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(jī)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(shí),也帶來了嚴(yán)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(shí)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(shí)一般車速都很高,聲屏障單元板會(huì)受到高速列車通過時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)烈的氣動(dòng)載荷的反復(fù)沖擊,給聲屏障的可靠性帶來了嚴(yán)峻考驗(yàn),也給鐵路運(yùn)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(dòng)特性進(jìn)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(dòng)阻力進(jìn)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(jìn)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(jì)的封閉式聲屏障設(shè)計(jì)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn),但高速列車通過時(shí)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(jìn)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(jìn)行了比較和評估,通過研究認(rèn)為分析計(jì)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(dòng)載荷特性進(jìn)行了數(shù)值模擬或試驗(yàn)研究,獲得了高速列車不同車速時(shí)普通聲屏障和減載式聲屏障的氣動(dòng)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(jìn)以及降噪和氣動(dòng)特性等方面,而從安全方面考慮對聲屏障氣動(dòng)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(dòng)載荷沖擊能力評估的需要,本文作者進(jìn)行了高速鐵路聲屏障單元板氣動(dòng)疲勞載荷模型研究,建立了針對兩種氣動(dòng)疲勞載荷施加方案并同時(shí)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(dòng)疲勞載荷模型.為高速鐵路聲屏障單元板氣動(dòng)疲勞的試驗(yàn)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(qiáng)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(dòng)疲勞載荷模型建立的高速鐵路聲屏障氣動(dòng)載荷測試試驗(yàn)是在大西高鐵客運(yùn)專線上進(jìn)行的.大西高鐵客運(yùn)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(dòng)疲勞載荷模型主要就是針對這3種不同聲屏障的氣動(dòng)疲勞載荷模型.對大西高鐵客運(yùn)專線橋梁段和路基段三個(gè)不同測試段的3種不同高度聲屏障的氣動(dòng)載荷進(jìn)行了現(xiàn)場測試.測試現(xiàn)場照片如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)現(xiàn)場照片

三個(gè)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(dòng)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(dòng)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(gè)壓力測點(diǎn),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(diǎn)布置

聲屏障氣動(dòng)載荷現(xiàn)場測試時(shí),高速列車的車型為CRH380A型電力動(dòng)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(shí),路基段2上H型鋼立柱底部壓力傳感器測得的氣動(dòng)壓力的變化歷程.

圖4 氣動(dòng)壓力變化歷程

從圖4可知,高速列車頭部通過聲屏障時(shí),聲屏障表面的氣動(dòng)壓力經(jīng)歷一個(gè)先正后負(fù)的變化歷程(頭波),而高速列車尾部通過聲屏障時(shí),聲屏障表面的氣動(dòng)壓力則經(jīng)歷一個(gè)先負(fù)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(biāo)單元板的確定

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

根據(jù)圖4,高速列車通過聲屏障時(shí),聲屏障表面受到的氣動(dòng)載荷主要反映在氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)峰值壓力作為聲屏障目標(biāo)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(shí),聲屏障底部單元板受到的氣動(dòng)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(shí)聲屏障表面氣動(dòng)壓力之間的關(guān)系,在圖5(a)中將不同車速時(shí)聲屏障表面的氣動(dòng)壓力曲線錯(cuò)開一定時(shí)間表示.高速列車車速為325 km/h時(shí),三個(gè)不同測試段聲屏障底部單元板表面受到的氣動(dòng)壓力的變化歷程如圖5(b)所示.

圖5 聲屏障氣動(dòng)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(dòng)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(qiáng),因而聲屏障表面受到的氣動(dòng)峰值壓力越大.聲屏障表面氣動(dòng)峰值壓力變化頻率主要與列車頭部通過聲屏障的時(shí)間有關(guān),列車車速改變對列車頭部通過聲屏障的時(shí)間影響較小,因此車速對聲屏障表面氣動(dòng)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(dòng)峰值壓力不同,說明聲屏障表面受到的氣動(dòng)峰值壓力不僅與列車車速有關(guān),而且也會(huì)受到聲屏障高度以及聲屏障/列車間距的影響.

兩個(gè)不同路基段聲屏障底部單元板表面受到的氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(qiáng),聲屏障表面受到的氣動(dòng)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(dòng)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(shí),聲屏障高度越高,聲屏障表面受到的氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dá)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(dòng)峰值壓力就越大.

聲屏障單元板表面受到的氣動(dòng)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(shí),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(dòng)壓力的變化歷程如圖7所示.

圖7 不同位置聲屏障氣動(dòng)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(dòng)峰值壓力最大,中間單元板受到的氣動(dòng)峰值壓力次之,頂部單元板受到的氣動(dòng)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(dòng),故聲屏障底部單元板受到的氣動(dòng)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(dòng)能力差,中間單元板和頂部單元板受到的氣動(dòng)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(yùn)專線三個(gè)不同測試段聲屏障受到的氣動(dòng)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(dòng)峰值壓力最大.為進(jìn)一步保證氣動(dòng)載荷模型的準(zhǔn)確性,以聲屏障底部單元板作為高速鐵路聲屏障氣動(dòng)載荷模型的目標(biāo)單元板.

3 聲屏障單元板氣動(dòng)疲勞載荷模型

3.1 聲屏障目標(biāo)單元板氣動(dòng)載荷模型

根據(jù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),得到目標(biāo)單元板表面受到的氣動(dòng)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(biāo)單元板表面氣動(dòng)峰值壓力與列車車速的關(guān)系采用二次多項(xiàng)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(biāo)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(biāo)單元板氣動(dòng)載荷與列車車速的關(guān)系

從圖8中可知,目標(biāo)單元板受到的氣動(dòng)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(biāo)單元板氣動(dòng)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(dòng)載荷模型的目標(biāo)單元板,其氣動(dòng)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(biāo)單元板氣動(dòng)載荷模型為

(1)

式中:pa為目標(biāo)單元板氣動(dòng)峰值壓力;fa為目標(biāo)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(dòng)疲勞載荷施加模型

大西高鐵客運(yùn)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(jìn)行聲屏障單元板氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí),氣動(dòng)疲勞動(dòng)態(tài)載荷施加在單元板的形心上.可以有兩種氣動(dòng)疲勞動(dòng)態(tài)載荷施加方案.

施加方案1:氣動(dòng)疲勞動(dòng)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(dòng)態(tài)載荷施加到最大值后釋放,完成一個(gè)周期的動(dòng)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(dòng)疲勞動(dòng)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(dòng)態(tài)載荷施加到最大值后釋放,同時(shí)開始在單元板另一側(cè)以相同頻率施加相同動(dòng)態(tài)載荷并釋放,完成一個(gè)周期的動(dòng)態(tài)載荷施加.

高速鐵路聲屏障在受到高速列車通過時(shí)產(chǎn)生的氣流沖擊作用的同時(shí),還有可能會(huì)同時(shí)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(dòng)疲勞載荷模型時(shí),同時(shí)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(shí)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(yùn)專線3種不同高度,不同間距聲屏障目標(biāo)單元板的氣動(dòng)疲勞載荷模型可以表示為

F=(pa+pw)A

(3)

(4)

式中:F為動(dòng)態(tài)載荷;f為動(dòng)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(dòng)疲勞載荷模型得到了進(jìn)行聲屏障單元板氣動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)施加在單元板上的動(dòng)態(tài)載荷以及動(dòng)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(yàn)時(shí)模擬的車速通過氣動(dòng)疲勞載荷模型確定應(yīng)該施加在聲屏障單元板上的動(dòng)態(tài)疲勞載荷,包括動(dòng)態(tài)載荷幅值和動(dòng)態(tài)載荷變化頻率.

通過應(yīng)用聲屏障單元板氣動(dòng)疲勞載荷模型得到了不同車速時(shí)的氣動(dòng)疲勞載荷，如表3所示.由表3可知,列車在實(shí)際運(yùn)行過程中還應(yīng)關(guān)注橫風(fēng)變化情況,實(shí)時(shí)監(jiān)測橫風(fēng)大小,在低橫風(fēng)下通行列車,達(dá)到減小聲屏障氣動(dòng)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(shí)氣動(dòng)疲勞載荷

4 結(jié)論

1)高速列車通過聲屏障時(shí),聲屏障表面會(huì)受到瞬態(tài)正負(fù)交替脈動(dòng)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(dòng)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(dòng)峰值壓力最大.

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