高速鐵路全封閉聲屏障列車風壓特性試驗研究

陳迎慶，柳潤東，劉蘭華

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 節能環保勞衛研究所，北京 100081）

0 引言

隨著高速鐵路快速發展，對鐵路沿線聲環境水平要求逐漸提高，除既有直立式聲屏障作為噪聲治理措施實施外，全封閉聲屏障作為一種新型聲屏障型式在深茂鐵路小鳥天堂區段、京哈高鐵北京朝陽站—五環路段[1]、京雄城際鐵路霸州市北落店村段已實施建成。胥紅敏等[2]對高速列車在大風作用下運行的安全性已有所研究，同樣是受風的影響，動車組高速通過全封閉聲屏障區段時，列車風引起的聲屏障單元板及立柱振動響應不同于直立式金屬聲屏障。目前已有學者對聲屏障表面列車風壓開展了大量研究，鄧躒等[3]通過CFD仿真分析得到380 km/h高速列車脈動風荷載，艾輝林等[4]研究得到高速列車導致聲屏障風壓變化和分布特征，何佳俊等[5]通過CFD數值模擬對列車通過全封閉聲屏障過程中形成壓力波的特征進行了研究，龍麗平等[6]研究了列車運行過程中的氣動力特性，還給出了氣動力荷載用于指導聲屏障結構設計，劉磊等[7]通過仿真計算得到列車行駛產生的活塞風壓，何旭輝等[8]通過流體力學仿真軟件數值模擬獲得全封閉聲屏障壓力極值和氣壓荷載分布規律。上述研究成果多基于仿真分析，本次研究對全封閉聲屏障表面列車風壓現場試驗測試數據進行分析研究，得到動車組高速通過全封閉聲屏障區段時脈動風壓時程特性及分布特征。

1 測試概況

試驗通過選用多通道數據采集系統，傳感器選用大量程風壓傳感器滿足測試要求，采集動車組在各種工況下運行的脈動風壓時域信號，采集的數據處理后得到風壓結果。參考全封閉聲屏障設計文件內容，試驗測試選取的全封閉聲屏障全長約840 m，橋梁高度約14 m，并分別在全封閉聲屏障入口、1/8跨、1/4跨、3/8跨、整體跨中位置5個斷面布設風壓傳感器，在個別斷面布設不同高度位置傳感器，在跨中斷面均對稱布設P-1、P-2、P-3、P-4測點及頂部P-5測點，1/4跨斷面對稱布設P-1、P-3測點，1/8跨、3/8跨斷面布設P-1測點。P-1、P-2測點位于上行線側，P-3、P-4測點位于下行線側，P-1與P-3測點均位于軌面以上1 m處，P-2、P-4測點均位于軌面以上2 m處，P-5測點位于聲屏障拱頂正中位置。入口、1/4跨、跨中斷面測試動車組雙線運行情況下工況，1/8跨、3/8跨斷面測試動車組在下行線側運行工況。測試單列動車組進入、駛出全封閉聲屏障及2列動車組交會通過全封閉聲屏障時各斷面脈動風壓變化情況。單列動車組選取速度級為300、350 km/h；交會動車組選取速度級300、330、350 km/h。測試斷面分布見圖1，風壓測點位置見圖2。

圖1 測試斷面分布

圖2 風壓測點位置圖

2 試驗測試結果及分析

2.1 不同高度位置影響分析

動車組以300、350 km/h速度單列通過及以300、330、350 km/h交會通過全封閉聲屏障跨中斷面時，各風壓測點測試結果見圖3。

圖3 跨中斷面風壓時域信號

由圖3可知，單列動車組通過全封閉聲屏障跨中斷面時，聲屏障受車作用產生1個先正后負的壓力波，且正壓值大于負壓值，動車組通過后，同樣受尾車作用產生1個先負后正的壓力波，且負壓值大于正壓值，車尾通過產生的風壓峰值小于車頭風壓峰值。動車組運行側P-3測點風壓值大于同側P-4測點，即動車組車頭鼻錐等高位置處風壓值最大，兩側風壓結果呈（P-3）>（P-4）>（P-1）>（P-5）規律，氣流在動車組周圍擾動引起車頭鼻錐等高位置的同側聲屏障表面及對側聲屏障風壓值增大，然后氣流沿聲屏障內部密封結構流動，最大正壓1 000 Pa，最大負壓接近900 Pa。

由于動車組車頂距離全封閉聲屏障拱頂垂直高度約5 m，并且拱頂采取了間歇性開口設計，動車組運行時，風壓結果呈（P-3）>（P-5）>（P-4）規律。隨著速度的增加，拱頂測點風壓值逐漸增大，車頭通過時出現先正后負的壓力波，負壓值較小，在車尾通過后又出現先負后正的壓力波，正壓值較小，間歇性開口影響了氣壓波的壓縮及釋放，這一規律與聲屏障側壁測點的風壓測試結果不同。

動車組交會通過全封閉聲屏障區段時，由于動車組進行等速交會即將交會時，P-1、P-2、P-3、P-4測點風壓與單列動車組通過時響應一致，呈現先正后負的壓力波；列車通過時域信號可以看出，車頭通過測點后車體交會時風壓值趨于零，交會通過后，交會時空氣局部被壓縮，壓縮的氣流被迅速釋放，位于全封閉聲屏障側壁風壓測點負壓值最大。交會通過時聲屏障側壁脈動風壓值較單列動車組工況增加約30%。

2.2 不同縱深位置影響

動車組運行通過全封閉聲屏障區段時，在駛入或者駛出聲屏障時，全封閉聲屏障內沿運行方向風壓分布特性不同，此處按照駛入、駛出聲屏障2種工況分析不同縱深位置處風壓分布特點。各風壓測點測試結果見圖4。

圖4 不同縱深處風壓時程曲線

動車組駛入全封閉聲屏障區段時，入口區域空間受到急劇壓縮，風壓水平變化明顯，隨著動車組駛入全封閉聲屏障，距離洞口1/8處風壓值降低，1/4處風壓值小于跨中斷面，以300、350 km/h速度通過聲屏障區段時，風壓變化規律一致；而動車組駛出全封閉聲屏障區段時，與駛入時規律相反，靠近中部的跨中及1/4處風壓值較大，1/8處風壓值降低，入口附近空間瞬間放大，聲屏障內側風壓值逐漸增大。

2.3 與直立式聲屏障測試結果比較分析

動車組以350 km/h速度通過全封閉聲屏障、2.3 m高橋梁插板式金屬聲屏障時，與車頭等高位置的聲屏障立柱測點的風壓測試時程曲線見圖5。

由圖5可知，位于不同型式聲屏障的同等高度風壓測點，呈“正-負-負-正”規律。由于結構型式不同，全封閉聲屏障區段車頭及車尾的風壓值大于直立式聲屏障區段測試結果約30%，全封閉結構型式對氣流擾動影響較明顯。

3 結論

（1）單列動車組通過全封閉聲屏障區段時，列車風壓呈“正-負-負-正”交變特性，車尾通過產生的風壓峰值小于車頭風壓峰值；

（2）動車組交會通過全封閉聲屏障區段時，聲屏障側壁脈動風壓值較單列動車組工況增加約30%；

（3）全封閉聲屏障不同縱深位置處風壓分布有一定差異，入口處正壓峰值最大，1/4跨處負壓峰值最大。