樸愛玲 尹皓 伍向陽 劉蘭華 陳迎慶

（1.中國鐵道科學(xué)研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

聲屏障可以降低高速鐵路噪聲，改善沿線聲環(huán)境質(zhì)量，是我國高速鐵路主要降噪措施[1]。列車高速通過聲屏障時(shí)，由于列車周圍空氣產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動，線路兩側(cè)聲屏障構(gòu)件表面會產(chǎn)生動力脈沖波。長期氣動交變荷載作用對聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響很大，可能引起疲勞損壞，影響其使用年限和行車安全[2]。因此，開展運(yùn)營期聲屏障動力響應(yīng)變化分析對聲屏障設(shè)計(jì)和安全評估具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對聲屏障應(yīng)用及結(jié)構(gòu)安全開展了大量研究。文獻(xiàn)[3]給出了德國紐倫堡—英戈斯塔特高速鐵路上的聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試分析，結(jié)果表明聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)主要用風(fēng)壓、位移、固有頻率等來表征；最大壓力和吸力出現(xiàn)在列車車頭經(jīng)過測點(diǎn)時(shí)，H型鋼立柱和單元板的位移、最大動變形均隨速度的增加而增大。文獻(xiàn)[4]通過數(shù)值模擬得到了聲屏障氣動力沿列車運(yùn)行方向和高度方向的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]基于有限體積法建立了列車通過設(shè)置聲屏障橋梁時(shí)的空氣動力學(xué)模型，應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)和大渦模擬法得出了不同列車通過橋梁時(shí)聲屏障脈動壓力極值、脈動壓力時(shí)程曲線等。文獻(xiàn)[6]通過現(xiàn)場試驗(yàn)得出了我國高速鐵路聲屏障的應(yīng)用現(xiàn)狀及降噪效果。

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司結(jié)合京津城際、京滬等高速鐵路進(jìn)行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗(yàn)，對金屬插板式、混凝土整體式聲屏障的結(jié)構(gòu)氣動力進(jìn)行了測試研究，明確了在不同工況、線路條件、距離下，不同車型以不同速度通過不同類型聲屏障的結(jié)構(gòu)氣動力響應(yīng)，提出了我國高速鐵路氣動效應(yīng)的監(jiān)測及評價(jià)方法[7-8]。

聲屏障使用一段時(shí)間后，結(jié)構(gòu)部件可能出現(xiàn)疲勞，承載能力發(fā)生改變，而高速鐵路運(yùn)營期聲屏障動力響應(yīng)的相關(guān)研究未見報(bào)道。為掌握運(yùn)營期聲屏障動力響應(yīng)的變化規(guī)律，本文在一高速鐵路進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，并與運(yùn)營初期開展對比分析。

1 現(xiàn)場測試

影響聲屏障結(jié)構(gòu)氣動力的主要因素包括聲屏障的截面形狀、與軌道中心線的距離及列車的運(yùn)行速度、外形、長度等。聲屏障結(jié)構(gòu)氣動力主要評價(jià)指標(biāo)包括風(fēng)壓、位移、動應(yīng)力等。

在一條已運(yùn)營近10年的高速鐵路上行線中選取一處橋梁金屬插板式聲屏障進(jìn)行動力響應(yīng)測試。聲屏障立柱高LH=2 190 mm，單元板寬LA=1 960 mm；試驗(yàn)列車與運(yùn)營初期保持一致，均為CRH380AL動車組。對比分析動車組以時(shí)速300 km通過時(shí)聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)變化。

聲屏障動力響應(yīng)測試系統(tǒng)主要由傳感器、IMC集成測控?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS、無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)、無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)等組成。各傳感器將測得的信息經(jīng)IMC集成測控?cái)?shù)采系統(tǒng)放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后記錄在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行處理；GPS用于確定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間；無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制；無線遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸。測試內(nèi)容及測點(diǎn)位置（圖1）為：

1）氣動風(fēng)壓。利用脈動風(fēng)壓傳感器測試聲屏障內(nèi)外側(cè)風(fēng)壓差，測量脈動風(fēng)壓值。測點(diǎn)位于立柱根部高出軌面1.0 m的位置。

2）位移。利用加速度或速度傳感器和放大器，測得加速度或速度信號，通過二次或一次積分得到位移信號。測點(diǎn)位于立柱頂部、單元板中部。

3）動應(yīng)力。利用應(yīng)變片測量測點(diǎn)處的應(yīng)變，再通過材料的彈性系數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算得到結(jié)構(gòu)動應(yīng)力。測點(diǎn)位于立柱加強(qiáng)肋上部、單元板中部。

圖1 測點(diǎn)布置示意

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 運(yùn)營期現(xiàn)狀試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

動車組以300 km/h通過時(shí)，對聲屏障氣動風(fēng)壓、單元板及立柱的位移、動應(yīng)力進(jìn)行測試。共得出3組數(shù)據(jù)，選取各指標(biāo)最值作為其試驗(yàn)結(jié)果。動車組通過時(shí)聲屏障結(jié)構(gòu)氣動效應(yīng)隨時(shí)間的變化曲線見圖2。

圖2 聲屏障結(jié)構(gòu)氣動效應(yīng)隨時(shí)間的變化曲線

由圖2（a）可知：①動車組車頭通過測點(diǎn)時(shí)，風(fēng)壓信號先正后負(fù)，說明其先對聲屏障形成垂直軌道向外的脈沖壓力，再形成垂直軌道向內(nèi)的脈沖吸力。②車尾通過時(shí)，風(fēng)壓信號先負(fù)后正，說明其先對聲屏障形成垂直軌道向內(nèi)的脈沖吸力，再形成垂直軌道向外的脈沖壓力。③中間車廂通過時(shí)產(chǎn)生的脈動壓力相對不明顯?？傮w上，動車組以300 km/h通過時(shí)聲屏障結(jié)構(gòu)表面所承受氣動荷載顯著。

由圖2（b）可知：①單元板、立柱的位移時(shí)程曲線與風(fēng)壓激勵(lì)變化規(guī)律一致，車頭通過時(shí)位移信號先正后負(fù)，車尾通過時(shí)位移信號先負(fù)后正。②列車風(fēng)壓對聲屏障不同位置的變形影響程度不同，同一列車通過時(shí)單元板位移大于立柱位移。

由圖2（c）可知：①車頭通過時(shí)立柱應(yīng)力（應(yīng)變）信號先正后負(fù)，單元板應(yīng)力（應(yīng)變）信號先負(fù)后正。這是由于車頭通過時(shí)聲屏障先受到垂直軌道向外的壓力，再受垂直軌道向內(nèi)的拉力。立柱由于底部受到約束，應(yīng)變片先拉伸后壓縮，信號先正后負(fù)；單元板兩端由于受立柱約束，受到垂直軌道向外的壓力時(shí)應(yīng)變片先壓縮后拉伸，信號先負(fù)后正。②車尾通過時(shí)，與車頭通過情況相反，立柱應(yīng)力（應(yīng)變）信號先負(fù)后正，單元板應(yīng)力（應(yīng)變）信號先正后負(fù)。這是因?yàn)檐囄餐ㄟ^時(shí)聲屏障先受垂直軌道向內(nèi)的拉力，后受垂直軌道向外的壓力。③列車風(fēng)壓對聲屏障不同位置的變形影響程度不同，無論車頭還是車尾通過，立柱的應(yīng)力均大于單元板應(yīng)力。這是由于聲屏障立柱所受的約束強(qiáng)，與基礎(chǔ)連接強(qiáng)度高，而聲屏障單元板所受約束較弱，所受應(yīng)力小于立柱應(yīng)力。

根據(jù)鐵總建設(shè)〔2016〕57號《時(shí)速250公里、350公里高速鐵路橋梁插板式金屬聲屏障安裝圖》，列車氣動風(fēng)壓不得超過0.9 kPa，聲屏障單元板位移不得超過LA/100，立柱位移不得超過LH/200。根據(jù)測試結(jié)果，各指標(biāo)均低于限值。

2.2 與運(yùn)營初期測試數(shù)據(jù)對比分析

在正式開通運(yùn)營前的綜合試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，在線路上的同一位置進(jìn)行了橋梁金屬聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試。由于測試完成后很快就進(jìn)入運(yùn)營初期階段，故選取該測試數(shù)據(jù)作為運(yùn)營初期測試數(shù)據(jù)。

CRH380AL動車組以300 km/h通過測點(diǎn)工況下，與運(yùn)營初期相比，聲屏障最大風(fēng)壓未出現(xiàn)明顯變化，僅減小了0.83%；單元板、立柱最大位移均有所增加，分別增加了173.13%，13.51%，單元板位移變化顯著；單元板、立柱最大動應(yīng)力均有所減小，分別減小了27.00%，30.75%。可見，經(jīng)過長期運(yùn)營后，在氣動風(fēng)壓荷載基本一致的條件下，單元板和立柱最大位移增大而應(yīng)力減小，聲屏障受力部件及約束部件承載能力均出現(xiàn)一定程度的下降。

3 結(jié)論及建議

1）動車組以300 km/h通過時(shí)，聲屏障結(jié)構(gòu)表面所承受氣動荷載顯著。

2）車頭通過時(shí)，單元板、立柱位移信號先正后負(fù)，立柱應(yīng)力（應(yīng)變）信號先正后負(fù)，單元板應(yīng)力（應(yīng)變）信號先負(fù)后正。車尾通過時(shí)情況相反。

3）列車風(fēng)壓對聲屏障不同位置的變形和應(yīng)力的影響程度不同。同一列車通過時(shí)單元板位移大于立柱位移，立柱的應(yīng)力大于單元板應(yīng)力。

4）高速鐵路運(yùn)營10年后，聲屏障結(jié)構(gòu)各項(xiàng)動力性能指標(biāo)均發(fā)生變化但仍低于限值。單元板和立柱最大應(yīng)力下降而最大位移增大，表明聲屏障受力部件和約束部件可能出現(xiàn)承載能力下降及老化問題。

本次研究僅限于10年運(yùn)營期的對比，建議下一步開展更長期的聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)跟蹤測試研究，掌握聲屏障全壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)動力性能變化情況。在后續(xù)聲屏障設(shè)計(jì)中，應(yīng)更關(guān)注運(yùn)營期聲屏障疲勞劣化所帶來的影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。