基于實測數據的CRH380列車風作用下風屏障風荷載多分辨率分析

鄒云峰，何旭輝，周佳，史康，黃永明

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基于實測數據的CRH380列車風作用下風屏障風荷載多分辨率分析

鄒云峰1, 2，何旭輝1, 2，周佳1, 2，史康1, 2，黃永明1, 2

(1. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙，410075；2. 高速鐵路建造技術國家工程實驗室，湖南 長沙，410075)

基于我國新建南寧—廣州(客貨共線，設計時速250 km/h)聯調聯試，對CRH380型動車組作用下的某大橋上風屏障風荷載進行實測，并采用基于小波變換的多分辨率分析方法對風壓特性進行分析。研究結果表明：風屏障表面平均風壓隨時間變化出現2個明顯的波動，具有明顯的非平穩特性；低頻部分風壓對風屏障起控制作用，0~2.44 Hz頻段能量占總能量的94%以上；列車運行速度對風壓能量在頻域內的分布情況影響不大，僅風壓極值隨運行速度的提高略有增加。

風屏障; 風荷載; 列車風; 多分辨率

隨著我國高速鐵路的迅速發展，如何保障高速列車在強風下的運行安全性和乘坐舒適性成為人們廣泛關注的焦點[1?2]。MATSCHKE等[3]認為提高強風下行車安全的措施有優化車輛氣動外形、運行管制和設置風屏障3種。然而，車輛氣動外形優化不適用于既有車輛，列車限速慢行或停止運行等管制措施會導致列車延誤，影響運送效率，也與高速列車全天候、快速、準點運行的優勢相違背。設置風屏障由于能為列車創造一個風速相對較低的風環境，是提高既有線路列車行車安全的有效措施。近年來，國內外學者對風屏障的防風效果進行了廣泛研究[4?11]，初步建立了防風效果與風屏障高度、透風率等參數之間的對應關系。需要指出的是，為保證防風效果以及受線路寬度的限制，風屏障通常距軌道較近。以我國高鐵廣泛采用的32 m跨簡支梁橋為例，風屏障距車輛近壁面僅1.75 m左右。由于風屏障高度通常在3.00 m左右，風屏障結構安全勢必會影響到行車安全。然而，列車運行會帶動其周圍空氣隨之運動(即產生列車風)，對列車附近的風屏障產生巨大沖擊作用(實測表明[12]，列車風引起的壓力波幅值可超過1 kPa，遠大于風屏障受到的其他荷載)，危及風屏障結構安全。事實上，國外已發現因高速列車導致聲屏障發生開裂、疲勞破壞等現象，并指出列車風導致的脈動力是此類線路附屬構件動力設計的控制因素[13]。由于列車風效應與列車運行速度平方呈正比，而我國高速列車運行速度遠遠超過當今世界高速列車240 km/h的平均運營速度和320 km/h的最高運營速度[14]，為此，我國亟需對高速列車風作用下風屏障風荷載進行研究，為風屏障的抗風設計提供輸入參數。由于列車風為復雜的三維非定常繞流，現有風洞試驗技術通常無法準確模擬，而現場實測周期長、難度大、成本高，目前，有關風屏障在列車風作用下的風荷載研究大多是通過數值模擬進行的[4, 15]，但限于當前計算機計算精度，計算結果(尤其是風荷載脈動特性)可靠性有待于進一步驗證。為此，本文作者基于我國某新建高速鐵路聯調聯試，對不同速度運行的CRH380A型動車組作用下的某大橋上風屏障風荷載進行實測，利用基于小波變換的多分辨率分析方法對風屏障風壓特性進行分析，以便為風屏障抗風動力設計提供依據，為此類數值模擬及風洞試驗結果的驗證提供參考。

1 現場測試

1.1 工程背景

我國某新建高速鐵路為設計時速250 km/h的雙線電氣化國家Ⅰ級鐵路，于2014?11?08開始聯調聯試(所用試驗列車為CRH380A型動車組，每列8節編組)，于2014?12?26正式開通運營。由于風屏障通常設置在橋梁上，因此，在該高速鐵路某大橋上安裝風屏障模型，對聯調聯試期間試驗列車風作用下風屏障風荷載進行測試。依托大橋進行試驗。

圖1所示為主跨450 m的中承式鋼箱拱橋，矢跨比為1/4，橋面距拱頂和設計水位分別約為74 m和 50 m，主跨吊桿間距為12 m。為盡量減少拱肋等大橋附屬結構對測試結果的干擾，以及考慮到線路和行車的對稱性，僅在大橋中跨上游一側安裝模型。

1.2 模型及測點布置

對于非風沙地區，通常采用透風式風屏障[16]，即風屏障上開有均勻分布的孔洞以實現一定的透風率(孔洞面積占風屏障總面積的比例)，因此，影響風屏障風荷載的因素除風參數外還有風屏障高度、透風率及開孔形狀等。由于透風率、高度等風屏障參數通常需要根據具體環境優化，不同環境下風屏障參數取值略有不同。為保證測試結果的普遍性，本文風屏障透風率為0，風屏障高度參考現有研究成果建議值[16]，即距軌面高度約為3.0 m。為消除端部效應，風屏障模型布置為“補償段(長3.0 m)+測試段(長0.2 m)+補償段(長3.0 m)”，其中補償段采用2.0 cm厚優質木板，風荷載測試段則為有機玻璃夾層模型。根據現場測試情況，風屏障安裝位置距列車近壁面約1.8 m。模型在主梁上安裝位置示意圖如圖2(a)所示。風屏障風荷載采用測壓方法得到，共布置16個風壓測點，其中靠列車側布設10個測點(測點間距約為30.0 cm)，另一側6個測點，具體布置情況及其編號如圖2(b)所示，其中9號和15號測點高度與軌面標高相當。

1.3 數據采集

風屏障表面風壓經PVC測壓管傳至壓力掃描閥(本文采用美國Scannivalve公司的高頻壓力掃描閥，采樣頻率為625 Hz)后，可由人工控制成熟的數據采集系統實現數據的采集和保存。但脈動風壓在由模型表面傳遞至壓力掃描閥這一過程中會發生畸變(幅值發生變化、相位滯后)[17]，為保證測試結果精度，應盡可能減短傳壓管路長度，即要求數據采集系統應設在模型附近。然而，高速鐵路運行管理規定列車運行時線上不得有任何人作業，即要求列車運行時不得有人在模型附近控制數據采集系統。若在天窗時間將數據采集參數設置好開始持續采樣，直至24 h后的下一個天窗時間，則該方法既由于保存大量不需要的數據而浪費計算機資源，又由于長時間采樣，溫度升高、零漂等會影響測試精度，也無法及時對采集參數進行調整。此外，由于不能實時查看測試結果，無法對測試結果的準確性作出及時判斷。現有數據采集方法不能滿足鐵路上現場測試需求，為此，開發一套遠程控制方法對橋上數據采集系統進行控制，實現數據的采集和保存，并通過無線傳輸至PC端，應用編制的專用數據處理程序，由風壓數據獲得風屏障風荷載，對數據結果可靠性進行判斷，進而對采集參數實時調整[18]。該方法由于現場無需人工值守，可滿足高速鐵路運行管理規定要求。

數據單位：mm。

(a) 風屏障模型安裝位置示意圖；(b) 測壓點位置及編號

1.4 測試工況

測試工況取決于聯調聯試計劃。聯調聯試時，試驗列車在180~270 km/h范圍內以10 km/h為步長進行逐級提速，最高試驗速度達275 km/h。由于只有1列試驗列車，整個試驗過程中僅有單線行車，但同一速度、線路進行多次行車。本次試驗共進行約80個測試工況。由于風屏障受到的風荷載以列車靠近風屏障側(上游線路)運行時較大，因此，本文僅對列車在上游線路運行時的結果進行分析。

1.5 其他測試要點

由于測試采用的Scannivalve壓力掃描閥為壓差傳感器，為保證測試精度，需要為之提供1個穩定可靠的參考壓力。然而，受列車風及自然風隨時變化的影響，現場測試環境中的大氣壓力不可能像室內試驗那樣維持穩定狀態。為此，將一密封玻璃瓶內空氣壓力(與環境壓力相同)作為參考壓，由于玻璃瓶是密封的，瓶內空氣壓力受外界環境變化影響較小。為減小環境溫度變化對瓶內壓力的影響，將該玻璃瓶浸泡在盛有冰水混合物的保溫桶內[19]。

直接測試得到的風屏障風荷載通常是列車風與自然風共同作用的結果，為分析列車運行速度與風屏障風荷載之間的關系，需要準確確定測試時列車運行速度和自然風速。為此，在橋面跨中上、下游兩側各裝1臺風速儀監測自然風風速。盡管聯調聯試計劃對試驗列車運行速度進行大概規定，但試驗列車需根據運行狀態進行調整，因此，在大橋兩端(主拱肋)安裝視頻監控系統，根據兩視頻監控間的距離及列車過橋時間可較精確確定列車運行速度。同時，該系統也可為數據采集的開始和結束時間提供參考。

另外，由于現場測試時的傳壓管路長度較常規室內試驗時的長，應加強測壓管的漏氣和氣流順暢性檢驗，尤其注意管內是否有水汽。

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2 數據處理方法

2.1 畸變脈動風壓反演修正

在測壓試驗中，結構物表面的風壓通常由一定長度的測壓管道傳輸至壓力傳感器，在這一傳輸過程中，傳感器測得的脈動壓力信號實際上是模型表面真實風壓發生畸變(幅值變化、相位滯后等)后的信號。由于脈動壓力畸變效應與管路長度密切相關，而實測時采用的管路較長，為保證脈動風壓測試結果的準確性，采用反演修正方法對實測信號進行修正，其基本原理如下[17]：

式中：()為結構物表面的真實風壓()的傅里葉變換；()為壓力傳感器測得的壓力信號()的傅里葉變換；()為管路系統的頻響函數，可通過試驗或理論計算得到。

由式(1)可知，對(ω)進行傅里葉逆變換便可還原真實壓力信號的時間序列。由于頻響函數(ω)為復數，包含了幅值和相位信息，因此，反演修正不僅能夠對幅值進行修正，而且能對相位進行修正。

2.2 小波分析

圖3所示為測得典型風壓曲線與現有結果對比，可看出本文測試結果與已有研究結果基本一致，表明本文測試結果可靠。從圖3還可以看出：列車風導致風屏障表面的風荷載相當于脈沖效應，風荷載時程曲線出現2個明顯波動(呈“正—負—負—正”的變化規律)，具有明顯的瞬態和時變特性，而小波變換是分析此類非平穩信號的有效方法。

(a) 本文測試結果；(b) 風屏障阻力系數數值模擬結果[4]；(c) 聲屏障風壓實測結果[15]

時，稱()為1個基本小波或母小波。將母小波函數()經伸縮和平移后可得到1個小波序列：

式中：為伸縮因子；為平移因子。

對于任意的函數()∈2()，有將連續小波變換定義為與ψ()的內積，即

在實際應用中，常常對尺度因子和平移因子進行離散化來提高計算效率，工程上，一般取=2，=2k，此時稱為離散小波變換，其重構公式為

(a) 低頻壓力分量；(b) 高頻壓力分量

圖4 各分解級的壓力分量

Fig. 4 Pressure components of different decomposition layers

3 測試結果與分析

圖4所示為風壓時程經過分解重構后，部分代表性分解級的壓力分量。從圖4可以看出：風壓原始信號的分解過程是不斷分解低頻的過程，每一次分解分別代表不同頻段上的風壓分量；當分解級數較低時，由于頻率較高，此時包含大量的風壓脈動信息，尤其是高頻部分重構曲線波動迅速，但高頻部分壓力基本在0 Pa附近波動，表明風壓時程在這個頻段范圍內分量微小；隨著分解級數增大，頻段范圍不斷減小，風壓脈動信息逐漸消失，壓力信號光滑度增加，相對低頻部分風壓分量逐漸減小，而相對高頻部分風壓分量緩慢增大；當分解級達到8級時，高頻風壓極值發生突變，此時低頻段為8[0，1.22] Hz，高頻段為8[1.22，2.44] Hz，兩部分風壓分量都較大，表明此時已經達到風壓分量頻率分布的上限，即頻率上限為2.44 Hz。為進一步探究分量分布頻率的下限，繼續進行分解，直到分解等級達到10級，低頻段10[0，0.31] Hz風壓基本穩定在0 Pa附近，而高頻段10[0.31，0.62] Hz風壓也急劇降低，這說明風壓分量已經達到頻率下限，此時頻率為0.31Hz。此外，從圖4(a)中每一分解層上的低頻部分可以看出平均風壓隨時間變化明顯。這是因為在列車頭部達到測點前一段時間，壓力開始增加；隨著列車鼻尖與測點接近，壓力迅速增大，并在鼻尖抵達測點時達到正壓極值；當列車通過測點時，壓力瞬間下降至負壓極值，但隨著列車通過，負壓立即上升并趨于平緩；當尾車鼻尖接近測點時，壓力迅速下降至負壓極值，但尾車通過測點后，壓力瞬間增大到正壓極值，隨后壓力下降，出現略微波動后信號逐漸消失，正、負壓極值間的時間間隔約為0.2 s。

瞬態壓力波風壓極值是衡量壓力分量的重要指標。圖5所示為風壓時程各分解級低頻部分與高頻部分風壓極值柱狀圖。結合圖5(a)中前7個低頻部分分解級壓力極值與圖5(b)中相同分解級的高頻信息變化情況可以看出：風壓分布頻段絕大部分處于低頻，但第8個分解級低頻與高頻風壓極值均較大，尤其是高頻風壓極值增大了485%，這說明風壓信息大部分處在這個頻段，且一直持續到第10級；低頻風壓極值驟減70%，表明以后的分解級中已經包含非常少的風壓信息。因此，風壓信息大都處于低頻段[0，2.44] Hz，尤其處在頻率[0.31，2.44] Hz段，同時也表明列車風作用下的瞬態壓力波受低頻段風壓時程變化的影響占主導作用，即列車風在風屏障表面產生的壓力極值受平均風速變化的影響較大，壓力時程的非平穩現象主要是由平均風隨時間變化所引起的脈動效應，而并非真正的脈動風所致。

(a) 低頻部分；(b) 高頻部分

對不同運行速度下9號測點風壓時程進行分解重構，得到不同尺度下風壓極值比較如圖6所示。由圖6可知：各列車速度下的風壓分量在不同尺度下的頻段分布基本一致，分界點均處于8，9和10分解級，即風壓分量絕大部分均處于低頻段[0.31，2.44] Hz。這說明列車行駛速度并不能改變列車風的風場特性和風壓分量在頻域范圍內的分布情況，改變的僅僅是風壓極值，平均風隨時間變化的影響仍然主導著風壓的時程信息。

圖7所示為9號測點風壓典型功率譜密度。從圖7可以看出：功率譜密度第1~6峰值分別出現在0.61，0.92，1.37，1.68，2.14和2.44 Hz，此后功率譜密度急劇下降，且與上一個峰值相差1個數量級，并趨近于0，說明壓力波能量主要分布在低頻段[0，2.44] Hz。圖8所示為各測試工況下9號測點脈動風壓2.44 Hz以下的低頻能量占總能量的百分比。從圖8可以看出：低頻能量密度隨列車速度的提高略有增加，且不同速度列車風下作用在風屏障表面的低頻能量占總能量的比例均超過94%，進一步從能量的角度驗證了風壓頻率分布情況。

(a) 低頻部分；(b) 高頻部分

圖7 風壓時程的功率譜密度

圖8 低頻能量占總能量的比例

4 結論

1) 受列車風的脈沖影響，風屏障表面平均風壓隨時間變化，在頭車和尾車經過時分別出現“正壓極值—負壓極值”和“負壓極值—正壓極值”波動，且正、負壓極值間的時間間隔約為0.2 s。

2) 列車風作用下風屏障表面脈動風壓能量主要分布在低頻段0~2.44 Hz，該頻段的能量占總能量比例均超過94%，風壓低頻部分對風屏障的影響起控制 作用。

3) 風屏障風壓時程的非平穩現象主要是由列車風平均速度隨時間變化所引起的脈動效應，而并非真正的脈動風所致。列車運行速度不改變列車風的風場特性和風屏障風壓分量在頻域范圍內的分布情況，僅風壓極值隨運行速度的提高略有增加。

4) 基于小波變換的多分辨率分析方法適用于研究列車風及其導致風荷載的瞬態特性和脈動特性，該方法在鐵路上的工程應用需進一步研究。

[1] 夏禾, 張楠, 郭薇薇, 等. 車橋耦合振動工程[M]. 北京: 科學出版社, 2014: 6?10. XIA He, ZHANG Nan, GUO Weiwei, et al. Coupling vibrations of train-bridge system[M]. Beijing: Science Press, 2014: 6?10.

[2] 何旭輝, 鄒云峰, 周佳, 等. 運行車輛風環境參數對其氣動特性與臨界風速的影響[J]. 鐵道學報, 2015, 37(5): 1?6. HE Xuhui, ZOU Yunfeng, ZHOU Jia, et al. Effect of wind environment parameters on aerodynamic characteristics and critical wind velocity of vehicle operation[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(5): 1?6.

[3] MATSCHKE G, SCHULTE W B. Measures and strategies to minimize the effect of strong cross winds on high speed trains[C]//The Proceedings of the World Congress of Railway Research. Milan: The Italian Organisming Committee, 1997: 178?255.

[4] 向活躍. 高速鐵路風屏障防風效果及其自身風荷載研究[D]. 成都: 西南交通大學土木工程學院, 2013: 15?18. XIANG Huoyue. Protection effect of wind barrier on high speed railway and its wind loads[D]. Chengdou: Southwest Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2013: 15?18.

[5] 姜翠香, 梁習鋒.擋風墻高度和設置位置對車輛氣動性能的影響[J]. 中國鐵道科學, 2006, 27(2): 66?70. JIANG Cuixiang, LIANG Xifeng. Effect of the vehicle aerodynamic performance caused by the height and position of wind-break wall[J]. China Railway Science, 2006, 27(2): 66?70.

[6] COLEMAN S A, BAKER C J. The reduction of accident risk for high sided road vehicles in cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, 43: 2685?2695.

[7] KWON S D, KIM D H, LEE S H, et al. Design criteria of wind barriers for traffic. Part1: wind barrier performance[J]. Wind and Structures, 2011, 14(1): 55?70.

[8] KOZMAR H, PROCINO L, BORSANI A, et al. Sheltering efficiency of wind barriers on bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012, 108: 274?284.

[9] 何旭輝, 鄒云峰, 杜風宇. 風屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理分析[J]. 振動與沖擊, 2015, 34(3): 66?71. HE Xuhui, ZOU Yunfeng, DU Fengyu. Mechanism analysis of wind barrier’s effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(3): 66?71.

[10] HE Xuhui, ZOU Yunfeng, WANG Hanteng, et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 135: 22?33.

[11] 劉慶寬. 強風環境下列車運行安全保障體系的初步研究[J]. 工程力學, 2010, 27(S1): 305?310. LIU Qingkuan. Study on the system to ensure train operation safety under strong wind[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(S1): 305?310.

[12] 田紅旗. 列車空氣動力學[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2007: 6?8. TIAN Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007: 6?8.

[13] 焦長洲, 高波, 王廣地. 聲屏障結構的列車脈動風致振動分析[J]. 西南交通大學學報, 2007, 42(5): 531?536. JIAO Changzhou, GAO Bo, WANG Guangdi. Vibration analysis of noise barrier structures subjected to train induced impulsive wind pressure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2007, 42(5): 531?536.

[14] 張曙光. 高速列車設計方法研究[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2009: 1?10. ZHANG Shuguang. Research on design method of high speed train[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2009: 1?10.

[15] 龍麗平, 趙麗濱, 劉立東. 列車致聲屏障結構的空氣脈動力研究[J]. 工程力學, 2010, 27(3): 246?250. LONG Liping, ZHAO Libin, LIU Lidong. Research on the air turbulence force loaded on noise barrier caused by train[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(3): 246?250.

[16] 張健. 鐵路防風柵抗風性能風洞試驗研究與分析[J]. 鐵道科學與工程學報, 2007, 4(1): 13?17. ZHANG Jian. Wind-tunnel test investigations and analysis on wind break performances of wind fences on railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(1): 13?17.

[17] 鄒云峰. 巨型冷卻塔群的風效應及其風洞試驗方法研究[D]. 長沙: 湖南大學土木工程學院, 2013: 29?34. ZOU Yunfeng. Study on wind effects and wind-tunnel test method for super large cooling towers group[D]. Changsha: Hunan University. College of Civil Engineering, 2013: 29?34.

[18] 何旭輝, 周佳, 鄒云峰, 等. 一種高速鐵路風屏障風荷載現場測試機構: 中國, CN201520215126.0[P]. 2015?07?15. HE Xuhui, ZHOU Jia, ZOU Yunfeng, et al. A device of testing wind loads on wind barrier of high speed railway: China, CN201520215126.0[P]. 2015?07?15.

[19] 梁習鋒. 實車表面空氣壓力分布試驗技術研究[J]. 鐵道學報, 2002, 24(3): 95?98. LIANG Xifeng. Research on test technique to measure air pressure distribution on external surface of real train[J]. Journal of the China Railway Society, 2002, 24(3): 95?98.

[20] 張建, 楊娜, 鄭修凱, 等. 高速列車經過時跨線天橋表面風壓小波分析[J]. 振動與沖擊, 2015, 34(4): 53?58. ZHANG Jian, YANG Na, ZHENG Xiukai, et al. Wavelet analysis for surface wind pressure of an over-line bridge during high-speed train passage[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(4): 53?58.

(編輯 陳燦華)

Multi-resolution analysis of wind loads characteristics on wind barrier caused by CRH380 train based on field measurement data

ZOU Yunfeng1, 2, HE Xuhui1, 2, ZHOU Jia1, 2, SHI Kang1, 2, HUANG Yongming1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

The wind loads on wind barrier were measured by wind pressure test during the railway combined test of the Nanning—Guangzhou Railway (a mixture of passenger and freight at speeds up to 250 km/h). Then multi-resolution analysis based on wavelet transform was applied to analyze the field measurement to reveal the characteristics of wind pressure. The results show that averaged wind pressure exhibits two significant fluctuations over time, which means the pressure has obvious non-stationary characteristics. Furthermore, the energy in 0 to 2.44 Hz frequency bands accounts for 94% of total energy, which indicates wind pressure components in lower frequency bands play a dominant role in the wind barrier design. In addition, the train operating speed has negligible effect on the energy distribution of wind pressure in frequency domain, while extreme pressure increases slightly with the increase of running speed.

wind barrier; wind loads; train induced wind; multi-resolution

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.020

U271 91；U216 9

A

1672?7207(2018)02?0407?08

2017?02?10；

2017?03?27

國家自然科學基金資助項目(51508580，U1534206)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目(2015G002-C)；中國博士后科學基金資助項目(2014M562133)(Projects(51508580, U1534206) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015G002-C) supported by the China Railway Corporation; Project (2014M562133) supported by the Chinese Postdoctoral Science Foundation)

何旭輝，博士，從事橋梁與抗風評研究；E-mail：xuhuihe@csu.edu.cn