施　洲，楊仕力，蒲黔輝，鄧　躒

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都　610031；2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司 環(huán)境工程研究院，四川 成都　610031)

引　言

隨著我國(guó)高速鐵路不斷發(fā)展并走向世界，列車運(yùn)行速度也越來越高，沿線噪聲問題將變得愈發(fā)顯著，空氣動(dòng)力噪音與列車運(yùn)營(yíng)速度的6到8次方成正比，是制約高速鐵路向更高速度發(fā)展的主要因素之一[1]。國(guó)內(nèi)京津、京滬等高速線路的實(shí)測(cè)噪聲結(jié)果表明，高速列車的中上部噪聲約占總噪聲源的52%～75%[2]。為降低高速鐵路沿線噪聲，目前的主要措施之一是設(shè)置聲屏障[3-4]。聲屏障用于降噪，但其結(jié)構(gòu)需要承受高速通行列車車體沖擊、擾動(dòng)空氣產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓的作用。該風(fēng)壓對(duì)聲屏障的結(jié)構(gòu)安全性造成威脅，并曾導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)的破壞[5]。隨著設(shè)計(jì)時(shí)速分別達(dá)到380，400 km的和諧號(hào)CRH380、復(fù)興號(hào)CR400的投入運(yùn)營(yíng)，列車最高速度有望進(jìn)入350～400 km·h-1區(qū)間，相應(yīng)列車脈動(dòng)風(fēng)荷載問題更為突出。列車的空氣動(dòng)力學(xué)問題早已引起關(guān)注，日本的原朝茂早在20世紀(jì)60年代就開始了列車空氣動(dòng)力學(xué)的研究工作。此后，高速列車空氣壓力與車頭形狀的關(guān)系、列車高速交會(huì)產(chǎn)生的壓力波問題、高速列車進(jìn)出聲屏障區(qū)域或隧道的空氣動(dòng)力問題的研究也不斷取得進(jìn)展[6]。高速列車作用于聲屏障結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)的研究方法主要有試驗(yàn)實(shí)測(cè)及數(shù)值仿真分析兩種。德國(guó)在紐倫堡—英戈斯達(dá)特高速線路上系統(tǒng)實(shí)測(cè)了列車車速160～330 km·h-1下不同類型聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)壓值[7]。李晏良等人[8]在分析德國(guó)高速鐵路聲屏障氣動(dòng)力測(cè)試的基礎(chǔ)上，結(jié)合京津城際鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)開展高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)氣動(dòng)力的試驗(yàn)研究工作。隨著流體力學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展而蓬勃興起的數(shù)值仿真方法為列車空氣動(dòng)力特性研究開辟了新的途徑。在高速列車作用于聲屏障結(jié)構(gòu)脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值仿真研究中，鄧躒等人[9]開展了380 km·h-1高速列車的脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值仿真分析，并系統(tǒng)分析了脈動(dòng)風(fēng)荷載的特性。陳向東等人[10]基于ALE方法，建立高速列車聲屏障脈動(dòng)力三維數(shù)值模型，采用并行計(jì)算技術(shù)研究作用于聲屏障的列車脈動(dòng)風(fēng)荷載。

目前，盡管國(guó)內(nèi)高速鐵路發(fā)展迅速，相關(guān)列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載在理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的基礎(chǔ)上取得不少成果，但時(shí)速350～400 km列車的脈動(dòng)風(fēng)荷載資料極少。高速列車作用聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載受列車尺寸、速度，聲屏障的尺寸、形狀及其與線路中心的距離等多種因素影響，高速列車作用于聲屏障的最大風(fēng)壓量值分布特性以及振動(dòng)譜特性等尚有待于進(jìn)一步完善。針對(duì)高速鐵路聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載問題，基于計(jì)算流體力學(xué)理論建立高速列車、聲屏障的三維數(shù)值模型，本文模擬列車通過聲屏障區(qū)域時(shí)聲屏障承受的脈動(dòng)風(fēng)壓及其分布特性，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外高速列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)結(jié)果，系統(tǒng)研究列車速度、聲屏障距離等多種參數(shù)對(duì)脈動(dòng)風(fēng)荷載的影響狀況與規(guī)律；在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析研究時(shí)速350～400 km列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的靜動(dòng)力特性，為高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力設(shè)計(jì)提供參考資料與技術(shù)儲(chǔ)備。

1　高速鐵路聲屏障與列車脈動(dòng)風(fēng)荷載

在國(guó)外的高速鐵路聲屏障應(yīng)用中，大多采用金屬立柱插板式，立柱為H型鋼，插板為金屬鋁包板、混凝土板、加勁纖維板以及亞克力等透明隔聲板，如圖1。在國(guó)內(nèi)，除廣泛使用金屬立柱插板式聲屏障外，還開發(fā)了整體式混凝土聲屏障。前者在京津城際鐵路、京滬高速鐵路等線路上使用，后者在武廣客運(yùn)專線等高速線路上應(yīng)用，如圖2。由于高速鐵路噪聲源位置相對(duì)較高[2-11]，為有效降低噪聲，聲屏障應(yīng)有足夠的高度。與此同時(shí)，還應(yīng)考慮到線路信號(hào)、列車司機(jī)的視線、乘客視野等因素。因此，列車車窗高度以上部分聲屏障結(jié)構(gòu)采用透明聲屏障，甚至全高度透明聲屏障結(jié)構(gòu)。

圖1　金屬立柱插板式聲屏障

高速鐵路聲屏障主要功能為降噪，其結(jié)構(gòu)還需要承受高速列車的脈動(dòng)風(fēng)壓荷載、自然風(fēng)荷載等。在沿海臺(tái)風(fēng)地區(qū)或特定陣風(fēng)區(qū)域，自然風(fēng)荷載對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)作用顯著，需要嚴(yán)格設(shè)計(jì)驗(yàn)算。列車脈動(dòng)風(fēng)荷載是由列車高速通行時(shí)擾動(dòng)空氣而產(chǎn)生的特殊動(dòng)態(tài)風(fēng)荷載，列車脈動(dòng)風(fēng)荷載最大風(fēng)壓量值顯著，并具有明顯頻率特征的振動(dòng)特性，對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期疲勞受力影響顯著。列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的風(fēng)壓值與列車速度、聲屏障至軌道中心線的距離、列車外形、車廂長(zhǎng)度以及聲屏障的形狀和高度等參數(shù)有關(guān)。列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的頻率特性則主要與列車速度、車廂長(zhǎng)度有關(guān)。

圖2　帶透明隔聲板的混凝土整體式聲屏障

2　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值仿真分析理論與模型

2.1　數(shù)值仿真分析理論

在列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的數(shù)值仿真分析中，為便于理論分析，作如下簡(jiǎn)化與假設(shè)：假定列車車廂表面完全光滑，忽略車輛表面的不平順如車窗門凹凸、受電弓及轉(zhuǎn)向架突起物、車廂連接構(gòu)造等；僅考慮聲屏障的直線區(qū)域，忽略線路坡度，并假定聲屏障表面是光滑的，忽略聲屏障表面復(fù)雜的吸聲構(gòu)造等；數(shù)值仿真分析中，設(shè)定流場(chǎng)處于紊流狀態(tài)，流場(chǎng)的雷諾數(shù)Re以車寬作為特征長(zhǎng)度取值，采用k-ε兩方程紊流模型模擬列車進(jìn)入聲屏障區(qū)域全過程的紊態(tài)流場(chǎng)，相應(yīng)控制微分方程為[12]

(1)

動(dòng)量守恒方程為

(2)

(3)

(4)

能量守恒方程為

(5)

紊動(dòng)能方程為

(6)

紊動(dòng)能耗散率方程為

(7)

其中，

式中：ρ為空氣密度；u，v，w為流程速度在x，y，z坐標(biāo)方向的分量；μ為空氣運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；μt為紊流黏度；k為紊流動(dòng)能；ε為紊流動(dòng)能耗散率；T為空氣溫度；κ為空氣熱導(dǎo)率，cp為空氣質(zhì)量定壓熱容；C1，C2，Cμ，σk，σε均為常數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值分別取1.44，1.92，0.09，1.00，1.30；Φ=μPG為耗散函數(shù)；SMx，SMy，SMz分別為x，y，z方向動(dòng)量方程的源項(xiàng)。

列車進(jìn)入聲屏障區(qū)域前后，考慮列車、聲屏障周圍空氣介質(zhì)具有一定的黏性及可壓縮性，根據(jù)k-ε方程紊流模型模擬的流場(chǎng)，采用耦合式求解器隱式方案對(duì)三維Navier-Stocks方程求解。計(jì)算分析利用Fluent軟件完成，采用動(dòng)網(wǎng)格法，模擬高速列車進(jìn)出聲屏障區(qū)域的全過程。

2.2　高速鐵路聲屏障數(shù)值仿真分析模型

在高速列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載數(shù)值仿真分析中，選擇高速鐵路雙線線路，線路間距為5.0 m。分析中模擬聲屏障區(qū)域長(zhǎng)度為400.0 m，聲屏障最高為軌頂面以上3.5 m。聲屏障區(qū)域及其網(wǎng)格劃分見圖3。列車以8輛編組形式的CHR380B型、CR400BF型為例，CHR380B型車體寬度3.3 m，車高3.9 m，列車全長(zhǎng)200.3 m；CR400BF車輛寬3.4 m，車高4.1 m，車體長(zhǎng)度25.0 m，前者用于時(shí)速380 km及以下速度工況計(jì)算，后者用于時(shí)速400 km工況計(jì)算。列車車體網(wǎng)格見圖4。

圖3　聲屏障及其周圍區(qū)域網(wǎng)格劃分

圖4　CRH380B型列車車體網(wǎng)格

為系統(tǒng)分析高速列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載特性，對(duì)不同參數(shù)情況下對(duì)應(yīng)的多種工況進(jìn)行詳細(xì)的CFD分析。列車速度v包括300，350，380和400 km·h-1共4個(gè)工況，聲屏障距離軌道中心線距離D取值3.0，3.8，4.6，5.2和6.8 m時(shí)的多個(gè)工況，共分析20多個(gè)工況下高速列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載。

3　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的仿真分析與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

3.1　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載仿真結(jié)果與分析

采用數(shù)值仿真分析的方法，對(duì)列車通過聲屏障區(qū)域的過程進(jìn)行詳細(xì)分析計(jì)算，考慮了不同車速、不同聲屏障至軌道中心線距離等多工況下聲屏障所承受的列車動(dòng)態(tài)風(fēng)壓力作用。在列車風(fēng)壓力計(jì)算結(jié)果的分析中，主要分析兩側(cè)聲屏障開始處0，50，100，200，300，400 m(末端)截面處的最大風(fēng)壓計(jì)算結(jié)果。在每個(gè)截面處，沿聲屏障高度方向分別于聲屏障底端以上0.0，1.8，3.5，3.8 m(對(duì)應(yīng)軌頂面以上3.15 m)處各布置一個(gè)提取點(diǎn)。

列車以勻速進(jìn)入聲屏障區(qū)域后，聲屏障、列車的瞬時(shí)風(fēng)壓力如圖5所示，可見高速運(yùn)行列車車頭承受較大的脈動(dòng)風(fēng)荷載，車身及聲屏障承受的風(fēng)荷載相對(duì)較小。在列車通行的全過程中，聲屏障各點(diǎn)均承受動(dòng)態(tài)的風(fēng)壓作用，包括頭車的最大值脈沖風(fēng)壓、中部車廂的微幅振動(dòng)風(fēng)壓以及尾車的次峰值脈沖風(fēng)壓。在特殊的會(huì)車工況中，會(huì)車對(duì)聲屏障最大脈動(dòng)風(fēng)壓影響并不大，但在會(huì)車的瞬時(shí)也會(huì)形成一個(gè)次峰值脈沖風(fēng)壓，會(huì)車時(shí)聲屏障承受的風(fēng)壓時(shí)程曲線如圖6所示。從分析結(jié)果可知，不同車速等工況下近側(cè)及遠(yuǎn)側(cè)聲屏障上不同測(cè)點(diǎn)壓力峰值差距顯著。聲屏障距離軌道中心線3.8 m工況下近側(cè)最大脈動(dòng)風(fēng)壓見表1。從高速列車通行聲屏障區(qū)域的各工況下計(jì)算分析結(jié)果均表明，作用于聲屏障的最大風(fēng)壓力均出現(xiàn)在聲屏障的下部，最大正壓力稍大于最大負(fù)壓力。350，380和400 km·h-1速度下最大風(fēng)壓值分別為1 430，1 694和2 286 Pa，發(fā)生于聲屏障至軌道中心線3.0 m工況下聲屏障長(zhǎng)度的中部。在單一列車通行聲屏障區(qū)域，遠(yuǎn)側(cè)的聲屏障承受風(fēng)壓力遠(yuǎn)小于近側(cè)聲屏障風(fēng)荷載。會(huì)車時(shí)作用于聲屏障的最大風(fēng)壓略有增加，但并不顯著。

圖5　380 km·h-1通行時(shí)聲屏障及列車的風(fēng)壓分布

圖6　380 km·h-1通行時(shí)50 m處測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程

聲屏障位置縱向距離/m高度/m最大風(fēng)壓/Pa350km·h-1380km·h-1400km·h-1正壓負(fù)壓正壓負(fù)壓正壓負(fù)壓500 01425108716861271188814331 8127996415131144166813783 57235658506789328563 87235658506788988451000 01411108816621317186814971 8126296914871174160814343 57125688436798998393 87125688436798898442000 0143089316941045185711871 812818101512952162410883 57134948425838917503 8713494842583885736

3.2　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的參數(shù)影響規(guī)律

在高速列車的脈動(dòng)風(fēng)荷載仿真分析中，分別對(duì)聲屏障至線路中心的距離、行車速度等多種參數(shù)進(jìn)行分析討論。

(1)聲屏障至線路中心距離的影響：不同車速下聲屏障承受的最大脈動(dòng)風(fēng)壓值與聲屏障至線路中心距離的關(guān)系曲線見圖7。從圖中可見，聲屏障距離線路中心越遠(yuǎn)風(fēng)壓值越低，兩者呈現(xiàn)近似雙曲線性反比關(guān)系。

(2)列車速度的影響：分別計(jì)算分析300，350，380，400 km·h-1下的最大風(fēng)壓值情況，聲屏障距離線路中心線3.8 m時(shí)高度0～3.8 m處最大列車風(fēng)壓值與速度的關(guān)系曲線見圖8。從兩者的關(guān)系曲線可見，聲屏障最大脈動(dòng)風(fēng)荷載隨速度的增加而顯著增大，并呈現(xiàn)加速增大的趨勢(shì)。

圖7　聲屏障最大風(fēng)壓值同屏障距離的關(guān)系

圖8　聲屏障最大風(fēng)壓值同列車速度的關(guān)系

(3)聲屏障高度的差異：沿著聲屏障的高度方向，高速列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的風(fēng)壓值分布有顯著的差異，呈現(xiàn)聲屏障底部風(fēng)壓大、頂部風(fēng)壓小的規(guī)律。列車以380 km·h-1速度通行，聲屏障距離線路中心線3.8 m時(shí)，不同長(zhǎng)度位置處沿聲屏障高度方向的最大風(fēng)壓值分布如圖9。從圖中可見，聲屏障底部的風(fēng)壓值最大，沿高度向上至聲屏障一半高度處緩慢減小，并在一半高度處至頂部附近減小至底部風(fēng)荷載的1/2左右，而在頂部大約0.3 m高度范圍內(nèi)變化不大。

(4)沿線路縱向的差異：列車通行聲屏障區(qū)域時(shí)，沿聲屏障縱向的最大風(fēng)壓值分布略有差異。聲屏障距離線路中心線3.8 m、車速380 km·h-1時(shí)，最大正壓力值沿縱向分布見圖10。從圖中可見，聲屏障頂部、中部及底部的脈動(dòng)風(fēng)荷載沿縱向分布均呈現(xiàn)出聲屏障開始處相對(duì)較小，沿著列車前進(jìn)方向0～50 m范圍內(nèi)增至最大，后稍減小并在100～400 m范圍內(nèi)保持平穩(wěn)的特點(diǎn)。

圖9　380 km·h-1時(shí)最大風(fēng)壓值沿高度分布

圖10　380 km·h-1時(shí)最大風(fēng)壓值沿線路方向分布

3.3　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是獲取風(fēng)荷載壓力值及規(guī)律等最直接的方法，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試通常是在線路聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段或運(yùn)營(yíng)階段，通過固定于聲屏障內(nèi)側(cè)表面的空氣壓力傳感器配合動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析儀來測(cè)試高速列車以不同速度通行時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓結(jié)果。至目前，國(guó)內(nèi)外已有多條線路的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)列車脈動(dòng)風(fēng)荷載資料，部分線路最大風(fēng)壓的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真分析計(jì)算結(jié)果的對(duì)比見圖11。德國(guó)在紐綸堡—英戈斯塔特線路上，列車以330 km·h-1通過全高3.9 m距離線路中心4.0 m聲屏障時(shí)實(shí)測(cè)最大風(fēng)壓為673 Pa[7]。京津城際鐵路實(shí)測(cè)2種高度聲屏障，聲屏障距離線路中心均為4.2 m，320 km·h-1速度下軌道頂面以上高2.2 m聲屏障的最大風(fēng)壓為300 Pa，330 km·h-1速度下軌道頂面以上高3.2 m聲屏障的最大風(fēng)壓為700 Pa[13]。對(duì)照?qǐng)D11中理論計(jì)算結(jié)果曲線中屏軌距4.0 m時(shí)，300和350 km·h-1速度下578.6和795.5 Pa的結(jié)果，相符良好。津秦客運(yùn)專線聲屏障內(nèi)緣距線路軌道中心3.4 m，聲屏障由鋁合金單元板和鋼立柱聯(lián)接組成，實(shí)際高度為2.2 m，軌面以上約2.1 m。津秦客運(yùn)聲屏障實(shí)測(cè)風(fēng)壓結(jié)果[14]明顯小于理論計(jì)算值，速度越高差異越大，主要原因是實(shí)際聲屏障高度為2.2 m，而理論計(jì)算的聲屏障均為軌道頂面以上3.2 m。中鐵三院朱正清等人[15]在某鐵路特大橋的聲屏障試驗(yàn)段進(jìn)行了實(shí)測(cè)，插板式聲屏障由鋁合金單元板和H型鋼立柱裝配而成，聲屏障高度3.2 m，距離線路軌道中心3.3 m，以CRH2型動(dòng)車組為試驗(yàn)車輛，試驗(yàn)列車以260～350 km·h-1通行時(shí)實(shí)測(cè)風(fēng)壓結(jié)果同理論計(jì)算結(jié)果非常相符。

圖11　聲屏障最大風(fēng)壓理論值與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

仿真分析結(jié)果與實(shí)測(cè)資料的對(duì)比表明，列車脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程曲線形式基本一致；沿著聲屏障高度方向同樣呈現(xiàn)底部大、越往上越小的分布規(guī)律；軌頂面以上2.2 m高聲屏障的風(fēng)壓明顯小于軌頂面以上3.2 m高聲屏障；相同車速及軌道中心至聲屏障距離下的仿真分析最大風(fēng)壓值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果總體相符良好，小部分計(jì)算值稍大于實(shí)測(cè)風(fēng)壓值，主要原因是仿真分析計(jì)算中將聲屏障及列車均模擬為光滑表面而忽略了實(shí)際聲屏障與列車表面的風(fēng)阻等作用，但計(jì)算風(fēng)壓值是偏于安全的。

4　高速列車脈動(dòng)風(fēng)荷載譜特性

高速列車脈動(dòng)風(fēng)荷載是一種特殊的動(dòng)態(tài)風(fēng)壓荷載，在目前的聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，按照最大風(fēng)壓值進(jìn)行靜力的常規(guī)設(shè)計(jì)，并同時(shí)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)等動(dòng)力計(jì)算設(shè)計(jì)。因此，在列車脈動(dòng)風(fēng)荷載特性研究中，通常從最大風(fēng)壓值及振動(dòng)特性兩方面進(jìn)行分析。

4.1　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載最大風(fēng)壓值

在300～400 km·h-1高速列車脈動(dòng)風(fēng)壓力仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析不同速度、不同線路中心距下列車脈動(dòng)風(fēng)壓的最大、最小值，考慮風(fēng)載系數(shù)影響等，并與現(xiàn)有350 km·h-1及以下列車脈動(dòng)風(fēng)壓規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比分析。在此基礎(chǔ)上，采用擬合、風(fēng)壓值局部調(diào)整的方法，擬合出380～400 km·h-1列車最大風(fēng)壓值，如圖12及表2。

圖12　380～400 km·h-1列車脈動(dòng)風(fēng)壓曲線

由高速列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的仿真分析結(jié)果可見，380～400 km·h-1列車仿真風(fēng)壓結(jié)果隨聲屏障至線路中心線距離減小而加速增大，呈現(xiàn)雙曲線形的變化規(guī)律，與現(xiàn)有規(guī)范是一致的。對(duì)于最大脈動(dòng)風(fēng)壓值，380～400 km·h-1列車仿真風(fēng)壓結(jié)果在聲屏障至線路中心線距離3.5 m以內(nèi)，風(fēng)壓值與現(xiàn)有規(guī)范250～350 km·h-1的發(fā)展趨勢(shì)值相符良好。由于CR400BF車輛寬度及高度的增加，因而400 km·h-1速度下列車風(fēng)壓值增加得更快。當(dāng)聲屏障至線路中心線距離大于3.5 m時(shí)，仿真風(fēng)壓結(jié)果稍大于現(xiàn)有規(guī)范250～350 km·h-1的發(fā)展趨勢(shì)值，原因主要在于，仿真分析模擬中忽略了聲屏障粗糙表面、列車門窗等凹凸、軌道及兩側(cè)地表等實(shí)際存在的風(fēng)阻作用，進(jìn)而導(dǎo)致仿真計(jì)算值略偏大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)風(fēng)壓值，但其應(yīng)用于聲屏障設(shè)計(jì)計(jì)算是偏于安全的。

表2　高速鐵路聲屏障脈動(dòng)風(fēng)壓建議值

4.2　列車脈動(dòng)風(fēng)荷載振動(dòng)頻譜特性

仿真分析結(jié)果及實(shí)測(cè)資料均表明，高速運(yùn)行列車引起的風(fēng)荷載具有強(qiáng)烈的脈動(dòng)特性，即一節(jié)車廂通過完成一次近似正弦波的脈沖。當(dāng)聲屏障的固有頻率值接近高速列車通行的脈動(dòng)頻率時(shí)，聲屏障結(jié)構(gòu)易于發(fā)生共振，并進(jìn)一步導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)的疲勞破壞。因此，明確高速列車脈動(dòng)風(fēng)壓的振動(dòng)特性有助于聲屏障結(jié)構(gòu)的動(dòng)力設(shè)計(jì)。高速列車脈動(dòng)風(fēng)壓頻率是一種廣義激振頻率，主要與列車的行車速度及一節(jié)列車車體的長(zhǎng)度有關(guān)。高速列車脈動(dòng)風(fēng)壓的廣義振動(dòng)頻率的表達(dá)公式如式(8)。

f=aV/L

(8)

式中：f為廣義振動(dòng)頻率；V為列車的速度；L為一節(jié)車廂的長(zhǎng)度，由于列車頭車的影響最大，因此L可取列車頭車的長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算，V/L即為高速列車通行的廣義激振頻率；a為修正系數(shù)，考慮因列車車廂長(zhǎng)度變化、空氣阻尼等因素導(dǎo)致的廣義振動(dòng)頻率變化，為簡(jiǎn)化，取低值0.9及高值1.1，以保證能夠涵蓋列車脈動(dòng)力廣義頻率的范圍。

按照公式(8)，計(jì)算200～400 km·h-1之間不同速度條件下列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載頻率特性結(jié)構(gòu)見表3，其中車體長(zhǎng)度L按照頭車長(zhǎng)度25.5 m計(jì)算。

從表3可見，200～400 km·h-1高速列車產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)荷載的廣義振動(dòng)頻率基本介于1.96～4.79 Hz之間，當(dāng)聲屏障整體結(jié)構(gòu)及組成構(gòu)件的固有頻率遠(yuǎn)離該頻譜范圍時(shí)，則能夠有效避免共振。在聲屏障的長(zhǎng)期使用過程中，還應(yīng)特別注意防止因連接螺栓松動(dòng)、構(gòu)件連接破壞等導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)固有頻率退降而進(jìn)入共振頻域。

表3　不同速度列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的廣義振動(dòng)頻率

在現(xiàn)行的《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》中，已經(jīng)明確要求對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析。在動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析中，能夠有效考慮列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的動(dòng)力特性，在時(shí)程響應(yīng)分析結(jié)果中得到聲屏障結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力與變形隨列車通過聲屏障區(qū)域的整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)全過程，在其基礎(chǔ)上直接分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的最不利位移與受力結(jié)果，并可以直觀判斷聲屏障結(jié)構(gòu)振動(dòng)效應(yīng)，還能獲取構(gòu)件疲勞受力特征參數(shù)如疲勞應(yīng)力幅度等。為保證聲屏障動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的精確性，應(yīng)建立以板殼單元為主的細(xì)化有限元模型，其中立柱等構(gòu)件可用梁?jiǎn)卧M，聲屏障整體模型在線路縱向上應(yīng)不小于4倍單節(jié)車廂的長(zhǎng)度。列車脈動(dòng)風(fēng)荷載加載中，模擬脈動(dòng)風(fēng)荷載移動(dòng)的荷載步不宜過大，荷載子步對(duì)應(yīng)的加載時(shí)間步長(zhǎng)應(yīng)介于列車脈動(dòng)風(fēng)荷載廣義振動(dòng)周期的1/10～1/20，即1/10f～1/20f，以保證動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)分析的精度。

5　結(jié)　論

針對(duì)350～400 km·h-1高速列車作用于聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載特性，采用三維流程數(shù)值仿真的方法系統(tǒng)分析脈動(dòng)風(fēng)壓荷載及參數(shù)的影響規(guī)律，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，得到如下結(jié)論：

(1)聲屏障承受的最大脈動(dòng)風(fēng)荷載值與聲屏障至線路中心距離呈現(xiàn)近雙曲線性反比關(guān)系；聲屏障最大脈動(dòng)風(fēng)荷載值隨列車速度的增加呈現(xiàn)加速增大的趨勢(shì)；沿著聲屏障的高度方向，脈動(dòng)風(fēng)荷載值呈現(xiàn)底部大、頂部小的規(guī)律；沿線路縱向，脈動(dòng)風(fēng)荷載值在聲屏障開始處稍小，沿著列車前進(jìn)方向50 m處很快增大并平穩(wěn)至末端。

(2)列車脈動(dòng)風(fēng)荷載仿真分析結(jié)果與既有國(guó)內(nèi)外實(shí)測(cè)資料對(duì)比分析表明，列車脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程曲線形式基本一致，最大風(fēng)壓隨車速增大而增大，在聲屏障高度方向呈現(xiàn)相同的規(guī)律。除部分仿真分析風(fēng)壓值因忽略聲屏障及列車表面不平整導(dǎo)致的風(fēng)阻作用而略大于實(shí)測(cè)結(jié)果外，仿真分析最不利風(fēng)壓值同實(shí)測(cè)結(jié)果相符良好。

(3)在列車脈動(dòng)風(fēng)荷載仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮風(fēng)載系數(shù)等影響，并與現(xiàn)有350 km·h-1及以下列車脈動(dòng)風(fēng)壓規(guī)范值進(jìn)行對(duì)比分析，采用擬合、個(gè)別風(fēng)壓值局部調(diào)整的方法，擬合出380～400 km·h-1列車最大風(fēng)壓建議值。

(4)200～400 km·h-1高速列車脈動(dòng)風(fēng)荷載的廣義振動(dòng)頻率范圍為1.96～4.79 Hz，當(dāng)聲屏障等結(jié)構(gòu)的固有頻率遠(yuǎn)離該范圍時(shí)能夠有效避免結(jié)構(gòu)的共振。同時(shí)，列車脈動(dòng)風(fēng)荷載作用下瞬態(tài)動(dòng)力分析的荷載子步步長(zhǎng)介于1/10f～1/20f之間能保證動(dòng)力計(jì)算分析的精確性。

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