趙允剛,李嘯宇,寧 智,呂 明

(1.中鐵電氣工業(yè)有限公司, 河北 保定 071000; 2.北京交通大學(xué) 機械與電子控制工程學(xué)院, 北京 100044)

在高速鐵路快速發(fā)展的同時,也帶來了嚴重的噪音污染問題[1].聲屏障是減少高速鐵路噪音污染的重要設(shè)施,可以有效降低高速列車通過時對周圍環(huán)境的噪音影響,目前在高速鐵路沿線已得到廣泛的應(yīng)用[2-3].高速列車通過聲屏障時一般車速都很高,聲屏障單元板會受到高速列車通過時產(chǎn)生的強烈的氣動載荷的反復(fù)沖擊,給聲屏障的可靠性帶來了嚴峻考驗,也給鐵路運輸帶來了很大的安全隱患.

隨著高速鐵路的快速發(fā)展以及人們對環(huán)境噪音污染的日益重視,近年來國內(nèi)外學(xué)者對高速鐵路聲屏障的結(jié)構(gòu)以及降噪特性和氣動特性進行了大量的研究.黃濤等[4]研究了不同面密度吸聲板對聲屏障降噪效果的影響,指出在保證吸聲降噪效果的前提下,建議吸聲板面密度選擇60 kg/m2.趙允剛等[5]對高速鐵路減載式聲屏障氣動阻力進行了研究，指出隨著減載式聲屏障孔隙率的增大，列車行駛的壓差阻力降低，而摩擦阻力變化不大.張高明等[6]對全封閉式聲屏障進行了研究,提出了一種采用拱式混凝土聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計的封閉式聲屏障設(shè)計方法.Li等[7]對武廣高速鐵路噪聲的聲壓級、頻譜、窗衰減等參數(shù)進行了測量,指出雖然安裝聲屏障后噪聲級符合噪聲環(huán)境標準,但高速列車通過時最大噪聲級仍然很高.Li等[8]對鐵路橋梁聲屏障的降噪性能進行了研究,指出聲屏障內(nèi)部吸聲材料可將噪聲控制在100～1 000 Hz頻率范圍內(nèi).Reiter等[9]對三種確定聲屏障聲學(xué)特性的方法進行了比較和評估,通過研究認為分析計算法是最有效的確定聲屏障聲學(xué)特性的方法.劉威等[10-12]對高速鐵路聲屏障的氣動載荷特性進行了數(shù)值模擬或試驗研究,獲得了高速列車不同車速時普通聲屏障和減載式聲屏障的氣動載荷特性.

目前,國內(nèi)外對高速鐵路聲屏障的研究主要集中在聲屏障結(jié)構(gòu)改進以及降噪和氣動特性等方面,而從安全方面考慮對聲屏障氣動疲勞特性的研究卻很少.根據(jù)高速鐵路聲屏障單元板承受氣動載荷沖擊能力評估的需要,本文作者進行了高速鐵路聲屏障單元板氣動疲勞載荷模型研究,建立了針對兩種氣動疲勞載荷施加方案并同時考慮高速列車氣流沖擊和橫風(fēng)作用的聲屏障單元板氣動疲勞載荷模型.為高速鐵路聲屏障單元板氣動疲勞的試驗研究奠定了基礎(chǔ).

1 測試系統(tǒng)及現(xiàn)場測試

1.1 壓力測試系統(tǒng)

建立的用于高速鐵路聲屏障表面壓強測試的壓力測試系統(tǒng)主要由信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲及處理模塊、終端顯示模塊等部分構(gòu)成,如圖1所示.壓力波現(xiàn)場測試采用的壓力傳感器為Endevco 8515C高頻壓阻式壓力傳感器,其主要性能參數(shù)如表1所示.

圖1 壓力測試系統(tǒng)組成

表1 Endevco 8515C型壓力傳感器主要性能參數(shù)

1.2 壓力波現(xiàn)場測試

基于高速鐵路聲屏障氣動疲勞載荷模型建立的高速鐵路聲屏障氣動載荷測試試驗是在大西高鐵客運專線上進行的.大西高鐵客運專線有3種不同高度、不同間距的聲屏障.高速鐵路聲屏障氣動疲勞載荷模型主要就是針對這3種不同聲屏障的氣動疲勞載荷模型.對大西高鐵客運專線橋梁段和路基段三個不同測試段的3種不同高度聲屏障的氣動載荷進行了現(xiàn)場測試.測試現(xiàn)場照片如圖2所示.

圖2 試驗現(xiàn)場照片

三個不同測試段聲屏障的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示.聲屏障/列車間距是指聲屏障離列車比較近的一側(cè)的間距.聲屏障氣動載荷現(xiàn)場測試共涉及3種不同高度和2種不同間距的聲屏障.2種路基段聲屏障的聲屏障/列車間距相同,只是聲屏障高度不同,而橋梁段聲屏障的聲屏障高度和聲屏障/列車間距皆小于2種路基段聲屏障.橋梁測試段為直線段,橋梁寬度為12.0 m,聲屏障由鋁合金單元板和鋼立柱聯(lián)結(jié)組成,單元板長度為1 960 mm,厚度約為175mm.

用于聲屏障氣動載荷測試的壓力傳感器安裝在固定聲屏障單元板的H型鋼立柱上,如圖3所示.沿鋼立柱垂直方向等間距布置3個壓力測點,分別對應(yīng)于聲屏障底部單元板、中間單元板以及頂部單元板的中間位置.由于相同高度下鋼立柱表面壓力與單元板表面壓力相同,考慮到安裝方便,將壓力傳感器安裝在鋼立柱上.

圖3 測點布置

聲屏障氣動載荷現(xiàn)場測試時,高速列車的車型為CRH380A型電力動車組列車.橋梁段高速列車車速為265～325 km/h,路基段1高速列車車速為280～355 km/h,路基段2高速列車車速為290～385 km/h.

圖4給出的是高速列車以355 km/h車速通過聲屏障時,路基段2上H型鋼立柱底部壓力傳感器測得的氣動壓力的變化歷程.

圖4 氣動壓力變化歷程

從圖4可知,高速列車頭部通過聲屏障時,聲屏障表面的氣動壓力經(jīng)歷一個先正后負的變化歷程(頭波),而高速列車尾部通過聲屏障時,聲屏障表面的氣動壓力則經(jīng)歷一個先負后正的變化歷程(尾波),頭波壓力峰值明顯大于尾波壓力峰值.

2 目標單元板的確定

高速鐵路聲屏障氣動疲勞載荷模型是針對大西高鐵客運專線3種不同高度,不同間距聲屏障目標單元板的氣動疲勞載荷模型.目標單元板的確定就是要通過聲屏障表面氣動載荷的測試以確定3種不同高度,不同間距聲屏障氣動載荷最大的單元板.

根據(jù)圖4,高速列車通過聲屏障時,聲屏障表面受到的氣動載荷主要反映在氣動峰值壓力和峰值壓力變化頻率上.根據(jù)流體力學(xué)理論分析,聲屏障受到的氣動峰值壓力主要與列車車速、聲屏障高度以及聲屏障/列車間距相關(guān),而峰值壓力變化頻率則主要取決于列車車速,受聲屏障高度以及聲屏障/列車間距的影響則較小.因此,本文主要以聲屏障表面氣動峰值壓力作為聲屏障目標單元板確定的主要依據(jù).

高速列車以不同車速通過路基段2的聲屏障時,聲屏障底部單元板受到的氣動壓力的變化歷程是不同的.為了更清楚地反映列車不同車速時聲屏障表面氣動壓力之間的關(guān)系,在圖5(a)中將不同車速時聲屏障表面的氣動壓力曲線錯開一定時間表示.高速列車車速為325 km/h時,三個不同測試段聲屏障底部單元板表面受到的氣動壓力的變化歷程如圖5(b)所示.

圖5 聲屏障氣動壓力變化歷程

從圖5(a)可知,列車車速越高,聲屏障單元板表面受到的氣動峰值壓力越大.列車車速增加,列車車頭與聲屏障之間的空氣受到壓縮沖擊作用越強,因而聲屏障表面受到的氣動峰值壓力越大.聲屏障表面氣動峰值壓力變化頻率主要與列車頭部通過聲屏障的時間有關(guān),列車車速改變對列車頭部通過聲屏障的時間影響較小,因此車速對聲屏障表面氣動峰值壓力變化頻率的影響相對較小.

從圖5(b)可知,在相同列車車速下,由于不同測試段的聲屏障高度或聲屏障/列車間距不同,因此聲屏障表面氣動峰值壓力不同,說明聲屏障表面受到的氣動峰值壓力不僅與列車車速有關(guān),而且也會受到聲屏障高度以及聲屏障/列車間距的影響.

兩個不同路基段聲屏障底部單元板表面受到的氣動峰值壓力與列車車速的關(guān)系如圖6(a)所示.路基段1和路基段2的聲屏障高度分別為2.95 m和3.95 m,而聲屏障/列車間距相同，均為3.43 m.橋梁段和路基段1聲屏障底部單元板表面受到的氣動峰值壓力與列車車速的關(guān)系如圖6(b)所示.橋梁段和路基段1的聲屏障高度分別為2.15 m和2.95 m,聲屏障/列車間距分別為2.65 m和3.43 m.

圖6 聲屏障氣動峰值壓力與車速的關(guān)系

從圖6(a)中可知,在不同列車車速下,路基段2聲屏障表面受到的氣動峰值壓力皆大于路基段1.說明在相同的聲屏障/列車間距條件下,聲屏障高度越高,阻擋沖擊氣流的能力越強,聲屏障表面受到的氣動峰值壓力越大.

從圖6(b)中可知,在不同列車車速下,橋梁段聲屏障表面受到的氣動峰值壓力皆大于路基段1.圖6(a)的結(jié)果表明,聲屏障/列車間距相同時,聲屏障高度越高,聲屏障表面受到的氣動峰值壓力越大.在圖6(b)中,橋梁段聲屏障高度和聲屏障/列車間距皆小于路基段1,而橋梁段聲屏障表面受到的氣動峰值壓力卻大于路基段1,由此說明聲屏障/列車間距越小,聲屏障表面受到的氣動峰值壓力越大.在相同車速下,聲屏障/列車間距越小,沖擊氣流到達聲屏障表面距離就越短,沖擊氣流能量損失就越少,轉(zhuǎn)化到聲屏障表面的氣動峰值壓力就越大.

聲屏障單元板表面受到的氣動載荷除了與列車車速、聲屏障高度以及聲屏障/列車間距有關(guān)以外,與聲屏障單元板所處的位置也具有一定的關(guān)系.高速列車車速為325 km/h時,橋梁段聲屏障底部單元板、中間單元板以及頂部單元板表面氣動壓力的變化歷程如圖7所示.

圖7 不同位置聲屏障氣動壓力變化歷程

從圖7中可知,在相同的列車車速、聲屏障高度以及聲屏障/列車間距的條件下,聲屏障底部單元板受到的氣動峰值壓力最大,中間單元板受到的氣動峰值壓力次之,頂部單元板受到的氣動峰值壓力最小.由于地面與聲屏障底部區(qū)域封閉性較好,較大程度地阻擋了氣流流動,故聲屏障底部單元板受到的氣動峰值壓力最大;聲屏障中上部區(qū)域開放性大,封閉性差,故阻擋氣流流動能力差,中間單元板和頂部單元板受到的氣動峰值壓力較小.

通過上面的分析可以得出結(jié)論,針對大西高鐵客運專線三個不同測試段聲屏障受到的氣動載荷來說,在相同的高速列車車速條件下,橋梁段聲屏障底部單元板受到的氣動峰值壓力最大.為進一步保證氣動載荷模型的準確性,以聲屏障底部單元板作為高速鐵路聲屏障氣動載荷模型的目標單元板.

3 聲屏障單元板氣動疲勞載荷模型

3.1 聲屏障目標單元板氣動載荷模型

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),得到目標單元板表面受到的氣動載荷隨高速列車車速的變化關(guān)系,如圖8所示.

圖8中,對目標單元板表面氣動峰值壓力與列車車速的關(guān)系采用二次多項式擬合,橋梁段擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.99,路基段1擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.98,路基段2擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.96;對目標單元板峰值壓力變化頻率與列車車速的關(guān)系采用線性擬合,橋梁段擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.97,路基段1擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.98,路基段2擬合曲線相關(guān)系數(shù)R2為0.93.

圖8 目標單元板氣動載荷與列車車速的關(guān)系

從圖8中可知,目標單元板受到的氣動峰值壓力和峰值壓力變化頻率皆隨高速列車車速的增加而增大.相比較,目標單元板氣動峰值壓力受車速的影響更大.通過擬合分析可知,橋梁段聲屏障底部單元板作為高速鐵路聲屏障氣動載荷模型的目標單元板,其氣動峰值壓力和峰值壓力變化頻率皆大于路基段1和路基段2.

橋梁段聲屏障目標單元板氣動載荷模型為

(1)

式中:pa為目標單元板氣動峰值壓力;fa為目標單元板峰值壓力變化頻率;va為高速列車車速.

3.2 聲屏障單元板氣動疲勞載荷施加模型

大西高鐵客運專線聲屏障的單元板為長度1 960 mm,高度500 mm的長方形板.進行聲屏障單元板氣動疲勞試驗時,氣動疲勞動態(tài)載荷施加在單元板的形心上.可以有兩種氣動疲勞動態(tài)載荷施加方案.

施加方案1:氣動疲勞動態(tài)載荷施加在聲屏障單元板的一側(cè)形心位置處,單元板做單側(cè)彎曲;以規(guī)定的施加頻率將動態(tài)載荷施加到最大值后釋放,完成一個周期的動態(tài)載荷施加.

施加方案2:在聲屏障單元板兩側(cè)形心位置處交替施加氣動疲勞動態(tài)載荷,單元板做雙側(cè)彎曲;以規(guī)定的施加頻率將單元板一側(cè)的動態(tài)載荷施加到最大值后釋放,同時開始在單元板另一側(cè)以相同頻率施加相同動態(tài)載荷并釋放,完成一個周期的動態(tài)載荷施加.

高速鐵路聲屏障在受到高速列車通過時產(chǎn)生的氣流沖擊作用的同時,還有可能會同時受到橫風(fēng)的作用[13].因此,本文在建立高速鐵路聲屏障單元板氣動疲勞載荷模型時,同時考慮了高速列車產(chǎn)生的氣流沖擊作用和橫風(fēng)作用.

橫風(fēng)在高速鐵路聲屏障表面產(chǎn)生的橫風(fēng)壓力可以表示為[14]

(2)

式中:pw為橫風(fēng)壓力;vw為橫風(fēng)風(fēng)速.

在同時考慮高速列車氣流沖擊作用和橫風(fēng)作用的條件下,本文建立的針對大西高鐵客運專線3種不同高度,不同間距聲屏障目標單元板的氣動疲勞載荷模型可以表示為

F=(pa+pw)A

(3)

(4)

式中:F為動態(tài)載荷;f為動態(tài)載荷變化頻率;A為聲屏障單元板面積.

聲屏障單元板氣動疲勞載荷模型得到了進行聲屏障單元板氣動疲勞試驗時施加在單元板上的動態(tài)載荷以及動態(tài)載荷變化頻率與高速列車車速的關(guān)系.可以根據(jù)疲勞試驗時模擬的車速通過氣動疲勞載荷模型確定應(yīng)該施加在聲屏障單元板上的動態(tài)疲勞載荷,包括動態(tài)載荷幅值和動態(tài)載荷變化頻率.

通過應(yīng)用聲屏障單元板氣動疲勞載荷模型得到了不同車速時的氣動疲勞載荷，如表3所示.由表3可知,列車在實際運行過程中還應(yīng)關(guān)注橫風(fēng)變化情況,實時監(jiān)測橫風(fēng)大小,在低橫風(fēng)下通行列車,達到減小聲屏障氣動疲勞載荷幅值的目的,保障行車安全,提高聲屏障可靠性.

表3 不同車速時氣動疲勞載荷

4 結(jié)論

1)高速列車通過聲屏障時,聲屏障表面會受到瞬態(tài)正負交替脈動壓力的沖擊,頭波壓力峰值明顯大于尾波壓力峰值.

2)在相同車速條件下,聲屏障高度越高或聲屏障/列車間距越小,聲屏障表面受到的氣動峰值壓力越大;在相同車速、聲屏障高度以及聲屏障/列車間距條件下,聲屏障底部單元板受到的氣動峰值壓力最大.

3)當(dāng)列車所受橫風(fēng)風(fēng)速不變時,隨著列車車速的增加,進行聲屏障單元板氣動疲勞試驗時施加的動態(tài)載荷和動態(tài)載荷變化頻率皆隨高速列車車速的增加而增大，動態(tài)載荷與動態(tài)載荷變化頻率相比，聲屏障單元板動態(tài)載荷受車速的影響更大.