路言杰，胡喆，尹皓，鄭凈，李小珍

（1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部，上海 200071；2.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430063；3.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；4.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

聲屏障是高速鐵路途經(jīng)噪聲敏感區(qū)域時(shí)加裝在軌旁的有效降噪措施，隨著高速鐵路列車速度不斷提高，列車通過聲屏障區(qū)段時(shí)引起的脈動風(fēng)壓急劇增大，封閉式聲屏障的運(yùn)用，更是增大了移動列車風(fēng)對聲屏障表面的氣動壓力，由此導(dǎo)致聲屏障結(jié)構(gòu)振動、疲勞破壞等一系列問題，因此聲屏障設(shè)計(jì)、運(yùn)維應(yīng)充分考慮聲屏障動力循環(huán)作用下的性能劣化問題，控制聲屏障上脈動壓力引發(fā)的突出振動問題。

樸愛玲等［1］、趙允剛等［2］、Xiong等［3］開展運(yùn)營期動車組列車高速通過橋梁-聲屏障段氣動荷載現(xiàn)場測試，獲得列車在380～420 km/h速度內(nèi)通過聲屏障時(shí)脈動風(fēng)壓荷載特性；Du等［4］設(shè)計(jì)1/20縮尺移動列車通過直立式聲屏障時(shí)的脈動風(fēng)壓并驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。受封閉式結(jié)構(gòu)的壁面限制，封閉式結(jié)構(gòu)內(nèi)行車會引起比明線行車更嚴(yán)重的空氣壓力波動問題：敬海泉等［5］開展移動列車風(fēng)洞試驗(yàn)，獲得橫風(fēng)和列車風(fēng)作用下封閉式聲屏障的脈動風(fēng)壓荷載分布，探究斷面面積對氣壓波的影響；Luo等［6］結(jié)合氣動模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，研究帶有橫向泄壓通道的隧道內(nèi)表面脈動風(fēng)壓分布規(guī)律；以上述實(shí)車測試和移動模型測試為基礎(chǔ)，楊斌等［7］從脈動壓力波在全封閉聲屏障內(nèi)傳播規(guī)律及在聲屏障上的分布規(guī)律等方面開展計(jì)算流體力學(xué)仿真分析。吳小萍［8］、畢然等［9］建立列車通過高速鐵路直立式聲屏障段脈動風(fēng)壓模型，從列車速度、聲屏障與軌道距離、聲屏障折板角度等方面分析并獲得直立式聲屏障和頂部結(jié)構(gòu)Y型直立式聲屏障的脈動風(fēng)壓分布規(guī)律。吉曉宇等［10］采用數(shù)值仿真分析系統(tǒng)研究開口間距對聲屏障內(nèi)部脈動風(fēng)作用的影響規(guī)律。Li［11］、鐘沙［12］、Hu 等［13］開展雙線隧道內(nèi)高速列車交會時(shí)的風(fēng)壓荷載荷譜研究，結(jié)果表明交會列車引起隧道壁面氣動效應(yīng)較顯著，列車與隧道耦合時(shí)的脈動風(fēng)壓載荷譜主要作用在0.5～2 Hz，其研究為探尋氣動載荷作用下的疲勞損傷機(jī)理提供依據(jù)。

現(xiàn)有研究給出了列車通過聲屏障時(shí)的脈動風(fēng)壓時(shí)程特性，關(guān)于半封閉式聲屏障的脈動風(fēng)壓及其作用下聲屏障構(gòu)件的動態(tài)響應(yīng)，如聲屏障構(gòu)建的動應(yīng)力、動變形等研究較少。通過建立速度350 km/h橋上半封閉式聲屏障模型，依托新建合杭高鐵湖杭段聯(lián)調(diào)聯(lián)試開展半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓及動態(tài)響應(yīng)現(xiàn)場測試研究，驗(yàn)證半封閉式聲屏障的脈動風(fēng)壓及其作用下的振動預(yù)測模型，并據(jù)此分析頂部覆蓋6 m單元板的半封閉式聲屏障的脈動風(fēng)壓及其致結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)（動變形和動應(yīng)力）。研究成果對半封閉式聲屏障的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 測試設(shè)置

1.1 測試線路

新建合杭高鐵湖杭段（湖州—杭州）位于浙江省中北部，北起湖州市，南至杭州市桐廬縣，正線長度129.121 km，設(shè)計(jì)速度350 km/h。選取新建合杭高鐵湖杭段開展現(xiàn)場測試，為滿足環(huán)保要求，根據(jù)合杭高鐵湖杭段實(shí)際情況對受新建鐵路噪聲影響的噪聲敏感點(diǎn)設(shè)置了多種聲屏障，其中，半封閉式聲屏障直立側(cè)高8.1 m、頂部覆蓋寬度6 m；聲屏障主體結(jié)構(gòu)為間隔2 m的H形鋼立柱，插入1.96 m×0.50 m×0.14 m（長×寬×厚）復(fù)合金屬隔聲板，半封閉式聲屏障見圖1。

圖1 半封閉式聲屏障

1.2 測點(diǎn)布置

在聲屏障內(nèi)表面分別安裝風(fēng)壓傳感器、振動傳感器和應(yīng)變片以采集聲屏障壁面的脈動風(fēng)壓、動變形和應(yīng)變信號。聲屏障測點(diǎn)布置見圖2，半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓測點(diǎn)布置在聲屏障立柱的根部，用P1表示；動變形測點(diǎn)布置在頂部單元板中部和立柱頂部，分別用V1、V2表示；應(yīng)變測點(diǎn)布置在立柱底端加強(qiáng)肋上部，用F1表示。

圖2 聲屏障測點(diǎn)布置

1.3 測試車型、車速

在綜合檢測列車提速試驗(yàn)期間開展脈動風(fēng)壓測試，測試線路上主要通行列車為CRH2C-2068綜合檢測列車，測試斷面車速為180～385 km/h。

1.4 測試儀器

現(xiàn)場測試采用CYG516壓力傳感器（見圖2（b））。參照中國鐵道行業(yè)隧道空氣動力學(xué)的要求和測試程序［14］，采樣頻率設(shè)置為2.0 kHz，濾波器設(shè)置為1 kHz。數(shù)據(jù)采集設(shè)備為INV多通道數(shù)據(jù)采集儀，最高采樣頻率為51.2 kHz。

1.5 數(shù)據(jù)處理

首先將受自然風(fēng)干擾的數(shù)據(jù)剔除，再將采集到的臨時(shí)風(fēng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行低通濾波，繼而獲得聲屏障表面的脈動風(fēng)壓，單位為Pa。

2 測試結(jié)果

2.1 脈動風(fēng)壓時(shí)程規(guī)律

列車運(yùn)行時(shí)引發(fā)頂部覆蓋6 m單元板的半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓時(shí)程規(guī)律見圖3。

圖3 半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓時(shí)程規(guī)律

當(dāng)列車頭車逐漸接近并通過測點(diǎn)P1的瞬間，脈動風(fēng)壓增至最大正壓并在△t時(shí)間內(nèi)瞬間至負(fù)壓，頭車在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的正負(fù)脈動風(fēng)壓迅速變化對半封閉式聲屏障的沖擊作用稱為“頭波”；中間車廂通過測點(diǎn)時(shí)，聲屏障表面產(chǎn)生幅度較小的壓力波動，列車尾車接近并通過測點(diǎn)P1的瞬間，聲屏障壁面上的脈動風(fēng)壓由負(fù)壓峰值瞬間升至正壓峰值，稱為“尾波”。可見，高速列車引發(fā)半封閉式聲屏障的脈動風(fēng)壓波動由列車頭車引發(fā)的“頭波”、中間車引發(fā)的小幅度壓力波動及尾車引發(fā)的“尾波”構(gòu)成，這與文獻(xiàn)［1-3］中列車行駛通過直立式聲屏障引發(fā)的脈動風(fēng)壓規(guī)律一致。

此外，從脈動風(fēng)壓的量值看，列車“頭波”對聲屏障的壓力脈沖效應(yīng)大于“尾波”，在此主要關(guān)注列車頭車產(chǎn)生的“頭波”脈沖作用。在“頭波”脈沖中，脈動風(fēng)壓特征峰值分別標(biāo)記：正壓峰值為Pmax，負(fù)壓峰值為Pmin，正負(fù)壓力峰-峰值為△P。根據(jù)測試結(jié)果，可知速度350 km/h時(shí)，半封閉式聲屏障的“頭波”壓力峰-峰值△P為1 057 Pa，超過1 kPa，與文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)論一致。

2.2 動變形與動應(yīng)力

列車以350 km/h速度通過橋梁段時(shí)聲屏障振動的幅值、頻率特性見圖4。

圖4 聲屏障振動的幅值、頻率特性（v=350 km/h）

測試結(jié)果表明：列車以350 km/h速度通過半封閉式聲屏障時(shí)，立柱振動動變形為3.90 mm，頂部單元板中部動變形為2.34 mm，列車速度達(dá)到380 km/h時(shí)，立柱、單元板相同位置的動變形分別為4.31 mm、2.59 mm。振動能量主要分布在31.5～63 Hz。

此時(shí)同步檢測到兩種車速下立柱根部動應(yīng)力為8.15 MPa和8.53 MPa。

3 實(shí)測值與預(yù)測值對比

基于以上半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓及動變形現(xiàn)場測試，為分析頂部覆蓋6 m單元板半封閉式聲屏障的脈動風(fēng)壓特性及其致結(jié)構(gòu)振動行為特性，建立列車在半封閉式聲屏障區(qū)段通行的脈動風(fēng)壓計(jì)算流體力學(xué)模型（CFD）和半封閉式聲屏障有限元模型，半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓CFD模型見圖5、有限元建模過程見圖6。

圖5 半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓CFD模型

圖6 半封閉式聲屏障有限元建模過程

半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓CFD模型、邊界條件設(shè)置及網(wǎng)格生成等可參照已發(fā)表的文獻(xiàn)［9，15］，利用Fluent求解器，通過定常分析，采用SIMPLE算法及SST k -ω湍流模型，求解壓力耦合，動量、連續(xù)性、湍流能、能量及耗散率等項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)進(jìn)行離散，最后對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，提取聲屏障監(jiān)測點(diǎn)的脈動風(fēng)壓時(shí)程，半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓CFD模型預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)布置見圖7。聲屏障有限元模型參見文獻(xiàn)［16］，以脈動風(fēng)壓為動力激勵(lì)，分析其振動響應(yīng)。

圖7 半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓CFD模型預(yù)測監(jiān)測點(diǎn)布置

經(jīng)計(jì)算，半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓、動變形和動應(yīng)力預(yù)測分別見圖8。由此可知速度為350 km/h時(shí)，半封閉式聲屏障P1測點(diǎn)處的脈動風(fēng)壓特征峰值△P為638 Pa、理論計(jì)算峰值為1 145 Pa；半封閉式聲屏障F1測點(diǎn)處的立柱應(yīng)力特征峰值為8.150 MPa、中部單元板應(yīng)力峰值為1.410 MPa、理論計(jì)算峰值為23.550 MPa及5.699 MPa；半封閉式聲屏障立柱V2位移峰值為3.90 mm、理論計(jì)算峰值為5.89 mm。結(jié)果表明：預(yù)測計(jì)算值高于現(xiàn)場測試值，但從工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用角度看，兩者基本規(guī)律吻合，預(yù)測計(jì)算值可靠。

圖8 半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓、動變形和動應(yīng)力預(yù)測

4 影響因素

由于引發(fā)半封閉式聲屏障立柱、單元板較大振動的主要原因?yàn)檩^大的脈動力沖擊作用，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮按工程實(shí)際需求設(shè)計(jì)適宜的聲屏障結(jié)構(gòu)以控制脈動壓力的作用，因此需分析脈動壓力的影響因素。

4.1 車速

不同行駛速度的高速列車致半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓峰值變化規(guī)律見圖9，半封閉式聲屏障P1測點(diǎn)脈動風(fēng)壓特征峰值在車速為180～300 km/h（20 m/h增速）時(shí)的變化趨勢見圖9（a），脈動風(fēng)壓特征峰值在車速為320～385 km/h（10 km/h增速）時(shí)的變化趨勢見圖9（b）。圖9擬合出車速與脈動風(fēng)壓特征峰值間的變化關(guān)系：脈動風(fēng)壓的特征峰值與車速的二次方呈正比例增長，這與現(xiàn)有研究［3，9］結(jié)論一致。

圖9 半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓特征值隨車速變化規(guī)律

4.2 結(jié)構(gòu)形式

經(jīng)測試，相同車速下半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值大于2.3 m直立式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值，180～300 km/h速度時(shí)，半封閉式聲屏障與2.3 m直立式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值的差值見圖10。經(jīng)計(jì)算可知，車速為180 km/h時(shí)，半封閉式聲屏障超出直立式聲屏障脈動風(fēng)壓峰-峰值18%；車速為200 km/h時(shí)，超出35%；車速為300 km/h時(shí)，超出54%。半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值大于2.3 m直立式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值的原因，主要是由于半封閉式聲屏障的流場空間較直立式聲屏障更封閉。

圖10 半封閉式聲屏障與2.3 m直立式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值的差值

5 結(jié)論

在合杭高鐵湖杭段加裝聲屏障后開展現(xiàn)場測試，探究高速列車通行時(shí)半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓及其作用下聲屏障構(gòu)件的振動響應(yīng)特性，研究結(jié)果表明：

（1）列車通過半封閉式聲屏障時(shí)引發(fā)的脈動風(fēng)壓時(shí)程規(guī)律與列車在其他明線上行駛時(shí)引發(fā)的脈動風(fēng)壓時(shí)程規(guī)律一致，主要由“頭波”脈沖和“尾波”脈沖構(gòu)成，且前者對聲屏障的脈沖效應(yīng)大于后者；測得半封閉式聲屏障頂部單元板具有較大的變形，動應(yīng)力在立柱根部較大。

（2）脈動風(fēng)壓CFD模型和有限元模型分析的結(jié)論與實(shí)際測試值基本吻合，滿足工程分析要求。

（3）列車速度為180～385 km/h時(shí)，半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值與車速呈二次方關(guān)系；半封閉式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值大于高度為2.3 m的直立式聲屏障脈動風(fēng)壓特征峰值，且隨車速緩慢增加，脈動風(fēng)壓特征峰值增幅較大。

（4）脈動風(fēng)壓作用下半封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力和動變形理論計(jì)算結(jié)果略大于實(shí)際測試值，從工程設(shè)計(jì)和運(yùn)用的角度，兩者基本規(guī)律吻合，實(shí)踐中采用理論計(jì)算值進(jìn)行設(shè)計(jì)是安全可靠的。