呂 明，李 強(qiáng)，寧 智，季 釗，孫春華

(北京交通大學(xué) 機(jī)械與電子控制工程學(xué)院，北京 100044)

隨著人們對出行、運(yùn)輸?shù)刃枨蟮脑黾?，近年來高速鐵路的修建在全世界均得到了較大的支持。目前，對速度為400 km/h的高速鐵路研究已在我國各研究機(jī)構(gòu)開展[1]。高速鐵路的發(fā)展在給人們帶來便利的同時，也會帶來一些負(fù)面效應(yīng)，其中，高速列車運(yùn)行時受到的氣動力所引起的環(huán)境噪聲就是人們十分關(guān)心的問題。已有研究指出[2]，處于輕度交通噪聲環(huán)境的城市占我國大城市的49%，受到中度交通噪聲污染的城市占我國大城市的17%。

對于高速鐵路而言，比較有效降低氣動噪聲污染的措施是在鐵路兩旁有居民的區(qū)域設(shè)置聲屏障。但是，隨著高速列車速度的不斷提高，鐵路兩旁聲屏障所受到的氣動載荷越來越大[3-10]，這必然導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)的可靠性及安全性降低，嚴(yán)重時甚至?xí)?dǎo)致鐵路安全事故。關(guān)于此類安全事故的案例并不少見，如2003年發(fā)生在德國科隆—法蘭克福鐵路段的鐵路事故[11]，該事故是由于聲屏障在列車氣動載荷的作用下產(chǎn)生共振導(dǎo)致的，據(jù)報道，該鐵路段的重建費(fèi)用高達(dá)數(shù)千萬歐元。所以，聲屏障結(jié)構(gòu)具有良好的氣動載荷特性(動力學(xué)性能)是保障其可靠安全工作的前提。

減載式聲屏障屬于一種新型聲屏障，可在保證良好吸聲降噪效果的前提下，具有優(yōu)異的減載性能?；诖?，部分研究者開始對減載式聲屏障開展深入探索。

Sato等[12]提出了一種可開閉的減載式聲屏障，聲屏障由轉(zhuǎn)軸、隔聲板、磁鐵框架三部分組成。當(dāng)聲屏障受到的氣動載荷大于1.5 kPa時，隔聲板會脫離磁鐵框架并沿著轉(zhuǎn)軸打開，否則隔聲板將閉合。這種新型聲屏障的減載效果可達(dá)50%。另外，Watanabe等[13]、Homma等[14]也設(shè)計了一種類似的減載式聲屏障，當(dāng)氣動載荷大于預(yù)設(shè)的電磁力時，聲屏障為了防止自身受載過大將通過轉(zhuǎn)軸搖擺，達(dá)到減載目的。

我國相關(guān)科研機(jī)構(gòu)也采用數(shù)值仿真和風(fēng)洞試驗(yàn)的方法設(shè)計了一種新型減載式聲屏障，其結(jié)構(gòu)由多排倒V字型的多孔金屬單元板組成[15-16]，對其氣動載荷特性進(jìn)行實(shí)車試驗(yàn)研究是提高該減載式聲屏障結(jié)構(gòu)安全性和可靠性的前提，具有一定的理論和工程應(yīng)用價值。基于此，就高速列車經(jīng)過該減載式聲屏障時產(chǎn)生的氣動載荷特性開展現(xiàn)場試驗(yàn)研究。

本文以大同—西安高速鐵路機(jī)務(wù)段為平臺，開展減載式聲屏障氣動載荷特性的現(xiàn)場測試，分別從列車以不同車速經(jīng)過聲屏障時(車速影響)、列車按上行線和下行線經(jīng)過聲屏障時(上下行影響)以及不同車型的列車經(jīng)過聲屏障時(車型影響)三個方面，對橋梁段和路基段減載式聲屏障的氣動載荷特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。本文得到的研究結(jié)論將為提高減載式聲屏障的結(jié)構(gòu)可靠性及安全性提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)概況

1.1 測試對象及目的

現(xiàn)場測試區(qū)間為：大西高速鐵路試驗(yàn)測試段——原平西至陽曲西。

測試對象為倒V字型的多孔金屬聲屏障(單元板之間有一定間隔)，聲屏障高度分為2.15 m和3.95 m兩種，現(xiàn)場實(shí)物見圖1。橋梁段安裝的聲屏障高度為2.15 m，路基段安裝的聲屏障高度為3.95 m。聲屏障長度及安裝位置見表1。

圖1 聲屏障現(xiàn)場照片

試驗(yàn)段聲屏障位置聲屏障長度/m橋梁DK229+071—271200路基DK201+900—DK202+350450

本試驗(yàn)?zāi)康氖堑玫搅熊囈圆煌囁俳?jīng)過聲屏障時、列車按上行線和下行線經(jīng)過聲屏障時以及不同車型的列車(CRH380A型和CRH380AM型動車組，兩種動車組列車頭部的流線構(gòu)型不同，見圖2)經(jīng)過聲屏障時，橋梁段和路基段減載式聲屏障的氣動載荷特性。

圖2 動車組

1.2 測試設(shè)備

本次現(xiàn)場測試用到的主要設(shè)備見表2，包括中航電測公司的應(yīng)變片(8片)、德國IMC公司CL5016型數(shù)采儀(2臺)，以及計算機(jī)終端。

表2 現(xiàn)場測試所需設(shè)備

1.3 測試內(nèi)容

安裝應(yīng)變片的測點(diǎn)位置見表3，測點(diǎn)在聲屏障的布置位置見圖3。

鑒于本文研究減載式聲屏障的氣動載荷特性，所以將應(yīng)變片安裝在聲屏障立柱的底部，該位置處應(yīng)力反映的是整個減載式聲屏障受到的氣動載荷大小。

測試路段分為路基和橋梁兩段，兩種試驗(yàn)車輛的車速維持在175～385 km/h。其中，路基段的車速維持在190～385 km/h；由于橋梁段有轉(zhuǎn)彎，所以橋梁段的車速維持在175～325 km/h。

表3 應(yīng)變片的安裝位置

圖3 測點(diǎn)布置位置

2 橋梁段減載式聲屏障氣動載荷特性分析

分別對2.15、3.95 m兩種高度減載式聲屏障的氣動載荷特性進(jìn)行研究。首先從列車以不同車速經(jīng)過聲屏障時、列車按上行線和下行線經(jīng)過聲屏障時以及不同車型的列車經(jīng)過聲屏障時三個方面對橋梁段減載式聲屏障的氣動載荷特性進(jìn)行分析。

2.1 速度特性

聲屏障的速度特性是指當(dāng)經(jīng)過聲屏障的列車車型不變時，性能指標(biāo)隨車速而變化的關(guān)系，性能指標(biāo)指應(yīng)力、壓力、位移等，本文中主要指應(yīng)力。CRH380A型動車組以不同車速經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時，H鋼立柱底部的應(yīng)力時程曲線見圖4。

如圖4所示，不同車速下立柱底部的應(yīng)力時程曲線均呈現(xiàn)出明顯的“頭波”+“尾波”特征，且變化規(guī)律基本一致。隨著車速的增加，頭波及尾波的應(yīng)力峰谷值之差均逐漸增大，說明作用于整個聲屏障的氣動載荷增加；且頭波到尾波的時間縮短，說明聲屏障所受氣動載荷的強(qiáng)度增大。

為了更清晰地看出不同列車速度經(jīng)過橋梁段時減載式聲屏障立柱根部應(yīng)力幅值的變化情況，橋梁段減載式聲屏障立柱根部應(yīng)力頭波幅值隨車速的變化見圖5。

圖4 橋梁段減載式聲屏障速度特性曲線

圖5 橋梁段減載式聲屏障立柱根部應(yīng)力幅值隨車速的變化

如圖5所示，在不同車速下正應(yīng)力幅值均大于負(fù)應(yīng)力幅值，說明聲屏障受到的沖擊力比吸力要大，且正應(yīng)力幅值基本是負(fù)應(yīng)力幅值的兩倍。隨著車速增加，正負(fù)應(yīng)力幅值的變化規(guī)律基本保持一致，即幅值隨車速的增加而增大。

2.2 上下行特性

本文中聲屏障的上下行特性是指當(dāng)經(jīng)過聲屏障的列車車型及車速均不變時，聲屏障應(yīng)力因列車分別從上行線和下行線經(jīng)過而引起的變化。CRH380A型動車組以320 km/h的速度分別從上行線和下行線經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時，H鋼立柱底部的應(yīng)力時程曲線見圖6。

如圖6所示，列車從上行線經(jīng)過聲屏障時H鋼立柱底部的應(yīng)力峰谷值之差(含頭波和尾波)均遠(yuǎn)大于列車從下行線經(jīng)過聲屏障時的應(yīng)力峰谷值之差；說明在相同的車速下，列車距離聲屏障越遠(yuǎn)，其對聲屏障產(chǎn)生的沖擊力和吸力越小，聲屏障受到的氣動載荷越小。

圖6 橋梁段減載式聲屏障上下行特性曲線

應(yīng)力峰谷值之差能較準(zhǔn)確反映氣動載荷的大小。為了研究不同車速下，列車分別從上行線和下行線經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時，聲屏障所受氣動載荷的變化情況，列車分別從上行線和下行線經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障，應(yīng)力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖7。

如圖7所示，列車從上行線經(jīng)過聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差隨車速的增加而增大的趨勢相對明顯，而列車從下行線經(jīng)過聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差受車速的影響很小，基本維持不變；說明列車距離聲屏障越近，聲屏障受到的氣動載荷對車速的影響越敏感，且車速越高，列車從上行線經(jīng)過時聲屏障應(yīng)力峰谷值之差與列車從下行線經(jīng)過時聲屏障應(yīng)力峰谷值之差的差值越大。另外，在相同的車速下，列車從上行線經(jīng)過聲屏障時使立柱產(chǎn)生的應(yīng)力峰谷值之差均遠(yuǎn)大于列車從下行線經(jīng)過聲屏障時的應(yīng)力峰谷值之差。

圖7 列車上下行經(jīng)過橋梁段時應(yīng)力峰谷值之差隨車速變化

2.3 車型特性

本文中聲屏障的車型特性是指當(dāng)經(jīng)過聲屏障的車速不變時，性能指標(biāo)隨車型而變化的關(guān)系。CRH380A型和CRH380AM型動車組以320 km/h的速度分別經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時，H鋼立柱底部的應(yīng)力時程曲線見圖8。

如圖8所示，在相同速度下CRH380A型動車組經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時H鋼立柱底部的應(yīng)力幅值要大于CRH380AM型動車組經(jīng)過時H鋼立柱底部的應(yīng)力幅值(頭波和尾波均如此)，說明CRH380A型動車組作用于聲屏障上的氣動載荷高于CRH380AM型動車組的作用，這主要是由于CRH380AM型動車組車頭和車尾的流型設(shè)計更優(yōu)，使車頭受到的阻力及車尾受到的升力更小所致。

圖8 橋梁段減載式聲屏障車型特性曲線

為了研究不同車速下車型對聲屏障所受氣動載荷的影響， CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時，應(yīng)力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖9。

圖9 不同速度下車型對橋梁段減載式聲屏障的影響

如圖9所示，隨著車速的增加，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經(jīng)過橋梁段減載式聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差的變化基本一致，均為逐漸提高，說明車型對聲屏障的氣動載荷作用受車速的影響不大。

3 路基段減載式聲屏障氣動載荷特性分析

以上主要對橋梁段減載式聲屏障(2.15 m)的氣動載荷特性進(jìn)行了研究，下面仍然從列車以不同車速經(jīng)過聲屏障時、列車按上行線和下行線經(jīng)過聲屏障時以及不同車型的列車經(jīng)過聲屏障時三個方面對路基段減載式聲屏障(3.95 m)的氣動載荷特性進(jìn)行分析。

3.1 速度特性

為了研究路基段減載式聲屏障的速度特性，同時方便與橋梁段減載式聲屏障的速度特性進(jìn)行對比，CRH380A型動車組以不同車速經(jīng)過路基段減載式聲屏障，H鋼立柱底部的應(yīng)力時程曲線見圖10。

如圖10所示，隨著列車經(jīng)過路基段時車速的增加，頭波及尾波應(yīng)力峰谷值之差均逐漸增大，說明作用于整個聲屏障的氣動載荷增加；且隨著車速的增加，頭波到尾波的時間縮短，說明聲屏障所受氣動載荷的強(qiáng)度增大，這與列車經(jīng)過橋梁段時的規(guī)律基本一致。

對比圖10和圖4可知，列車經(jīng)過路基段時聲屏障的應(yīng)力幅值更大，即使在同一列車行駛速度下，這一結(jié)論仍然成立，其原因是路基段減載式聲屏障的高度更高。

圖10 路基段減載式聲屏障速度特性曲線

路基段減載式聲屏障立柱根部應(yīng)力頭波幅值隨車速的變化見圖11。

“綜合與實(shí)踐”是《義務(wù)教育數(shù)學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)》(以下簡稱《課標(biāo)》)中非常重要的知識領(lǐng)域，凸顯學(xué)生綜合運(yùn)用數(shù)學(xué)知識及思想方法解決實(shí)際問題的特點(diǎn)，有助于學(xué)生數(shù)學(xué)活動經(jīng)驗(yàn)的積累與數(shù)學(xué)應(yīng)用意識、問題解決能力等的培養(yǎng).正如《課標(biāo)》中指出的：“綜合與實(shí)踐旨在培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用有關(guān)的知識與方法解決實(shí)際問題，培養(yǎng)學(xué)生的問題意識、應(yīng)用意識和創(chuàng)新意識，積累學(xué)生的活動經(jīng)驗(yàn)，提高學(xué)生解決現(xiàn)實(shí)問題的能力.” [1]

如圖11所示，列車經(jīng)過路基段時，在不同車速下正應(yīng)力幅值均大于負(fù)應(yīng)力幅值，說明聲屏障受到的沖擊力比吸力要大，這與列車經(jīng)過橋梁段時的規(guī)律基本一致。由圖11可知，隨著車速增加，正應(yīng)力幅值的增大幅度遠(yuǎn)小于負(fù)應(yīng)力幅值的增大幅度，這與列車經(jīng)過橋梁段時的規(guī)律存在較大不同。

圖11 路基段減載式聲屏障立柱根部應(yīng)力幅值隨車速的變化

3.2 上下行特性

為了研究路基段減載式聲屏障的上下行特性，同時方便與橋梁段減載式聲屏障的上下行特性進(jìn)行對比， CRH380A型動車組以320 km/h的速度分別從上行線和下行線經(jīng)過路基段減載式聲屏障，H鋼立柱底部的應(yīng)力時程曲線見圖12。

圖12 路基橋梁段減載式聲屏障上下行特性曲線

如圖12所示，列車從上行線經(jīng)過路基段減載式聲屏障時應(yīng)力幅值大于列車從下行線經(jīng)過聲屏障時的應(yīng)力幅值；說明在相同的車速下，列車距離聲屏障越遠(yuǎn)，其對聲屏障產(chǎn)生的沖擊力和吸力越小，聲屏障受到的氣動載荷越小，這與列車經(jīng)過橋梁段時的規(guī)律一致。

另外，對比圖12和圖6可知，路基段列車從下行線經(jīng)過聲屏障時的應(yīng)力幅值與列車從上行線經(jīng)過時的應(yīng)力幅值相比下降的幅度小于列車經(jīng)過橋梁段時應(yīng)力幅值的下降幅度，說明減載式聲屏障的上下行特性與聲屏障高度相關(guān)，且聲屏障越低，與列車從上行線經(jīng)過時相比，列車從下行線經(jīng)過聲屏障時應(yīng)力幅值的下降幅度越明顯。

為了研究不同車速下，列車分別從上行線和下行線經(jīng)過路基段減載式聲屏障時，聲屏障所受氣動載荷的變化情況，列車分別從上行線和下行線經(jīng)過路基段減載式聲屏障，應(yīng)力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖13。

圖13 列車上下行經(jīng)過路基段時應(yīng)力峰谷值之差隨車速變化

如圖13所示，隨車速的增加，列車從上行線經(jīng)過聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差的增大趨勢與列車從下行線經(jīng)過聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差的增大趨勢基本一致，說明路基段減載式聲屏障受到的氣動載荷隨車速的變化關(guān)系與列車和聲屏障的距離關(guān)系較小，這與橋梁段減載式聲屏障的變化規(guī)律不一致。

3.3 車型特性

為了研究路基段減載式聲屏障的車型特性，同時方便與橋梁段減載式聲屏障的車型特性進(jìn)行對比， CRH380A型和CRH380AM型動車組以320 km/h的速度分別經(jīng)過路基段減載式聲屏障，H鋼立柱底部的應(yīng)力時程曲線見圖14。

如圖14所示，CRH380A型動車組經(jīng)過路基段時減載式聲屏障應(yīng)力幅值大于CRH380AM型動車組經(jīng)過時的應(yīng)力幅值，說明CRH380A型動車組作用于聲屏障上的氣動載荷高于CRH380AM型動車組的作用，這與橋梁段一致。

另外，對比圖14和圖8可知，在相同車速下CRH380A型動車組使聲屏障產(chǎn)生的應(yīng)力時程曲線中頭波到尾波的時間均要長于CRH380AM型動車組，再一次驗(yàn)證了CRH380A型動車組的長度更長。

圖14 路基段減載式聲屏障車型特性曲線

為了研究不同車速下車型對路基段減載式聲屏障所受氣動載荷的影響，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經(jīng)過路基段減載式聲屏障，應(yīng)力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖15。

如圖15所示，隨著車速的增加，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經(jīng)過路基段減載式聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這與橋梁段基本一致；但當(dāng)動車組車速較低時(低于320 km/h)，路基段減載式聲屏障應(yīng)力峰谷值之差隨車速增加而增大的趨勢較為緩慢。

圖15 不同速度下車型對路基段減載式聲屏障的影響

4 結(jié)論

(1)隨著列車經(jīng)過橋梁段時車速的增加，減載式聲屏障應(yīng)力頭波及尾波的應(yīng)力峰谷值之差均逐漸增大，且頭波到尾波的時間縮短，說明聲屏障所受氣動載荷的幅值及強(qiáng)度會隨車速增加而增大；在不同車速下聲屏障受到的沖擊力比吸力要大，且正應(yīng)力幅值基本是負(fù)應(yīng)力幅值的兩倍。

(2)在同一車速下，列車距離聲屏障越遠(yuǎn)，其對聲屏障產(chǎn)生的沖擊力和吸力越小，聲屏障受到的氣動載荷越?。涣熊嚲嚯x聲屏障越近，聲屏障受到的氣動載荷對車速的影響越敏感，且車速越高，列車分別從上行線與下行線經(jīng)過聲屏障時產(chǎn)生的應(yīng)力峰谷值之差的差值越大。

(3)在同一車速下，CRH380A型動車組作用于聲屏障上的氣動載荷高于CRH380AM型動車組的作用；CRH380A型動車組使聲屏障產(chǎn)生的應(yīng)力時程曲線中頭波到尾波的時間要長于CRH380AM型動車組；車型對聲屏障的氣動載荷作用受車速的影響不大。

(4)在同一車速下，列車經(jīng)過路基段時聲屏障的應(yīng)力幅值比橋梁段要大；隨著車速增加，正應(yīng)力幅值的增大幅度遠(yuǎn)小于負(fù)應(yīng)力幅值的增大幅度，這與列車經(jīng)過橋梁段時的規(guī)律存在較大不同。

(5)減載式聲屏障的上下行特性與聲屏障高度相關(guān)，且聲屏障越低，列車從下行線經(jīng)過聲屏障時應(yīng)力幅值的下降幅度越明顯；路基段減載式聲屏障受到的氣動載荷隨車速的變化關(guān)系與列車和聲屏障的距離關(guān)系較小，這與橋梁段減載式聲屏障的變化規(guī)律不一致。

(6)隨著車速的增加，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經(jīng)過路基段減載式聲屏障時應(yīng)力峰谷值之差均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這與橋梁段基本一致；但當(dāng)車速較低時(低于320 km/h)，路基段減載式聲屏障應(yīng)力峰谷值之差隨車速增加而增大的趨勢較為緩慢。