衛(wèi) 星 ，張 靖 ，魏歡博 ，胡 喆 ，溫宗意

（1. 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川 成都610031；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北 武漢430063）

高速列車(chē)的行駛引起了許多空氣動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，其中列車(chē)行駛過(guò)程產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓所帶來(lái)的問(wèn)題受到廣泛關(guān)注. 脈動(dòng)風(fēng)壓產(chǎn)生于列車(chē)在高速行駛下對(duì)其周?chē)目諝馑a(chǎn)生的強(qiáng)烈擾動(dòng)，當(dāng)行駛的列車(chē)通過(guò)聲屏障時(shí)，這一擾動(dòng)將會(huì)加劇，使周?chē)目諝猱a(chǎn)生的空氣壓力發(fā)生突變，形成一種瞬態(tài)的沖擊壓力，在很短的時(shí)間內(nèi)(約幾十毫秒)相繼出現(xiàn)正、負(fù)壓力峰值，這種瞬態(tài)壓力沖擊即為列車(chē)駛過(guò)聲屏障時(shí)產(chǎn)生的壓力波，即稱為脈動(dòng)風(fēng)壓. 劉海濤[1]曾對(duì)比分析得到了不同橋?qū)挕⒉煌?chē)型、不同速度下脈動(dòng)風(fēng)壓的分布規(guī)律，這種壓力波的存在實(shí)際會(huì)對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)產(chǎn)生巨大影響，如果不加以重視，會(huì)引起聲屏障許多結(jié)構(gòu)問(wèn)題和疲勞問(wèn)題，很多學(xué)者都曾針對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓開(kāi)展了相關(guān)研究. 聲屏障風(fēng)荷載體型系數(shù)上，劉磊等[2]通過(guò)縮尺風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，確定了聲屏障迎風(fēng)面凈體型系數(shù)超過(guò)1.40，背風(fēng)面體型系數(shù)接近0.30. 鄭史雄等[3]建議橋梁聲屏障的風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.65，路基聲屏障的風(fēng)荷載體型系數(shù)取1.99. 聲屏障脈動(dòng)風(fēng)壓響應(yīng)上，焦長(zhǎng)洲等[4]對(duì)脈動(dòng)風(fēng)壓導(dǎo)致的聲屏障結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行了研究. 鄧躒等[5]研究了金屬立柱插板式聲屏障在脈動(dòng)風(fēng)壓靜態(tài)作用下的靜力響應(yīng). 劉功玉[6]研究了不同車(chē)速下聲屏障結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)風(fēng)壓作用下動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著車(chē)速的提高，列車(chē)經(jīng)過(guò)聲屏障區(qū)域時(shí)的氣動(dòng)壓力和氣動(dòng)吸力也越來(lái)越大. 康健[7]研究了不同中心距的聲屏障結(jié)構(gòu)在列車(chē)速度為350 km/h時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)風(fēng)壓作用下疲勞性能規(guī)律. 張?zhí)锏萚8]發(fā)現(xiàn)防風(fēng)板的應(yīng)力遠(yuǎn)高于立柱的應(yīng)力，疲勞問(wèn)題也更為顯著. 馬馳[9]研究了貨運(yùn)鐵路大型全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)較大的疲勞荷載作用下聲屏障柱腳螺栓會(huì)發(fā)生輕微松動(dòng)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中可以嚴(yán)格控制擰緊力矩防止螺栓松動(dòng)發(fā)生，并定期對(duì)螺栓進(jìn)行檢查. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，申真真[10]研究了不同的單元壁厚度和材料的高速鐵路插板式冷彎聲屏障的靜動(dòng)力響應(yīng)及疲勞性能規(guī)律，提出了一種綜合效益突出的結(jié)構(gòu)組合.趙允剛等[11]針對(duì)采用聲屏障時(shí)高速列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中表面氣動(dòng)阻力較大的問(wèn)題，提出利用減載式聲屏障降低列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中受到的氣動(dòng)阻力. 蘇衛(wèi)青[12]研究了高速鐵路聲源特性、作用于高速鐵路聲屏障的氣動(dòng)壓力和聲屏障結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng). 針對(duì)前述的研究，發(fā)現(xiàn)目前針對(duì)不同頂部開(kāi)口長(zhǎng)度的雙側(cè)封閉式聲屏障和不同頂部覆蓋長(zhǎng)度的單側(cè)封閉式聲屏障在脈動(dòng)風(fēng)壓作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和疲勞性能規(guī)律的研究較少，事實(shí)上，頂部結(jié)構(gòu)變化對(duì)列車(chē)行駛過(guò)程中氣流的釋放和結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的意義. 本文研究不同頂部開(kāi)口長(zhǎng)度的雙側(cè)封閉式聲屏障和不同頂部覆蓋長(zhǎng)度的單側(cè)封閉式聲屏障受力特征規(guī)律，并探究聲屏障的關(guān)鍵連接部位耐久性、疲勞特性，為高鐵橋上半封閉式聲屏障的設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)支持.

1 工程概況

某高鐵聲屏障結(jié)構(gòu)采用單雙側(cè)封閉直立型金屬插板式聲屏障形式，列車(chē)運(yùn)行車(chē)速為350 km/h，金屬插板式聲屏障主要由 H 型鋼立柱、H 型鋼底板、鋁合金單元板、橡膠等結(jié)構(gòu)組成，鋼架部分采用Q345-B焊接工字鋼；鋁合金單元板采用標(biāo)號(hào)不低于5A03、厚度不小于1.5 mm的鋁合金材料，面板和背板需進(jìn)行鉻酸鈍化或類似的預(yù)處理；通透吸聲板采用厚度不小于20.0 mm的透明板，具有防撞擊、防破損保護(hù)措施及防鳥(niǎo)撞擊標(biāo)志. 單元板及透明板四面加設(shè)鋁合金框，鋁合金框與型鋼立柱間采用插入式柔性連接[11].

聲屏障結(jié)構(gòu)截面沿頂部直線段分割情況及列車(chē)所在位置（圖示右軌道）共分為3部分：近軌豎直聲屏障部分、遠(yuǎn)軌豎直聲屏障部分及頂部橫向聲屏障部分. 聲屏障結(jié)構(gòu)截面示意如圖1所示.

圖1 聲屏障結(jié)構(gòu)截面示意Fig. 1 Cross sections of sound barrier structures

2 模型建立過(guò)程

本文探討雙側(cè)封閉聲屏障頂部開(kāi)口間距為（即頂部不設(shè)置通透隔聲板和吸聲板）2、4、6、8 m以及單側(cè)封閉式聲屏障頂部覆蓋長(zhǎng)度為（即頂部設(shè)置通透隔聲板）2、4、6、8 m 8種情況下聲屏障結(jié)構(gòu)的受力特征. 工況參數(shù)如表1所示.

表1 工況參數(shù)Tab. 1 Operating parameters

2.1 脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程函數(shù)提取

本文脈動(dòng)風(fēng)壓計(jì)算及結(jié)果參照李小珍等[13-14]的脈動(dòng)風(fēng)壓的CFD （computation fluid dynamics）模型，該模型 為行進(jìn)中的高速鐵路半封閉聲屏障的列車(chē)通過(guò)開(kāi)口間距雙側(cè)封閉聲屏障和頂部不同的覆蓋長(zhǎng)度單側(cè)封閉聲屏障產(chǎn)生的. 用動(dòng)態(tài)鋪層技術(shù)模擬移動(dòng)列車(chē)表面流場(chǎng)，動(dòng)網(wǎng)格部分模擬了高速列車(chē)表層及列車(chē)周?chē)蛄熊?chē)高速前進(jìn)，受列車(chē)移動(dòng)影響最大的空氣，模型如圖2所示. 在此CFD模型中，近軌豎直聲屏障部分分為17個(gè)區(qū)域，自下到上分別用N1～N17標(biāo)記測(cè)點(diǎn)；遠(yuǎn)軌豎直聲屏障部分設(shè)置17個(gè)區(qū)域，自下到上分別用F1～F17標(biāo)記測(cè)點(diǎn)（單側(cè)封閉式聲屏障不布置）；頂部橫向聲屏障部分根據(jù)頂部開(kāi)口間距的不同區(qū)域有所變化，靠近軌一側(cè)由近軌至開(kāi)口處用T1～T10標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，靠遠(yuǎn)軌用T15～T24標(biāo)記測(cè)點(diǎn)，開(kāi)口間距每增加2 m，頂部?jī)蓚?cè)測(cè)點(diǎn)從大序號(hào)依次各減少兩個(gè). 測(cè)點(diǎn)的整體布置 （雙側(cè)封閉式聲屏障頂部開(kāi)口間距2 m和單側(cè)封閉式聲屏障頂部覆蓋長(zhǎng)度8 m） 如圖3.

圖2 CFD模型Fig. 2 CFD model

圖3 聲屏障結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置Fig. 3 Layout of measuring points of sound barrier structures

一趟CRH3完整駛過(guò)后，記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間變化的受力情況，得到脈動(dòng)風(fēng)壓作用的時(shí)程曲線，梳理羅云柯[14]模型數(shù)據(jù)結(jié)果，以雙側(cè)封閉式頂部開(kāi)口2 m模型為例，聲屏障近軌、遠(yuǎn)軌、頂部風(fēng)壓時(shí)程函數(shù)如圖4，結(jié)果用于整體模型動(dòng)力計(jì)算.

圖4 雙側(cè)封閉式聲屏障頂部開(kāi)口間距2 m模型脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程函數(shù)Fig. 4 Time histories of pulsating wind pressure on the double-side closed sound barrier model with 2 m top opening spacing

考慮最不利的靜力風(fēng)壓情況，提取其中風(fēng)壓極值計(jì)算結(jié)果如圖5，結(jié)果用于整體模型靜力計(jì)算.

圖5 脈動(dòng)風(fēng)壓峰值Fig. 5 Peak values of pulsating wind pressure

2.2 整體模型建立

得到脈動(dòng)風(fēng)壓的時(shí)程曲線后，利用midas civil有限元軟件分別建立了頂部不同的開(kāi)口間距雙側(cè)封閉式聲屏障及頂部不同覆蓋長(zhǎng)度的單側(cè)封閉式聲屏障整體模型，用于分析自然風(fēng)、靜力風(fēng)壓和脈動(dòng)風(fēng)壓分別作用下，聲屏障立柱頂部位移、立柱根部彎矩、軸力及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，并計(jì)算動(dòng)力放大系數(shù).

模型共截取10個(gè)聲屏障節(jié)段，聲屏障結(jié)構(gòu)共計(jì)長(zhǎng)度20 m，寬度間距12 m，高度7.75 m. 梁體材料選用C30，采用梁?jiǎn)卧M；聲屏障立柱材料選用Q345鋼，采用梁?jiǎn)卧M；聲屏障鋁合金復(fù)合吸聲板及通透吸聲板根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行材料擬定，材料性能指標(biāo)見(jiàn)表2和表3，采用板單元模擬.

表2 鋁合金復(fù)合吸聲板的性能指標(biāo)Tab. 2 Performance indexes of aluminum alloy composite sound absorption board

8種不同開(kāi)口形式的聲屏障整體結(jié)構(gòu)如圖6、7所示.

圖7 不同頂部覆蓋長(zhǎng)度的單側(cè)封閉式聲屏障整體模型Fig. 7 Global model of the single-side closed sound barrier with different top covering lengths

結(jié)構(gòu)約束關(guān)系上，立柱底部與梁體固結(jié)，立柱與聲屏障板之間采用彈性約束模擬縱橋向橡膠連接作用，聲屏障板與板之間釋放部分端部約束模擬真實(shí)接觸效果.

2.3 瑞利阻尼

振型是結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要?jiǎng)恿μ匦?，振型的?shù)量和各階振型對(duì)結(jié)構(gòu)總體反應(yīng)的貢獻(xiàn)直接影響到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的計(jì)算結(jié)果.

本文通過(guò)振型分解將多自由度體系的振動(dòng)轉(zhuǎn)化為單自由度體系振動(dòng)的組合問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算，模型結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度分布不均勻，振型分解反應(yīng)譜法所需的振型數(shù)取振型參與質(zhì)量達(dá)到總質(zhì)量的90%時(shí)所需的振型數(shù)，8個(gè)模型所需振型數(shù)為93～101個(gè).若假設(shè)阻尼與質(zhì)量矩陣和剛度矩陣的組合成比例，則可表示為

式中：c為阻尼矩陣；α 和 β均為與頻率相關(guān)的參數(shù)；m和k分別為質(zhì)量矩陣和剛度矩陣.

這種阻尼稱為瑞利阻尼. 利用瑞利阻尼法公式計(jì)算得到各階瑞利阻尼比為

式中：ω為模態(tài)對(duì)應(yīng)頻率； ξ 為阻尼比.

依據(jù)鋼結(jié)構(gòu)抗震要求[15-16]，ξ取0.02，相關(guān)參數(shù)α 和 β是隨頻率變化的，用頻率范圍的下限和上限代入式（2），聯(lián)立求解得到各個(gè)聲屏障結(jié)構(gòu)的 α 和 β，結(jié)果如表4.

表4 各個(gè)聲屏障結(jié)構(gòu)的 α 和 βTab. 4 Values of+α and+ β of each sound barrier structure

各個(gè)聲屏障結(jié)構(gòu)的 α 和 β代入瑞利阻尼公式，計(jì)算得到聲屏障結(jié)構(gòu)各階振型的阻尼比，用于動(dòng)力計(jì)算.

2.4 風(fēng)壓時(shí)程函數(shù)輸入

加載原則上，靜力作用時(shí)，考慮最不利的受力情況，提取各位置脈動(dòng)風(fēng)壓的峰值，按靜力方式作用于聲屏障結(jié)構(gòu)，得到最大靜力響應(yīng)結(jié)果a；動(dòng)力計(jì)算采用振型疊加法，利用前述瑞利阻尼法計(jì)算所得的每一階振型的阻尼進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，動(dòng)力計(jì)算分析采用CFD，取一個(gè)荷載子步為0.005 s動(dòng)力時(shí)長(zhǎng)共30 s，按各個(gè)測(cè)點(diǎn)分塊，按2 m一個(gè)節(jié)間，根據(jù)時(shí)程遞進(jìn)，將脈動(dòng)風(fēng)壓時(shí)程曲線施加于整個(gè)聲屏障結(jié)構(gòu)上得到靜力響應(yīng)同一測(cè)點(diǎn)的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果b.b/a得到結(jié)構(gòu)動(dòng)力放大系數(shù).

3 計(jì)算結(jié)果

不同開(kāi)口形式的聲屏障結(jié)構(gòu)在立柱的位移、應(yīng)力、彎矩、軸向力、水平力的峰值位置基本一致，最大位移位置主要分布在近軌部分的立柱頂部；最大應(yīng)力、最大彎矩位置主要分布在近軌部分的立柱底部；立柱結(jié)構(gòu)最大軸力位置分布在遠(yuǎn)軌部分的立柱底部；立柱結(jié)構(gòu)最大水平力位置分布在近軌部分的立柱底部，以雙側(cè)頂部開(kāi)口間距2 m的雙側(cè)封閉聲屏障為例，靜力動(dòng)力計(jì)算結(jié)果示意如圖8、9.

圖8 雙側(cè)封閉頂部開(kāi)口間距2 m聲屏障立柱靜力響應(yīng)結(jié)果Fig. 8 Static responses of the double-side closed sound barrier columns with 2 m top opening spacing

所有聲屏障結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果匯總見(jiàn)表5.

表5 受力特征結(jié)果Tab. 5 Force characteristic results

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，對(duì)于雙側(cè)封閉式聲屏障，隨著頂部開(kāi)口間距的增大，響應(yīng)減小，對(duì)于開(kāi)口4、6 m內(nèi)力變化影響不大，開(kāi)口2 m的立柱動(dòng)應(yīng)力是開(kāi)口8 m的立柱動(dòng)應(yīng)力的1.15倍，放大系數(shù)相差0.12，對(duì)于單側(cè)封閉式聲屏障中，覆蓋的長(zhǎng)度增加，響應(yīng)增大，覆蓋長(zhǎng)度4～6 m后有較大變化，覆蓋8 m的立柱動(dòng)應(yīng)力是覆蓋2 m的立柱動(dòng)應(yīng)力的1.28倍，放大系數(shù)相差0.37.

圖9 雙側(cè)封閉式聲屏障頂部開(kāi)口間距2 m模型動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)曲線結(jié)果Fig. 9 Dynamic response time-histories of the double-side closed sound barrier model with 2 m top opening spacing

4 結(jié) 論

1） 立柱結(jié)構(gòu)最大位移位置分布在近軌部分的立柱頂部；立柱結(jié)構(gòu)最大彎矩位置分布在近軌部分的立柱底部；立柱結(jié)構(gòu)最大軸力位置分布在遠(yuǎn)軌部分的立柱底部；立柱結(jié)構(gòu)最大水平力位置分布在近軌部分的立柱底部；立柱結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力位置分布在近軌部分的立柱底部.

2） 雙側(cè)封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)中，立柱最大彎矩、最大應(yīng)力和放大系數(shù)隨著頂部開(kāi)口間距的增加有減小的趨勢(shì)；同理，單側(cè)封閉式聲屏障中，立柱最大彎矩、最大應(yīng)力和動(dòng)力放大系數(shù)隨著頂部覆蓋程長(zhǎng)度的增加有增大的趨勢(shì).

3） 雙側(cè)封閉式聲屏障中，最不利結(jié)構(gòu)為頂部開(kāi)口間距2 m的雙側(cè)封閉式聲屏障結(jié)構(gòu)，單側(cè)封閉式聲屏障中，最不利結(jié)構(gòu)為頂部覆蓋8 m的單側(cè)封閉式聲屏障結(jié)構(gòu). 兩種結(jié)構(gòu)形式不同，單側(cè)封閉式聲屏障內(nèi)力變化對(duì)頂部覆蓋長(zhǎng)度更為敏感，且單側(cè)封閉式引起的動(dòng)力響應(yīng)更大，可能是由于雙側(cè)封閉后，遠(yuǎn)軌側(cè)同樣受到了脈動(dòng)風(fēng)作用，近遠(yuǎn)軌側(cè)脈動(dòng)風(fēng)的作用疊加減小了內(nèi)力響應(yīng).