超过 40 m/s 条件下，均未达到上限值 0.8。（4）从车体横向加速度和脱轨系数指标来看，背风侧的指标均明显好于迎风侧，对于横风影响下的动力仿真分析，应将迎风侧作为主要研究对象。本研究成果可为 400 km/h 高速铁路项目中的路基段设计工作提供参考。参考文献1 马学宁,梁波,高峰.列车速度对车辆轨道路基系统动力特性的影响J.中国铁道科学,2009,30(02):7-13.MA Xuening,LIANG Bo,GAO Feng.Influence of train speed on dynamic characteristics of vehicle-track-subgrade systemJ.China Railway Science,2009,30(02):7-13.2 翟婉明.车辆轨道耦合动力学(第三版)M.北京:科学出版社,2011.ZHAI Wanming.Vehicle-track coupling dynamics(third edition)M.Beijing:Science Press,2011.3 付铭川,周成,李安洪,等.400 km/h 高速铁路路基设计主要技术标准探讨J.高速铁路技术,2021,12(05):68-72.FU Mingchuan,ZHOU Cheng,LI Anhong,et al.Discussion on main technical standards for subgrade design of 400 km/h high-speed railwayJ.High-Speed Railway Technology,2021,12(05):68-72.4 叶阳升,蔡德钩,张千里,等.高速铁路路基结构设计方法现状与发展趋势J.中国铁道科学,2021,42(03):1-12.YE Yangsheng,CAI Desheng,ZHANG Qianli,et al.Current situation and development trend of subgrade structure design methods for high-speed railwayJ.China Railway Science,2021,42(03):1-12.5 叶阳升,蔡德钩,张千里,等.高速铁路路基工程关键技术及应用J.中国基础科学,2020,22(05):35-40.YE Yangsheng,CAI Desheng,ZHANG Qianli,et al.400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究图 16 各路基段迎风侧脱轨系数结果图 17 各路基段背风侧脱轨系数结果20253035400.10.20.30.40.50.6脱轨系数4#路基3#路基2#路基1#路基环境风速/ms-1脱轨系数20253035400.10.20.34#路基3#路基2#路基1#路基环境风速/ms-1从 0.119 增长至 0.158。图 17 为 1#4#路基背风侧结果，随着风速提高，1#4#路基脱轨系数分别从 0.104增长至 0.261、从 0.105 增长至 0.120、从 0.107 增长至0.115、从 0.116 增长至 0.135。对比结果可知，迎风侧的脱轨系数明显高于背风侧，且风速越高，脱轨系数越大，这是由于迎风侧受风影响显著高于背风侧造成的，但是所有数值均没有达到上限值 0.8，说明迎风侧和背风侧均能满足列车安全性要求11-12。112MODERN URBAN TRANSIT 3/2024 现代城市轨道交通安全防护安全防护Key technology and application of high-speed railway subgrade engineeringJ.China Basic Science,2020,22(05):35-40.6 JTG/T 3360-01-2018 公路桥梁抗风设计规范S.2018.7 黄强兵,薛力铭,何国辉,等.高速铁路跨地裂缝带双线路基动力响应J.中国铁道科学,2020,41(05):11-19.HUANG Qiangbing,XUE Liming,HE Guohui,et al.Dynamic response of double-track subgrade of high-speed railway crossing ground crack zoneJ.China Railway Science,2020,41(05):11-19.8 陈云敏,边学成.高速铁路路基动力学研究进展J.土木工程学报,2018,51(06):1-13.CHEN Yunmin,BIAN Xuecheng.Research progress in subgrade dynamics of high-speed railwayJ.Journal of Civil Engineering,2018,51(06):1-13.9 梁瑶,蒋楚生.基于轨道不平顺性的高速铁路路基结构动力响应分析J.铁道标准设计,2012(12):12-13+18.LIANG Yao,JIANG Chusheng.Dynamic response analysis of high-speed railway subgrade structure based on track irregularityJ.Railway Standard Design,2012(12):12-13+18.10 TB 10621-2014 高速铁路设计规范S.北京:中国铁道出版社,2014.11 石熊.高速铁路路基动力累积变形模型试验研究J.铁道科学与工程学报,2020,17(06):1346-1355.SHI Xiong.Experimental study on dynamic cumulative deformation model of high-speed railway subgradeJ.Journal of Railway Science and Engineering,2020,17(06):1346-1355.12 李扬波,张家生,王晅,等.轨道-路基参数对高速铁路路基动应力响应的影响J.中山大学学报(自然科学版),2018,57(06):56-62.LI Yangbo,ZHANG Jiasheng,WANG Xuan,et al.Influence of track-subgrade parameters on dynamic stress response of high-speed railway subgradeJ.Journal of Sun Yat-sen University(Natural Science Edition),2018,57(06):56-62.400 km/h 高速铁路典型路基段风致行车安全研究Study on wind-induced operation safety in typical subgrade sections of 400 km/h high-speed railwaysZHENG Xiaolong,CHEN Xingyu,XU Xinyu,ZHOU Chuanjiang,YANG Quan(China Railway Eryuan Engineering Group Co.,Ltd.,Chengdu Sichuan 610031,China)Abstract:Focusing on four representative subgrade section structures of a high-speed railway designed for speeds of 400 km/h,this article investigates the subgrade and train models that are established through the windmill road coupling dynamic analysis method and the ANSYS and multi-body dynamics software SIMPACK method,respectively.In doing so,the dynamic response of the CRH380 when passing at a speed of 400 km/h under 20-40 m/s ambient wind speed is analyzed.Based on the evaluation criteria,a control index of wind-induced operation safety is proposed.The findings indicate that the lateral acceleration response of the vehicle body serves as a viable control parameter for wind-induced operation safety.In addition,the lateral to vertical force ratio increases with increasing wind speed,but remains below the upper limit of 0.8 even at wind speeds up to 40 m/s.The 4#subgrade section exhibits the highest tolerance to maximum ambient wind speeds,offering optimal wind-induced operation safety.Moreover,the vehicle response index on the leeward side is significantly greater than that on the windward side.This suggests that the windward side should be the primary focus for the dynamic simulation analysis under the influence of crosswind.Keywords:high-speed railway,typical subgrade,wind-train-track coupling vibration,dynamic response,wind-induced operation safety13 尹壮飞,曾鹏毅.某高速铁路路基动力响应研究J.路基工程,2016(06):76-80.YIN Zhuangfei,ZENG Pengyi.Study on dynamic response of a high-speed railway subgradeJ.Subgrade Works,2016(06):76-80.收稿日期 2023-09-05责任编辑 胡姬