高速鐵路運營期橋梁聲屏障氣動效應(yīng)變化規(guī)律

樸愛玲 尹皓 伍向陽 劉蘭華 陳迎慶

（1.中國鐵道科學研究院研究生部，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

聲屏障可以降低高速鐵路噪聲，改善沿線聲環(huán)境質(zhì)量，是我國高速鐵路主要降噪措施[1]。列車高速通過聲屏障時，由于列車周圍空氣產(chǎn)生強烈擾動，線路兩側(cè)聲屏障構(gòu)件表面會產(chǎn)生動力脈沖波。長期氣動交變荷載作用對聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞壽命影響很大，可能引起疲勞損壞，影響其使用年限和行車安全[2]。因此，開展運營期聲屏障動力響應(yīng)變化分析對聲屏障設(shè)計和安全評估具有重要意義。

國內(nèi)外學者對聲屏障應(yīng)用及結(jié)構(gòu)安全開展了大量研究。文獻[3]給出了德國紐倫堡—英戈斯塔特高速鐵路上的聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試分析，結(jié)果表明聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)主要用風壓、位移、固有頻率等來表征；最大壓力和吸力出現(xiàn)在列車車頭經(jīng)過測點時，H型鋼立柱和單元板的位移、最大動變形均隨速度的增加而增大。文獻[4]通過數(shù)值模擬得到了聲屏障氣動力沿列車運行方向和高度方向的變化規(guī)律。文獻[5]基于有限體積法建立了列車通過設(shè)置聲屏障橋梁時的空氣動力學模型，應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)和大渦模擬法得出了不同列車通過橋梁時聲屏障脈動壓力極值、脈動壓力時程曲線等。文獻[6]通過現(xiàn)場試驗得出了我國高速鐵路聲屏障的應(yīng)用現(xiàn)狀及降噪效果。

中國鐵道科學研究院集團有限公司結(jié)合京津城際、京滬等高速鐵路進行了聯(lián)調(diào)聯(lián)試和綜合試驗，對金屬插板式、混凝土整體式聲屏障的結(jié)構(gòu)氣動力進行了測試研究，明確了在不同工況、線路條件、距離下，不同車型以不同速度通過不同類型聲屏障的結(jié)構(gòu)氣動力響應(yīng)，提出了我國高速鐵路氣動效應(yīng)的監(jiān)測及評價方法[7-8]。

聲屏障使用一段時間后，結(jié)構(gòu)部件可能出現(xiàn)疲勞，承載能力發(fā)生改變，而高速鐵路運營期聲屏障動力響應(yīng)的相關(guān)研究未見報道。為掌握運營期聲屏障動力響應(yīng)的變化規(guī)律，本文在一高速鐵路進行了現(xiàn)場試驗，并與運營初期開展對比分析。

1 現(xiàn)場測試

影響聲屏障結(jié)構(gòu)氣動力的主要因素包括聲屏障的截面形狀、與軌道中心線的距離及列車的運行速度、外形、長度等。聲屏障結(jié)構(gòu)氣動力主要評價指標包括風壓、位移、動應(yīng)力等。

在一條已運營近10年的高速鐵路上行線中選取一處橋梁金屬插板式聲屏障進行動力響應(yīng)測試。聲屏障立柱高LH=2 190 mm，單元板寬LA=1 960 mm；試驗列車與運營初期保持一致，均為CRH380AL動車組。對比分析動車組以時速300 km通過時聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)變化。

聲屏障動力響應(yīng)測試系統(tǒng)主要由傳感器、IMC集成測控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、GPS、無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)、無線遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和計算機等組成。各傳感器將測得的信息經(jīng)IMC集成測控數(shù)采系統(tǒng)放大、A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后記錄在計算機中進行處理；GPS用于確定標準時間；無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行遠距離控制；無線遠程傳輸系統(tǒng)對測試數(shù)據(jù)進行無線傳輸。測試內(nèi)容及測點位置（圖1）為：

1）氣動風壓。利用脈動風壓傳感器測試聲屏障內(nèi)外側(cè)風壓差，測量脈動風壓值。測點位于立柱根部高出軌面1.0 m的位置。

2）位移。利用加速度或速度傳感器和放大器，測得加速度或速度信號，通過二次或一次積分得到位移信號。測點位于立柱頂部、單元板中部。

3）動應(yīng)力。利用應(yīng)變片測量測點處的應(yīng)變，再通過材料的彈性系數(shù)進行相關(guān)計算得到結(jié)構(gòu)動應(yīng)力。測點位于立柱加強肋上部、單元板中部。

圖1 測點布置示意

2 試驗結(jié)果分析

2.1 運營期現(xiàn)狀試驗數(shù)據(jù)分析

動車組以300 km/h通過時，對聲屏障氣動風壓、單元板及立柱的位移、動應(yīng)力進行測試。共得出3組數(shù)據(jù)，選取各指標最值作為其試驗結(jié)果。動車組通過時聲屏障結(jié)構(gòu)氣動效應(yīng)隨時間的變化曲線見圖2。

圖2 聲屏障結(jié)構(gòu)氣動效應(yīng)隨時間的變化曲線

由圖2（a）可知：①動車組車頭通過測點時，風壓信號先正后負，說明其先對聲屏障形成垂直軌道向外的脈沖壓力，再形成垂直軌道向內(nèi)的脈沖吸力。②車尾通過時，風壓信號先負后正，說明其先對聲屏障形成垂直軌道向內(nèi)的脈沖吸力，再形成垂直軌道向外的脈沖壓力。③中間車廂通過時產(chǎn)生的脈動壓力相對不明顯。總體上，動車組以300 km/h通過時聲屏障結(jié)構(gòu)表面所承受氣動荷載顯著。

由圖2（b）可知：①單元板、立柱的位移時程曲線與風壓激勵變化規(guī)律一致，車頭通過時位移信號先正后負，車尾通過時位移信號先負后正。②列車風壓對聲屏障不同位置的變形影響程度不同，同一列車通過時單元板位移大于立柱位移。

由圖2（c）可知：①車頭通過時立柱應(yīng)力（應(yīng)變）信號先正后負，單元板應(yīng)力（應(yīng)變）信號先負后正。這是由于車頭通過時聲屏障先受到垂直軌道向外的壓力，再受垂直軌道向內(nèi)的拉力。立柱由于底部受到約束，應(yīng)變片先拉伸后壓縮，信號先正后負；單元板兩端由于受立柱約束，受到垂直軌道向外的壓力時應(yīng)變片先壓縮后拉伸，信號先負后正。②車尾通過時，與車頭通過情況相反，立柱應(yīng)力（應(yīng)變）信號先負后正，單元板應(yīng)力（應(yīng)變）信號先正后負。這是因為車尾通過時聲屏障先受垂直軌道向內(nèi)的拉力，后受垂直軌道向外的壓力。③列車風壓對聲屏障不同位置的變形影響程度不同，無論車頭還是車尾通過，立柱的應(yīng)力均大于單元板應(yīng)力。這是由于聲屏障立柱所受的約束強，與基礎(chǔ)連接強度高，而聲屏障單元板所受約束較弱，所受應(yīng)力小于立柱應(yīng)力。

根據(jù)鐵總建設(shè)〔2016〕57號《時速250公里、350公里高速鐵路橋梁插板式金屬聲屏障安裝圖》，列車氣動風壓不得超過0.9 kPa，聲屏障單元板位移不得超過LA/100，立柱位移不得超過LH/200。根據(jù)測試結(jié)果，各指標均低于限值。

2.2 與運營初期測試數(shù)據(jù)對比分析

在正式開通運營前的綜合試驗和聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，在線路上的同一位置進行了橋梁金屬聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)測試。由于測試完成后很快就進入運營初期階段，故選取該測試數(shù)據(jù)作為運營初期測試數(shù)據(jù)。

CRH380AL動車組以300 km/h通過測點工況下，與運營初期相比，聲屏障最大風壓未出現(xiàn)明顯變化，僅減小了0.83%；單元板、立柱最大位移均有所增加，分別增加了173.13%，13.51%，單元板位移變化顯著；單元板、立柱最大動應(yīng)力均有所減小，分別減小了27.00%，30.75%。可見，經(jīng)過長期運營后，在氣動風壓荷載基本一致的條件下，單元板和立柱最大位移增大而應(yīng)力減小，聲屏障受力部件及約束部件承載能力均出現(xiàn)一定程度的下降。

3 結(jié)論及建議

1）動車組以300 km/h通過時，聲屏障結(jié)構(gòu)表面所承受氣動荷載顯著。

2）車頭通過時，單元板、立柱位移信號先正后負，立柱應(yīng)力（應(yīng)變）信號先正后負，單元板應(yīng)力（應(yīng)變）信號先負后正。車尾通過時情況相反。

3）列車風壓對聲屏障不同位置的變形和應(yīng)力的影響程度不同。同一列車通過時單元板位移大于立柱位移，立柱的應(yīng)力大于單元板應(yīng)力。

4）高速鐵路運營10年后，聲屏障結(jié)構(gòu)各項動力性能指標均發(fā)生變化但仍低于限值。單元板和立柱最大應(yīng)力下降而最大位移增大，表明聲屏障受力部件和約束部件可能出現(xiàn)承載能力下降及老化問題。

本次研究僅限于10年運營期的對比，建議下一步開展更長期的聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)跟蹤測試研究，掌握聲屏障全壽命周期內(nèi)結(jié)構(gòu)動力性能變化情況。在后續(xù)聲屏障設(shè)計中，應(yīng)更關(guān)注運營期聲屏障疲勞劣化所帶來的影響，優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。