Исследование аэродинамического воздействия высокоскоростного поезда на пешеходные путепроводы

Проектирование и строительство высокоскоростных железнодорожных магистралей сопровождается необходимостью учета некоторых нагрузок и воздействий, как правило не принимаемых во внимание при проектировании обычных железных дорог. Среди таких специальных нагрузок, учет которых обязателен при расчете объектов инфраструктуры высокоскоростных железнодорожных магистралей, выделяется нагрузка от аэродинамического воздействия движущегося высокоскоростного подвижного состава. Одной из наиболее подверженных аэродинамическому воздействию конструкций является пешеходный путепровод, что обуславливается его относительно небольшой массой и непосредственной близостью к движущемуся поезду. Выполненный анализ отечественных и зарубежных нормативов и методик учета аэродинамического воздействия от движущегося высокоскоростного поезда показал, что в них отсутствует ряд расчетных случаев, характерных для пешеходных переходов, автодорожных путепроводов, конкорсов и т. д., а именно воздействие на вертикальные поверхности, расположенные над габаритом перпендикулярно оси движения поезда.
В данной работе рассматривается исследование аэродинамического воздействия высокоскоростного поезда на пешеходный путепровод. Анализ результатов выполненной серии расчетов позволил установить характер распределения давлений на поверхности рассматриваемого сооружения, в том числе и на фронтальную поверхность. Также были определены характер и интенсивность силового воздействия на конструкцию, а именно продольной и подъемной аэродинамических сил, в зависимости от положения движущегося поезда и таких параметров конструкции, как высота над уровнем головки рельса и расстояние от рассматриваемого сечения до оси движения поезда.
В заключение приведены предложения по совершенствованию существующих методик учета аэродинамического воздействия.

1. Смирнов В. Н., Дьяченко А. О., Дьяченко Л. К. Особенности проектирования мостов на высокоскоростных железнодорожных магистралях // Бюллетень результатов научных исследований. 2017. № 3. С. 69–81.

2. Baker С. J. A review of train aerodynamics. Part 1. Fundamentals // The Aeronautical Journal. 2014. Vol. 118, Iss. 1201. Р. 201−228. https://doi.org/10.1017/S000192400000909X.

3. Baker C. J. A review of train aerodynamics. Part 2. Application // The Aeronautical Journal. 2014. Vol. 118, Iss. 1202. Р. 345–382. https://doi.org/10.1017/S0001924000009179.

4. Чурков Н. А. Аэродинамика железнодорожного поезда: принципы конструирования подвижного состава, минимизирующие воздействия воздушной сферы на железнодорожный поезд. Москва : Желдориздат, 2007. 332 с.

5. Guo Zijian, Lum Tanghong, Hemida Hassan. Numerical simulation of the aerodynamic characteristics of double unit train // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2020. Vol. 14, No. 1. P. 910–922. https://doi.org/10.1080/19942060.2020.1784798.

6. Лазаренко Ю. М., Капускин А. Н. Аэродинамическое воздействие высокоскоростного электропоезда «Сапсан» на пассажиров на платформах и на встречные поезда при скрещении // Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2012. № 4. С. 11–14.

7. Yang Na, Zheng Xiu-Kai, Zhang Jian. Experimental and numerical studies on aerodynamic loads on an overhead bridge due to passage of high-speed train // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2015. Vol. 140. Р. 19–33. http://dx.doi.org/10.1016/j.jweia.2015.01.015.

8. Soper D., Gillmeier S., Baker C. Aerodynamic forces on railway acoustic barrier // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2019. Vol. 191. Р. 266–278. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2019.06.009.

9. Zou Yunfeng, Fu Zhengyi, He Xuhui. Wind Load Characteristics of Wind Barriers Induced by High-Speed Trains Based on Field Measurements // Applied Sciences. 2019. Vol. 9 (22). Р. 1–9. https://doi.org/10.3390/app9224865.

10. Hoffmeister B. Lärmschutzwände an Hochgeschwindigkeitsstrecken der Bahn – eine Herausforderung für den Leichtbau // Tagung der Österreichischen Gesellschaft für Erdbebeningenieurwesen und Baudynamik. 2008. September. S. 1–11.

11. The effect of moving train on the aerodynamic performances of train-bridge systems with a crosswind / Zhiyong Yao, Nan Zhang, Xinzhong Chen, Cheng Zhang // Engineering Applications of Computational Fluid Mechanics. 2020. No. 14 (1). P. 222–235. https://doi.org/10.100/19942060.2019.1704886.

12. Li Xiao-Zhen, Wang Ming, Xiao Jun. Experimental study on aerodynamic characteristics of high-speed train on a truss bridge: A moving model test // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2018. Vol. 179. Р. 26–38. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2018.05.012.

13. Liang Xi-Feng, Li Xiao-Bai, Chen Guang. On the aerodynamic loads when a high speed train passes under an overhead bridge // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020. Vol. 202. Р. 1–11. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104208.

14. Liu Ziqi, Zhang Xun, Chen Tao. Aerodynamic loads and bridge responses under train passage: case study of an overpass steel box-girder cable-stayed bridge // Advances in Bridge Engineering. 2022. Vol. 3. Р. 1–25. https://doi.org/10.1186/s43251-021-00051-w.

15. Исследование аэродинамического нагружения масштабной модели конструкции автомобильного моста над железнодорожным полотном при движении модели скоростного поезда на скоростном гидростенде ЦАГИ : отчет о НИР (заключительный) / Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского ; руководитель А. Б. Айрапетов ; исполнители: А. В. Катунин, В. В. Стрекалов, Е. В. Смирнова. Москва, 2016. 35 с. Инв. № 12/4-13676.

16. Айрапетов А. Б., Катунин А. В. Исследование картины аэродинамического взаимодействия скоростного поезда, движущегося под конструкцией автомобильного путепровода на установке прямого движения // Материалы XXVII научно-технической конференции по аэродинамике, г. Жуковский, Московская область, 21–22 апреля 2016 г. / Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского (ЦАГИ). Жуковский, Московская область : ЦАГИ, 2016. С. 23–24.

17. Лабутин Н. А. Разработка численной модели аэродинамического взаимодействия высокоскоростного поезда, воздушной среды и объектов инфраструктуры // Мир транспорта. 2022. Т. 20, № 4 (101). С. 6–16.

18. Numerical simulations of the separated flow around a freight train passing through a tunnel using the sliding mesh technique / P. Iliadis, H. Hemida, D. Soper, C. Baker // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F. Journal of Rail and Rapid Transit. 2019. Vol. 234, Iss. 6. Р. 638–654. https://doi.org/10.1177/0954409719851421.

19. Вальгер С. А., Федоров А. В., Федорова Н. Н. Моделирование несжимаемых турбулентных течений в окрестности плохообтекаемых тел с использованием ПК ANSYS Fluent // Вычислительные технологии. 2013. № 5. С. 27−40.

20. Математическое моделирование аэродинамического поведения антенно-мачтовых сооружений при организации связи на железнодорожном транспорте / А. А. Локтев, В. В. Королев, О. И. Поддаева [и др.]// Вестник научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. 2018. № 2 (77). С. 77−83.

21. Full-scale experiment of transient aerodynamic pressures acting on a bridge noise barrier induced by the passage of high-speed trains operating at 380–420 km/h / X.-H. Xiong, B. Yang, K.-W. Wang [et al.] // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2020. Vol. 204. P. 104298. https://doi.org/10.1016/j.jweia.2020.104298.

22. Numerical-experimental analysis of the slipstream produced by a high-speed train / A. Zampieri, D. Rocchi, P. Schito, C. Somaschini // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2019. Vol. 196 (5). Р. 104022.

23. Maleki S., Burton D., Thompson M. C. Assessment of various turbulence models (ELES, SAS, URANS and RANS) for predicting the aerodynamics of freight train container wagons // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2017. Vol. 170. Р. 68–80.