姚 澍 李人憲 康 健

西南交通大學，機械工程學院，成都 610031

0 引 言

高速列車運行速度的提高，會產生很大的噪聲問題。而高速鐵路線路大都要通過人口稠密、經濟發(fā)達的地區(qū)，降低噪聲已經成為高鐵建設的一項重要課題。高速鐵路聲屏障是解決沿線噪聲問題的有效措施之一[1-2]，并在國內外普通鐵路以及高速鐵路上有較廣泛的應用。

聲屏障一般距離軌道中心線3.65～4.8 m，由于距離較近，除了受到自然風載荷外，還受到列車通過時產生的脈動風載荷。德國科隆至法蘭克福線路采用的聲屏障就出現了損傷，影響到了行車安全以至于幾乎全線拆除[3-4]。目前，對聲屏障的研究主要集中在降噪以及聲屏障頂部結構優(yōu)化方面，對聲屏障的結構強度和疲勞強度研究較少。在交變的氣動力作用下，聲屏障受到反復的沖擊，有可能造成疲勞破壞，甚至影響行車安全。我國鐵路聲屏障的設計主要參考城市道路聲屏障的規(guī)范，目前的結構設計以靜力分析為基礎，這是不夠完善和科學的[5-6]。

列車通過時聲屏障上的壓力是怎么變化和分布的？在這個交變的氣動力作用下，聲屏障立柱的應力和變形是怎么變化的？立柱的應力和變形隨列車速度又是怎么改變的？不同的聲屏障距離氣動載荷和結構應力如何變化？還有相當多的問題需要解決。本文采用計算流體力學仿真模擬列車通過聲屏障的過程，采用流固耦合技術，將聲屏障受到的氣動壓力較真實的加載為邊界條件，利用有限元方法分析聲屏障的受力情況，為聲屏障疲勞壽命的估計提供一定的參考判據。

1 列車風的氣動力特性計算

1.1 流場計算模型

本文采用CRH2車型，較細致的建立了頭車、中間車和尾車組合的列車模型，長76.9 m。雙線軌道，線間距5 m。路基及聲屏障尺寸參考鐵道部經濟規(guī)劃研究院發(fā)布的《路基聲屏障通環(huán)8225、8325》[7]，列車軌道面高于聲屏障基座0.9 m。聲屏障不考慮列車進出邊緣帶來的影響，簡化為高2.95 m的長直板。列車通過時車周圍是一個三維、粘性、可壓縮、非定常瞬態(tài)的流場，我們采用有限體積法對這一流場描述方程進行數值求解。圖1為列車及聲屏障的計算網格模型。

圖1 計算模型的網格Fig.1 Gird of the computation model

圖2 列車在350km/h時聲屏障上的壓力云圖Fig.2 Stress cloud chart on the noise barrier when train passes at a speed of 350km/h

1.2 聲屏障上氣動作用力計算

為分析不同工況下聲屏障上氣動載荷的變化，作者計算分析了三種聲屏障距軌道中心距離（3.34，3.90，4.65 m）和三種列車行駛速度（350，400，450 km/h）的流場。圖2為當車速350 km/h時某時刻聲屏障面板靠近列車側面的壓力分布。此時，靠近列車頭部的聲屏障面板上形成了一個正壓的“壓力靶”和一個負壓的“壓力靶”[8]。壓力靶的中心壓力絕對值最大，向四周輻射狀減小，列車中間聲屏障區(qū)域的壓力值較小。尾部與頭部正好相反，先出現一個負壓的“壓力靶”，再出現一個正壓的“壓力靶”。隨著時間的變化，壓力靶位置也隨著列車前進。

1.3 聲屏障上氣體壓力變化規(guī)律

在聲屏障內外兩側自下而上均勻取 8個測點測量列車經過時的壓力，位置如圖 3所示。列車以350 km/h的速度通過時，距軌道中心3.34 m（±0.05 m）聲屏障上測點的壓力變化如圖4所示，各點的壓力分布規(guī)律類似。壓力表現為兩個脈沖，車頭靠近時壓力驟升，至峰值后立即下降至負壓的峰值。車尾接近時產生較大的負壓，隨即驟升至較大的正壓峰值。隨著列車遠離，壓力也下降的較快。

圖3 測點位置示意Fig.3 Location of the observation points

圖4 車速為350km/h時測點的壓力變化Fig.4 Pressure changes of the points when train passed at 350km/h

圖 5是中心距 3.34 m的聲屏障，在不同列車速度下測點的車頭壓力峰值。a—d點位于聲屏障內側面，壓力自下而上變小，正壓比負壓的峰值變化劇烈。聲屏障內側面底部與頂部的正壓相差64%左右，負壓相差 22%左右。E—h點位于聲屏障板的外側面，壓力自上而下減小。外側面頂部與底部正壓相差34%左右，負壓相差61%左右。同一測點在不同速度下的壓差最大能達到2 426 Pa，可見列車運行速度對聲屏障上氣動作用力的影響相當大。用a測點壓力波的正負峰值差作為衡量指標，不同中心距氣動力峰值差隨車速變化如圖6所示。

圖5 不同速度下測點的壓力峰值Fig.5 Peak pressures of the measuring points under different speeds

圖6 不同中心距氣動力峰值差隨車速變化Fig.6 Aerodynamic force peak differences with the speed at different center distances

在聲屏障同一高度上的壓力變化，反映了隨列車運動聲屏障上氣動力的變化。

聲屏障受到的壓力為一個隨時間變化且不均勻分布的面載荷，如果用平均值或者最大值來代替這個分布的面載荷并不合理[9-10]。為模擬較真實的載荷條件，本文采用流固耦合技術將流場計算得到的面板壓力加載到固體壁面上進行立柱的強度計算。

2 聲屏障的強度分析

2.1 計算模型

根據鐵路工程建設聲屏障標準，金屬插板式聲屏障由 H型鋼立柱和金屬聲屏障單元板構成。鋼立柱間距為2 m，聲屏障單元板安裝在H型鋼立柱之間，它們之間固定有單管橡膠墊。H型鋼底部與底板有加勁板，并由底板固結地面[11]。圖7為結構示意圖。

圖7 金屬插板式聲屏障結構示意Fig.7 Structure of the metal noise barrier

根據通環(huán)標準，聲屏障單元板最大撓度不超過L/100，結構變形在幾厘米之間，結構變形對流場的影響可以忽略不計。利用流固耦合技術實現流場壓力數據轉換為固體計算的邊界條件，在耦合面盡量使流場網格和固體網格尺度相接近。

氣動力作用在聲屏障單元板上，單元板通過橡膠墊施加力到立柱兩側的翼板上。本文將單管橡膠墊簡化為只受壓縮的彈簧單元。建立立柱和單元板受力計算模型，利用有限元法對中間的H鋼立柱進行強度計算。

2.2 H鋼立柱的受力規(guī)律

按上述模型，計算三種中心距(3.34，3.9，4.65 m)三種速度(350，400，450 km/h)九種工況。圖8是中心距3.34 m，時速350 km/h時中間H鋼立柱的變形和按照第四強度理論的等效應力在各個時間點的峰值，圖8下方圖為立柱最大變形隨時間變化。每當列車經過一次，等效應力產生四個脈沖，其中第一個脈沖值最大。立柱的變形則反應了正負脈動列車風的影響，車頭經過，立柱先向外側傾斜，再向內側移動。車尾經過則相反。不同中心距聲屏障立柱最大等效應力隨速度的變化如圖9所示。最大等效應力隨車速的增大而增大，隨著聲屏障距線路中心距增大而減小。同一距離聲屏障上立柱最大應力隨速度幾乎是線性增加的，而斜率隨距離的增大而減小。

圖8 350km/h時H型鋼出現的最大變形及應力Fig.8 The maximum deformation and stress of H-beam when train passed at 350km/h

圖9 不同距離立柱隨速度變化的最大等效應力Fig.9 Maximum equivalent stresses of columns at different distances with speed

為進一步分析立柱受力狀況，分析加勁板頂端與H鋼結合處四個節(jié)點位置的應力變化（圖10）。圖11為測點應力值，其中正應力方向為立柱高度方向y，切應力為底板平面xz方向。從圖11可以看出，A、B點正應力變化趨勢相同。車頭通過時先產生正值應力脈沖，再變化為負值應力脈沖，車尾通過時則相反；C、D點正應力變化趨勢相同，車頭通過時先產生負值應力脈沖，再變化為正值應力脈沖，車尾通過時反向。A、B點車頭通過時在y方向先受到拉伸后受壓縮，C、D點y方向先受到壓縮后受拉伸。說明車頭通過時立柱先向遠車側彎曲，再反向彎曲。而車尾通過時則相反。

圖10 測點位置Fig.10 Locations of the measuring points

圖11 測點應力變化Fig.11 Stress variation of the measuring points

切應力的存在說明立柱除受到彎曲變形外還受到扭轉變形。切應力 A、D點變化趨勢相同，B、C點變化趨勢一致。A、D點切應力在車頭通過時先負后正變化，B、C點切應力先正后負變化，說明立柱在車頭通過時先向迎車頭方向扭轉，然后再向相反方向扭轉，而車尾通過時扭轉變化方向相反。

列車通過立柱產生彎扭組合變形，且彎矩扭矩各經歷兩次換向，使聲屏障很可能產生疲勞破壞。

2.3 H鋼立柱的疲勞分析

依據設計標準，聲屏障要在一天經過210對列車條件下保證一定的使用壽命（立柱50 a）。根據上述計算，立柱受到的應力并不大，未達到材料的屈服極限，但有可能出現疲勞破壞。因此，下面依據疲勞強度理論估算聲屏障立柱的疲勞壽命。依據上述強度計算，可獲得危險點應力最大值的應力時間歷程曲線，用雨流計數法進行統計分析，得到各個工況下的應力譜[12]。利用立柱鋼材料的S-N曲線，運用 Goodman曲線進行平均應力的修正，得到表1的疲勞壽命預測。

表1中2.5E8是出現疲勞破壞的循環(huán)次數，按照疲勞理論對應無限壽命。表1的計算結果表明，該結構聲屏障，在車速為350 km/h時，三種距離聲屏障H鋼立柱壽命均可實現超過50 a。車速為400 km/h時，中心距 3.34 m的立柱僅有 2.55 a。車速為 450 km/h時，中心距3.34 m處的立柱壽命減為0.63 a；中心距3.9 m的立柱壽命減為 1.06 a?？梢姵囁偻猓暺琳暇嚯x對其疲勞壽命也有非常大的影響。因此，車速在 400 km/h以上運行時，需要加強加勁板的高度和厚度，或者將聲屏障安裝至4.65 m的安全距離。

表1 各工況下的疲勞壽命Tab.1 The fatigue life under various working conditions

3 結 論

（1）列車經過時聲屏障受到的壓力為一個隨時間變化且不均勻分布的面載荷。任意點壓力隨時間呈兩個脈沖狀變化。聲屏障沿高度方向，內側面壓力自下而上變小，外側面壓力自上而下減小。聲屏障上相同高度點上壓力隨列車運行速度向前變化。

（2）H鋼立柱受到彎扭組合變形，彎矩扭矩各經歷兩次換向。車頭通過時立柱先向遠車側彎曲，再反向彎曲，而車尾通過時則相反。同時，車頭通過時先向迎車頭方向扭轉，然后再向相反方向扭轉，而車尾通過時扭轉變化方向相反。（3）每當列車經過一次，等效應力產生四個脈沖，其中第一個脈沖值最大。等效應力隨車速的增大而增大，隨著聲屏障距線路中心距增大而減小。同一距離聲屏障上立柱最大應力隨速度幾乎是線性增加的。

（4）H鋼立柱受到的應力不大，可能出現疲勞破壞，車速和聲屏障距離對其疲勞壽命也有非常大的影響。

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