陳迎慶，柳潤(rùn)東，劉蘭華

（中國(guó)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）

0 引言

隨著高速鐵路快速發(fā)展，對(duì)鐵路沿線聲環(huán)境水平要求逐漸提高，除既有直立式聲屏障作為噪聲治理措施實(shí)施外，全封閉聲屏障作為一種新型聲屏障型式在深茂鐵路小鳥(niǎo)天堂區(qū)段、京哈高鐵北京朝陽(yáng)站—五環(huán)路段[1]、京雄城際鐵路霸州市北落店村段已實(shí)施建成。胥紅敏等[2]對(duì)高速列車(chē)在大風(fēng)作用下運(yùn)行的安全性已有所研究，同樣是受風(fēng)的影響，動(dòng)車(chē)組高速通過(guò)全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)，列車(chē)風(fēng)引起的聲屏障單元板及立柱振動(dòng)響應(yīng)不同于直立式金屬聲屏障。目前已有學(xué)者對(duì)聲屏障表面列車(chē)風(fēng)壓開(kāi)展了大量研究，鄧躒等[3]通過(guò)CFD仿真分析得到380 km/h高速列車(chē)脈動(dòng)風(fēng)荷載，艾輝林等[4]研究得到高速列車(chē)導(dǎo)致聲屏障風(fēng)壓變化和分布特征，何佳俊等[5]通過(guò)CFD數(shù)值模擬對(duì)列車(chē)通過(guò)全封閉聲屏障過(guò)程中形成壓力波的特征進(jìn)行了研究，龍麗平等[6]研究了列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中的氣動(dòng)力特性，還給出了氣動(dòng)力荷載用于指導(dǎo)聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，劉磊等[7]通過(guò)仿真計(jì)算得到列車(chē)行駛產(chǎn)生的活塞風(fēng)壓，何旭輝等[8]通過(guò)流體力學(xué)仿真軟件數(shù)值模擬獲得全封閉聲屏障壓力極值和氣壓荷載分布規(guī)律。上述研究成果多基于仿真分析，本次研究對(duì)全封閉聲屏障表面列車(chē)風(fēng)壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得到動(dòng)車(chē)組高速通過(guò)全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程特性及分布特征。

1 測(cè)試概況

試驗(yàn)通過(guò)選用多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，傳感器選用大量程風(fēng)壓傳感器滿足測(cè)試要求，采集動(dòng)車(chē)組在各種工況下運(yùn)行的脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)域信號(hào)，采集的數(shù)據(jù)處理后得到風(fēng)壓結(jié)果。參考全封閉聲屏障設(shè)計(jì)文件內(nèi)容，試驗(yàn)測(cè)試選取的全封閉聲屏障全長(zhǎng)約840 m，橋梁高度約14 m，并分別在全封閉聲屏障入口、1/8跨、1/4跨、3/8跨、整體跨中位置5個(gè)斷面布設(shè)風(fēng)壓傳感器，在個(gè)別斷面布設(shè)不同高度位置傳感器，在跨中斷面均對(duì)稱(chēng)布設(shè)P-1、P-2、P-3、P-4測(cè)點(diǎn)及頂部P-5測(cè)點(diǎn)，1/4跨斷面對(duì)稱(chēng)布設(shè)P-1、P-3測(cè)點(diǎn)，1/8跨、3/8跨斷面布設(shè)P-1測(cè)點(diǎn)。P-1、P-2測(cè)點(diǎn)位于上行線側(cè)，P-3、P-4測(cè)點(diǎn)位于下行線側(cè)，P-1與P-3測(cè)點(diǎn)均位于軌面以上1 m處，P-2、P-4測(cè)點(diǎn)均位于軌面以上2 m處，P-5測(cè)點(diǎn)位于聲屏障拱頂正中位置。入口、1/4跨、跨中斷面測(cè)試動(dòng)車(chē)組雙線運(yùn)行情況下工況，1/8跨、3/8跨斷面測(cè)試動(dòng)車(chē)組在下行線側(cè)運(yùn)行工況。測(cè)試單列動(dòng)車(chē)組進(jìn)入、駛出全封閉聲屏障及2列動(dòng)車(chē)組交會(huì)通過(guò)全封閉聲屏障時(shí)各斷面脈動(dòng)風(fēng)壓變化情況。單列動(dòng)車(chē)組選取速度級(jí)為300、350 km/h；交會(huì)動(dòng)車(chē)組選取速度級(jí)300、330、350 km/h。測(cè)試斷面分布見(jiàn)圖1，風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。

圖1 測(cè)試斷面分布

圖2 風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)位置圖

2 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果及分析

2.1 不同高度位置影響分析

動(dòng)車(chē)組以300、350 km/h速度單列通過(guò)及以300、330、350 km/h交會(huì)通過(guò)全封閉聲屏障跨中斷面時(shí)，各風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 跨中斷面風(fēng)壓時(shí)域信號(hào)

由圖3可知，單列動(dòng)車(chē)組通過(guò)全封閉聲屏障跨中斷面時(shí)，聲屏障受車(chē)作用產(chǎn)生1個(gè)先正后負(fù)的壓力波，且正壓值大于負(fù)壓值，動(dòng)車(chē)組通過(guò)后，同樣受尾車(chē)作用產(chǎn)生1個(gè)先負(fù)后正的壓力波，且負(fù)壓值大于正壓值，車(chē)尾通過(guò)產(chǎn)生的風(fēng)壓峰值小于車(chē)頭風(fēng)壓峰值。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行側(cè)P-3測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓值大于同側(cè)P-4測(cè)點(diǎn)，即動(dòng)車(chē)組車(chē)頭鼻錐等高位置處風(fēng)壓值最大，兩側(cè)風(fēng)壓結(jié)果呈（P-3）>（P-4）>（P-1）>（P-5）規(guī)律，氣流在動(dòng)車(chē)組周?chē)鷶_動(dòng)引起車(chē)頭鼻錐等高位置的同側(cè)聲屏障表面及對(duì)側(cè)聲屏障風(fēng)壓值增大，然后氣流沿聲屏障內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)流動(dòng)，最大正壓1 000 Pa，最大負(fù)壓接近900 Pa。

由于動(dòng)車(chē)組車(chē)頂距離全封閉聲屏障拱頂垂直高度約5 m，并且拱頂采取了間歇性開(kāi)口設(shè)計(jì)，動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)，風(fēng)壓結(jié)果呈（P-3）>（P-5）>（P-4）規(guī)律。隨著速度的增加，拱頂測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓值逐漸增大，車(chē)頭通過(guò)時(shí)出現(xiàn)先正后負(fù)的壓力波，負(fù)壓值較小，在車(chē)尾通過(guò)后又出現(xiàn)先負(fù)后正的壓力波，正壓值較小，間歇性開(kāi)口影響了氣壓波的壓縮及釋放，這一規(guī)律與聲屏障側(cè)壁測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓測(cè)試結(jié)果不同。

動(dòng)車(chē)組交會(huì)通過(guò)全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)，由于動(dòng)車(chē)組進(jìn)行等速交會(huì)即將交會(huì)時(shí)，P-1、P-2、P-3、P-4測(cè)點(diǎn)風(fēng)壓與單列動(dòng)車(chē)組通過(guò)時(shí)響應(yīng)一致，呈現(xiàn)先正后負(fù)的壓力波；列車(chē)通過(guò)時(shí)域信號(hào)可以看出，車(chē)頭通過(guò)測(cè)點(diǎn)后車(chē)體交會(huì)時(shí)風(fēng)壓值趨于零，交會(huì)通過(guò)后，交會(huì)時(shí)空氣局部被壓縮，壓縮的氣流被迅速釋放，位于全封閉聲屏障側(cè)壁風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)負(fù)壓值最大。交會(huì)通過(guò)時(shí)聲屏障側(cè)壁脈動(dòng)風(fēng)壓值較單列動(dòng)車(chē)組工況增加約30%。

2.2 不同縱深位置影響

動(dòng)車(chē)組運(yùn)行通過(guò)全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)，在駛?cè)牖蛘唏偝雎暺琳蠒r(shí)，全封閉聲屏障內(nèi)沿運(yùn)行方向風(fēng)壓分布特性不同，此處按照駛?cè)?、駛出聲屏?種工況分析不同縱深位置處風(fēng)壓分布特點(diǎn)。各風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同縱深處風(fēng)壓時(shí)程曲線

動(dòng)車(chē)組駛?cè)肴忾]聲屏障區(qū)段時(shí)，入口區(qū)域空間受到急劇壓縮，風(fēng)壓水平變化明顯，隨著動(dòng)車(chē)組駛?cè)肴忾]聲屏障，距離洞口1/8處風(fēng)壓值降低，1/4處風(fēng)壓值小于跨中斷面，以300、350 km/h速度通過(guò)聲屏障區(qū)段時(shí)，風(fēng)壓變化規(guī)律一致；而動(dòng)車(chē)組駛出全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)，與駛?cè)霑r(shí)規(guī)律相反，靠近中部的跨中及1/4處風(fēng)壓值較大，1/8處風(fēng)壓值降低，入口附近空間瞬間放大，聲屏障內(nèi)側(cè)風(fēng)壓值逐漸增大。

2.3 與直立式聲屏障測(cè)試結(jié)果比較分析

動(dòng)車(chē)組以350 km/h速度通過(guò)全封閉聲屏障、2.3 m高橋梁插板式金屬聲屏障時(shí)，與車(chē)頭等高位置的聲屏障立柱測(cè)點(diǎn)的風(fēng)壓測(cè)試時(shí)程曲線見(jiàn)圖5。

由圖5可知，位于不同型式聲屏障的同等高度風(fēng)壓測(cè)點(diǎn)，呈“正-負(fù)-負(fù)-正”規(guī)律。由于結(jié)構(gòu)型式不同，全封閉聲屏障區(qū)段車(chē)頭及車(chē)尾的風(fēng)壓值大于直立式聲屏障區(qū)段測(cè)試結(jié)果約30%，全封閉結(jié)構(gòu)型式對(duì)氣流擾動(dòng)影響較明顯。

3 結(jié)論

（1）單列動(dòng)車(chē)組通過(guò)全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)，列車(chē)風(fēng)壓呈“正-負(fù)-負(fù)-正”交變特性，車(chē)尾通過(guò)產(chǎn)生的風(fēng)壓峰值小于車(chē)頭風(fēng)壓峰值；

（2）動(dòng)車(chē)組交會(huì)通過(guò)全封閉聲屏障區(qū)段時(shí)，聲屏障側(cè)壁脈動(dòng)風(fēng)壓值較單列動(dòng)車(chē)組工況增加約30%；

（3）全封閉聲屏障不同縱深位置處風(fēng)壓分布有一定差異，入口處正壓峰值最大，1/4跨處負(fù)壓峰值最大。