胡 喆

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司環(huán)工處,武漢 430063)

武廣鐵路客運專線列車脈動力對聲屏障的影響研究

胡 喆

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司環(huán)工處,武漢 430063)

脈動力是聲屏障動力設計的控制因素,只有確定了客運專線脈動力大小才能開展下一步的聲屏障結構設計。采用可壓縮三維流動模型,利用大型通用流體計算軟件 Fluent對列車高速通過時產生的脈動力進行模擬計算,對脈動力的作用特點、脈動力對聲屏障結構的影響進行研究分析,結論為：列車引起的最大正負壓力差達 1 500 Pa,將對聲屏障和地基連接部件產生重大影響,線間距對聲屏障壓力有重要影響,車型對聲屏障壓力影響不大。

武廣鐵路客運專線;脈動力;聲屏障

客運專線、高速鐵路以其高速度、乘坐舒適性成為各國發(fā)展最快的一種交通方式。但是隨之而來所產生的噪聲、振動對環(huán)境的影響引起了人們的普遍注意,國際上許多學者已經開始著手研究噪聲、振動的污染規(guī)律、產生的原因、傳播途徑、控制方法以及對人體的危害等問題。聲屏障是治理噪聲問題的一種有效途徑,國內許多學者對聲屏障的降噪效果以及聲屏障結構設計檢算進行了探討。

2004年下半年,鐵道部高速辦組織了“京滬高速鐵路工程設計”的國際咨詢,德國專家提出了由于列車風荷載的周期性作用(壓-吸力)—脈動力對聲屏障的影響是不容忽視的,在國外高速列車通過時已存在聲屏障開裂、疲勞破壞等現象。而我國在德國專家咨詢后,僅有一些概念上的認識和分析。武廣鐵路客運專線時速 350 km,研究列車通過時脈動力對聲屏障的影響對指導設計具有重要意義。

本文采用可壓縮三維流動模型,利用大型通用流體計算軟件 Fluent[5]對列車高速通過時產生的脈動力進行了模擬計算,對脈動力的作用特點、脈動力對聲屏障結構的影響進行了研究分析。

1 計算模型的建立

圖1給出了模型邊界條件和模型尺寸,虛線是為了網格劃分而將模型分割的線。圖中模型的尺寸根據車型、線間距及聲屏障的高度變化而變化。n值為線間距離,分別取 4.6m和 4.1m,m為聲屏障高度,分別取 2.05、2.55、3.05m,w、h為不同車型列車寬度和高度,分別取 CRH2和 CRH3的列車寬度和高度。

圖1 計算模型邊界條件和模型尺寸(單位：m)

計算模型網格劃分示意見圖2。

圖2 計算模型網格劃分示意

本次計算選取 CRH2、CRH3兩種車型,聲屏障設計高度按軌面而非地面以上高度分別為 2.05、2.55、3.05m,根據武廣鐵路客運專線速度目標值選取計算速度為 350 km/h。具體計算模型組數如表1所示。

測點布置在沿聲屏障的不同里程上,并且在同一里程上沿聲屏障的高度分布有 5個測點,見圖3。測點布置參數取值見表2,測點縱向間距為 10m。

圖3 測點布置(單位：m)

表2 測點布置參數取值

2 計算結果圖示

計算結果如圖4～圖12所示。

圖形編號說明如下：CRH2-350-3.05-4.6代表車型為 CRH2,運行速度為 350 km/h,聲屏障高度為3.05m,線間距離為 4.6m時,測點的壓力變化,右側的云圖為車頭經過時聲屏障的壓力云圖。

圖4 CRH 2-350-3.05-4.6

圖5 CRH 2-350-2.55-4.6

圖6 CRH 2-350-2.55-4.1

圖7 CRH 2-350-2.05-4.1

圖8 CRH 3-350-3.05-4.6

圖9 CRH 3-350-2.55-4.6

圖11 CRH 3-350-2.05-4.6

圖12 CRH 3-350-2.05-4.1

3 計算結果分析

(1)聲屏障所受脈動壓力過程分析

由圖4～圖12給出的不同模型列車經過各個測點時測點壓力變化時程曲線,反映了列車經過聲屏障時聲屏障所受脈動壓力的過程。各個測點的最大正壓力出現在車頭距測點 4～6m處。需要注意的是當車頭到達測點后,壓力將產生變化,從正值變?yōu)樨撝?變化時間較短,壓力差最大,應該引起注意。這一過程產生的原因是氣流加速流入收縮斷面時在列車與聲屏障之間的空間前端部(即列車阻塞的位移效應引起的)的壓力降落,在車尾端發(fā)生相反的現象,即從負壓變化為正壓。

列車頭部距離測點 40～50m時,測點壓力開始上升,之后壓力以非線性增長速度迅速加大,直到最大值;緊接著壓力又迅速下降,達到負壓最大值;整個下降過程的時間與車速有關,正負壓力差最大達1 500 Pa。當列車頭部完全經過測點后,壓力趨于平穩(wěn),波動較小,對聲屏障產生的脈動壓力也比較小。

(2)聲屏障的受力過程分析

當車頭到達聲屏障時,聲屏障所受壓力開始迅速上升,實際上在車頭快到達聲屏障時聲屏障所受壓力就已經開始上升。從壓力波動圖中可以看出,當車頭經過約 0.15 s后,聲屏障所受壓力馬上變?yōu)樨撝?所受的力和彎矩立即反向。此后這一過程將循環(huán)作用下去,所以作用在聲屏障上的荷載為一個脈動荷載,并且正負壓力絕對值之差不超過 70 Pa。CRH2車型與CRH3車型相比,正負壓力絕對值之差更小,基本相等。當車頭駛出聲屏障范圍時,在一段時間內車尾還在聲屏障范圍內,這時聲屏障的受力和上面的情況相似。

(3)列車引起壓力的影響范圍的確定

以上各組模型中,產生壓力最大的模型是 CRH2-350-2.55-4.1,從圖6中可以看出,當同一里程的一組測點達到最大壓力值時,此組測點前后 30m范圍外測點的壓力基本上在最大壓力的 10%以下,其絕對值約為 70 Pa。其他各組模型當某里程測點出現最大壓力時,前后 30m范圍外測點的壓力也基本保持在最大壓力的 10%以下,而且由于其他組模型產生的最大壓力值均小于模型 CRH2-350-2.55-4.1產生的壓力,所以可以判斷出列車引起的壓力波動范圍為最大壓力出現里程前后 30m范圍內。圖13是模型 CRH2-350-2.55-4.1當列車頭部產生的壓力在 4號系列測點產生壓力最大值時,前后 30m范圍內各個測點系列壓力的大小,圖13中 5號系列測點位于 4號系列測點前方 30m,1號系列測點位于 4號系列測點后方 30m。

(4)線間距離對屏障所受壓力的影響

圖13 列車頭部經過聲屏障一定里程時對聲屏障縱向影響范圍的確定

當其他條件一致時,線間距離對聲屏障脈動壓力影響較大,當距離由 4.6m改變?yōu)?4.1m時,壓力在不同速度和聲屏障高度的情況下,均有大幅度增大,約為4.6m時壓力的 1.2倍。并且速度越快,隨著線間距離的縮小,壓力增長越快。

(5)聲屏障高度對聲屏障所受壓力的影響

在其他條件一致時,聲屏障高度從 2.05m變化為3.05m后,壓力略有增加,但增加不大,約為 30 Pa。然而這僅僅是在此范圍內討論得出的結果,并不代表聲屏障的高度對其所受壓力的影響可以忽略。

(6)脈動力頻譜分析

對脈動壓力曲線進行分析可得,脈動壓力主要頻率范圍為 0～10 Hz,最大功率譜對應頻率為 2.0Hz左右。因此,聲屏障結構一階頻率應遠離 2.0 Hz。

4 結論

(1)列車引起的最大正負壓力之差達到1500Pa,將對聲屏障和地基連接部件產生重大影響,特別是脈動壓力是個動荷載,對連接部件的抗疲勞性能要求很高。

(2)在各種影響聲屏障壓力的因素中,線間距離是最重要的參數之一。線間距離的縮短,聲屏障所受壓力增大,當線間距離由 4.6m縮短到 4.1m時,壓力增加到原來的 1.2倍左右。

(3)兩種車型的計算比較,車型的不同并沒有使聲屏障所受的最大壓力有太大變化,兩種車型造成的壓力上升差最大也只有55 Pa左右,基本可以認為車型對聲屏障脈動壓力影響不大。同時現有聲屏障高度的不同,也沒有導致聲屏障所受的最大壓力有太大變化,最高的聲屏障高度為 3.05m,最低的為 2.05m,壓力的大小前者只比后者大約 30 Pa,基本可以認為沒有影響。

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U238;X 827

A

1004-2954(2010)01-0123-03

2009-11-30

胡 喆(1971—),女,高級工程師,1991年畢業(yè)于蘭州鐵道學院給水排水專業(yè),工學學士。