高速铁路声屏障单元板气动疲劳载荷模型

赵允刚,李啸宇,宁 智,吕 明

(1.中铁电气工业有限公司, 河北 保定 071000; 2.北京交通大学 机械与电子控制工程学院, 北京 100044)

在高速铁路快速发展的同时,也带来了严重的噪音污染问题[1].声屏障是减少高速铁路噪音污染的重要设施,可以有效降低高速列车通过时对周围环境的噪音影响,目前在高速铁路沿线已得到广泛的应用[2-3].高速列车通过声屏障时一般车速都很高,声屏障单元板会受到高速列车通过时产生的强烈的气动载荷的反复冲击,给声屏障的可靠性带来了严峻考验,也给铁路运输带来了很大的安全隐患.

随着高速铁路的快速发展以及人们对环境噪音污染的日益重视,近年来国内外学者对高速铁路声屏障的结构以及降噪特性和气动特性进行了大量的研究.黄涛等[4]研究了不同面密度吸声板对声屏障降噪效果的影响,指出在保证吸声降噪效果的前提下,建议吸声板面密度选择60 kg/m2.赵允刚等[5]对高速铁路减载式声屏障气动阻力进行了研究，指出随着减载式声屏障孔隙率的增大，列车行驶的压差阻力降低，而摩擦阻力变化不大.张高明等[6]对全封闭式声屏障进行了研究,提出了一种采用拱式混凝土声屏障结构设计的封闭式声屏障设计方法.Li等[7]对武广高速铁路噪声的声压级、频谱、窗衰减等参数进行了测量,指出虽然安装声屏障后噪声级符合噪声环境标准,但高速列车通过时最大噪声级仍然很高.Li等[8]对铁路桥梁声屏障的降噪性能进行了研究,指出声屏障内部吸声材料可将噪声控制在100～1 000 Hz频率范围内.Reiter等[9]对三种确定声屏障声学特性的方法进行了比较和评估,通过研究认为分析计算法是最有效的确定声屏障声学特性的方法.刘威等[10-12]对高速铁路声屏障的气动载荷特性进行了数值模拟或试验研究,获得了高速列车不同车速时普通声屏障和减载式声屏障的气动载荷特性.

目前,国内外对高速铁路声屏障的研究主要集中在声屏障结构改进以及降噪和气动特性等方面,而从安全方面考虑对声屏障气动疲劳特性的研究却很少.根据高速铁路声屏障单元板承受气动载荷冲击能力评估的需要,本文作者进行了高速铁路声屏障单元板气动疲劳载荷模型研究,建立了针对两种气动疲劳载荷施加方案并同时考虑高速列车气流冲击和横风作用的声屏障单元板气动疲劳载荷模型.为高速铁路声屏障单元板气动疲劳的试验研究奠定了基础.

1 测试系统及现场测试

1.1 压力测试系统

建立的用于高速铁路声屏障表面压强测试的压力测试系统主要由信号采集模块、数据存储及处理模块、终端显示模块等部分构成,如图1所示.压力波现场测试采用的压力传感器为Endevco 8515C高频压阻式压力传感器,其主要性能参数如表1所示.

图1 压力测试系统组成

表1 Endevco 8515C型压力传感器主要性能参数

1.2 压力波现场测试

基于高速铁路声屏障气动疲劳载荷模型建立的高速铁路声屏障气动载荷测试试验是在大西高铁客运专线上进行的.大西高铁客运专线有3种不同高度、不同间距的声屏障.高速铁路声屏障气动疲劳载荷模型主要就是针对这3种不同声屏障的气动疲劳载荷模型.对大西高铁客运专线桥梁段和路基段三个不同测试段的3种不同高度声屏障的气动载荷进行了现场测试.测试现场照片如图2所示.

图2 试验现场照片

三个不同测试段声屏障的结构参数如表2所示.声屏障/列车间距是指声屏障离列车比较近的一侧的间距.声屏障气动载荷现场测试共涉及3种不同高度和2种不同间距的声屏障.2种路基段声屏障的声屏障/列车间距相同,只是声屏障高度不同,而桥梁段声屏障的声屏障高度和声屏障/列车间距皆小于2种路基段声屏障.桥梁测试段为直线段,桥梁宽度为12.0 m,声屏障由铝合金单元板和钢立柱联结组成,单元板长度为1 960 mm,厚度约为175mm.

用于声屏障气动载荷测试的压力传感器安装在固定声屏障单元板的H型钢立柱上,如图3所示.沿钢立柱垂直方向等间距布置3个压力测点,分别对应于声屏障底部单元板、中间单元板以及顶部单元板的中间位置.由于相同高度下钢立柱表面压力与单元板表面压力相同,考虑到安装方便,将压力传感器安装在钢立柱上.

图3 测点布置

声屏障气动载荷现场测试时,高速列车的车型为CRH380A型电力动车组列车.桥梁段高速列车车速为265～325 km/h,路基段1高速列车车速为280～355 km/h,路基段2高速列车车速为290～385 km/h.

图4给出的是高速列车以355 km/h车速通过声屏障时,路基段2上H型钢立柱底部压力传感器测得的气动压力的变化历程.

图4 气动压力变化历程

从图4可知,高速列车头部通过声屏障时,声屏障表面的气动压力经历一个先正后负的变化历程(头波),而高速列车尾部通过声屏障时,声屏障表面的气动压力则经历一个先负后正的变化历程(尾波),头波压力峰值明显大于尾波压力峰值.

2 目标单元板的确定

高速铁路声屏障气动疲劳载荷模型是针对大西高铁客运专线3种不同高度,不同间距声屏障目标单元板的气动疲劳载荷模型.目标单元板的确定就是要通过声屏障表面气动载荷的测试以确定3种不同高度,不同间距声屏障气动载荷最大的单元板.

根据图4,高速列车通过声屏障时,声屏障表面受到的气动载荷主要反映在气动峰值压力和峰值压力变化频率上.根据流体力学理论分析,声屏障受到的气动峰值压力主要与列车车速、声屏障高度以及声屏障/列车间距相关,而峰值压力变化频率则主要取决于列车车速,受声屏障高度以及声屏障/列车间距的影响则较小.因此,本文主要以声屏障表面气动峰值压力作为声屏障目标单元板确定的主要依据.

高速列车以不同车速通过路基段2的声屏障时,声屏障底部单元板受到的气动压力的变化历程是不同的.为了更清楚地反映列车不同车速时声屏障表面气动压力之间的关系,在图5(a)中将不同车速时声屏障表面的气动压力曲线错开一定时间表示.高速列车车速为325 km/h时,三个不同测试段声屏障底部单元板表面受到的气动压力的变化历程如图5(b)所示.

图5 声屏障气动压力变化历程

从图5(a)可知,列车车速越高,声屏障单元板表面受到的气动峰值压力越大.列车车速增加,列车车头与声屏障之间的空气受到压缩冲击作用越强,因而声屏障表面受到的气动峰值压力越大.声屏障表面气动峰值压力变化频率主要与列车头部通过声屏障的时间有关,列车车速改变对列车头部通过声屏障的时间影响较小,因此车速对声屏障表面气动峰值压力变化频率的影响相对较小.

从图5(b)可知,在相同列车车速下,由于不同测试段的声屏障高度或声屏障/列车间距不同,因此声屏障表面气动峰值压力不同,说明声屏障表面受到的气动峰值压力不仅与列车车速有关,而且也会受到声屏障高度以及声屏障/列车间距的影响.

两个不同路基段声屏障底部单元板表面受到的气动峰值压力与列车车速的关系如图6(a)所示.路基段1和路基段2的声屏障高度分别为2.95 m和3.95 m,而声屏障/列车间距相同，均为3.43 m.桥梁段和路基段1声屏障底部单元板表面受到的气动峰值压力与列车车速的关系如图6(b)所示.桥梁段和路基段1的声屏障高度分别为2.15 m和2.95 m,声屏障/列车间距分别为2.65 m和3.43 m.

图6 声屏障气动峰值压力与车速的关系

从图6(a)中可知,在不同列车车速下,路基段2声屏障表面受到的气动峰值压力皆大于路基段1.说明在相同的声屏障/列车间距条件下,声屏障高度越高,阻挡冲击气流的能力越强,声屏障表面受到的气动峰值压力越大.

从图6(b)中可知,在不同列车车速下,桥梁段声屏障表面受到的气动峰值压力皆大于路基段1.图6(a)的结果表明,声屏障/列车间距相同时,声屏障高度越高,声屏障表面受到的气动峰值压力越大.在图6(b)中,桥梁段声屏障高度和声屏障/列车间距皆小于路基段1,而桥梁段声屏障表面受到的气动峰值压力却大于路基段1,由此说明声屏障/列车间距越小,声屏障表面受到的气动峰值压力越大.在相同车速下,声屏障/列车间距越小,冲击气流到达声屏障表面距离就越短,冲击气流能量损失就越少,转化到声屏障表面的气动峰值压力就越大.

声屏障单元板表面受到的气动载荷除了与列车车速、声屏障高度以及声屏障/列车间距有关以外,与声屏障单元板所处的位置也具有一定的关系.高速列车车速为325 km/h时,桥梁段声屏障底部单元板、中间单元板以及顶部单元板表面气动压力的变化历程如图7所示.

图7 不同位置声屏障气动压力变化历程

从图7中可知,在相同的列车车速、声屏障高度以及声屏障/列车间距的条件下,声屏障底部单元板受到的气动峰值压力最大,中间单元板受到的气动峰值压力次之,顶部单元板受到的气动峰值压力最小.由于地面与声屏障底部区域封闭性较好,较大程度地阻挡了气流流动,故声屏障底部单元板受到的气动峰值压力最大;声屏障中上部区域开放性大,封闭性差,故阻挡气流流动能力差,中间单元板和顶部单元板受到的气动峰值压力较小.

通过上面的分析可以得出结论,针对大西高铁客运专线三个不同测试段声屏障受到的气动载荷来说,在相同的高速列车车速条件下,桥梁段声屏障底部单元板受到的气动峰值压力最大.为进一步保证气动载荷模型的准确性,以声屏障底部单元板作为高速铁路声屏障气动载荷模型的目标单元板.

3 声屏障单元板气动疲劳载荷模型

3.1 声屏障目标单元板气动载荷模型

根据现场测试数据,得到目标单元板表面受到的气动载荷随高速列车车速的变化关系,如图8所示.

图8中,对目标单元板表面气动峰值压力与列车车速的关系采用二次多项式拟合,桥梁段拟合曲线相关系数R2为0.99,路基段1拟合曲线相关系数R2为0.98,路基段2拟合曲线相关系数R2为0.96;对目标单元板峰值压力变化频率与列车车速的关系采用线性拟合,桥梁段拟合曲线相关系数R2为0.97,路基段1拟合曲线相关系数R2为0.98,路基段2拟合曲线相关系数R2为0.93.

图8 目标单元板气动载荷与列车车速的关系

从图8中可知,目标单元板受到的气动峰值压力和峰值压力变化频率皆随高速列车车速的增加而增大.相比较,目标单元板气动峰值压力受车速的影响更大.通过拟合分析可知,桥梁段声屏障底部单元板作为高速铁路声屏障气动载荷模型的目标单元板,其气动峰值压力和峰值压力变化频率皆大于路基段1和路基段2.

桥梁段声屏障目标单元板气动载荷模型为

(1)

式中:pa为目标单元板气动峰值压力;fa为目标单元板峰值压力变化频率;va为高速列车车速.

3.2 声屏障单元板气动疲劳载荷施加模型

大西高铁客运专线声屏障的单元板为长度1 960 mm,高度500 mm的长方形板.进行声屏障单元板气动疲劳试验时,气动疲劳动态载荷施加在单元板的形心上.可以有两种气动疲劳动态载荷施加方案.

施加方案1:气动疲劳动态载荷施加在声屏障单元板的一侧形心位置处,单元板做单侧弯曲;以规定的施加频率将动态载荷施加到最大值后释放,完成一个周期的动态载荷施加.

施加方案2:在声屏障单元板两侧形心位置处交替施加气动疲劳动态载荷,单元板做双侧弯曲;以规定的施加频率将单元板一侧的动态载荷施加到最大值后释放,同时开始在单元板另一侧以相同频率施加相同动态载荷并释放,完成一个周期的动态载荷施加.

高速铁路声屏障在受到高速列车通过时产生的气流冲击作用的同时,还有可能会同时受到横风的作用[13].因此,本文在建立高速铁路声屏障单元板气动疲劳载荷模型时,同时考虑了高速列车产生的气流冲击作用和横风作用.

横风在高速铁路声屏障表面产生的横风压力可以表示为[14]

(2)

式中:pw为横风压力;vw为横风风速.

在同时考虑高速列车气流冲击作用和横风作用的条件下,本文建立的针对大西高铁客运专线3种不同高度,不同间距声屏障目标单元板的气动疲劳载荷模型可以表示为

F=(pa+pw)A

(3)

(4)

式中:F为动态载荷;f为动态载荷变化频率;A为声屏障单元板面积.

声屏障单元板气动疲劳载荷模型得到了进行声屏障单元板气动疲劳试验时施加在单元板上的动态载荷以及动态载荷变化频率与高速列车车速的关系.可以根据疲劳试验时模拟的车速通过气动疲劳载荷模型确定应该施加在声屏障单元板上的动态疲劳载荷,包括动态载荷幅值和动态载荷变化频率.

通过应用声屏障单元板气动疲劳载荷模型得到了不同车速时的气动疲劳载荷，如表3所示.由表3可知,列车在实际运行过程中还应关注横风变化情况,实时监测横风大小,在低横风下通行列车,达到减小声屏障气动疲劳载荷幅值的目的,保障行车安全,提高声屏障可靠性.

表3 不同车速时气动疲劳载荷

4 结论

1)高速列车通过声屏障时,声屏障表面会受到瞬态正负交替脉动压力的冲击,头波压力峰值明显大于尾波压力峰值.

2)在相同车速条件下,声屏障高度越高或声屏障/列车间距越小,声屏障表面受到的气动峰值压力越大;在相同车速、声屏障高度以及声屏障/列车间距条件下,声屏障底部单元板受到的气动峰值压力最大.

3)当列车所受横风风速不变时,随着列车车速的增加,进行声屏障单元板气动疲劳试验时施加的动态载荷和动态载荷变化频率皆随高速列车车速的增加而增大，动态载荷与动态载荷变化频率相比，声屏障单元板动态载荷受车速的影响更大.