武广铁路客运专线列车脉动力对声屏障的影响研究

胡 喆

(中铁第四勘察设计院集团有限公司环工处,武汉 430063)

武广铁路客运专线列车脉动力对声屏障的影响研究

胡 喆

(中铁第四勘察设计院集团有限公司环工处,武汉 430063)

脉动力是声屏障动力设计的控制因素,只有确定了客运专线脉动力大小才能开展下一步的声屏障结构设计。采用可压缩三维流动模型,利用大型通用流体计算软件 Fluent对列车高速通过时产生的脉动力进行模拟计算,对脉动力的作用特点、脉动力对声屏障结构的影响进行研究分析,结论为：列车引起的最大正负压力差达 1 500 Pa,将对声屏障和地基连接部件产生重大影响,线间距对声屏障压力有重要影响,车型对声屏障压力影响不大。

武广铁路客运专线;脉动力;声屏障

客运专线、高速铁路以其高速度、乘坐舒适性成为各国发展最快的一种交通方式。但是随之而来所产生的噪声、振动对环境的影响引起了人们的普遍注意,国际上许多学者已经开始着手研究噪声、振动的污染规律、产生的原因、传播途径、控制方法以及对人体的危害等问题。声屏障是治理噪声问题的一种有效途径,国内许多学者对声屏障的降噪效果以及声屏障结构设计检算进行了探讨。

2004年下半年,铁道部高速办组织了“京沪高速铁路工程设计”的国际咨询,德国专家提出了由于列车风荷载的周期性作用(压-吸力)—脉动力对声屏障的影响是不容忽视的,在国外高速列车通过时已存在声屏障开裂、疲劳破坏等现象。而我国在德国专家咨询后,仅有一些概念上的认识和分析。武广铁路客运专线时速 350 km,研究列车通过时脉动力对声屏障的影响对指导设计具有重要意义。

本文采用可压缩三维流动模型,利用大型通用流体计算软件 Fluent[5]对列车高速通过时产生的脉动力进行了模拟计算,对脉动力的作用特点、脉动力对声屏障结构的影响进行了研究分析。

1 计算模型的建立

图1给出了模型边界条件和模型尺寸,虚线是为了网格划分而将模型分割的线。图中模型的尺寸根据车型、线间距及声屏障的高度变化而变化。n值为线间距离,分别取 4.6m和 4.1m,m为声屏障高度,分别取 2.05、2.55、3.05m,w、h为不同车型列车宽度和高度,分别取 CRH2和 CRH3的列车宽度和高度。

图1 计算模型边界条件和模型尺寸(单位：m)

计算模型网格划分示意见图2。

图2 计算模型网格划分示意

本次计算选取 CRH2、CRH3两种车型,声屏障设计高度按轨面而非地面以上高度分别为 2.05、2.55、3.05m,根据武广铁路客运专线速度目标值选取计算速度为 350 km/h。具体计算模型组数如表1所示。

测点布置在沿声屏障的不同里程上,并且在同一里程上沿声屏障的高度分布有 5个测点,见图3。测点布置参数取值见表2,测点纵向间距为 10m。

图3 测点布置(单位：m)

表2 测点布置参数取值

2 计算结果图示

计算结果如图4～图12所示。

图形编号说明如下：CRH2-350-3.05-4.6代表车型为 CRH2,运行速度为 350 km/h,声屏障高度为3.05m,线间距离为 4.6m时,测点的压力变化,右侧的云图为车头经过时声屏障的压力云图。

图4 CRH 2-350-3.05-4.6

图5 CRH 2-350-2.55-4.6

图6 CRH 2-350-2.55-4.1

图7 CRH 2-350-2.05-4.1

图8 CRH 3-350-3.05-4.6

图9 CRH 3-350-2.55-4.6

图11 CRH 3-350-2.05-4.6

图12 CRH 3-350-2.05-4.1

3 计算结果分析

(1)声屏障所受脉动压力过程分析

由图4～图12给出的不同模型列车经过各个测点时测点压力变化时程曲线,反映了列车经过声屏障时声屏障所受脉动压力的过程。各个测点的最大正压力出现在车头距测点 4～6m处。需要注意的是当车头到达测点后,压力将产生变化,从正值变为负值,变化时间较短,压力差最大,应该引起注意。这一过程产生的原因是气流加速流入收缩断面时在列车与声屏障之间的空间前端部(即列车阻塞的位移效应引起的)的压力降落,在车尾端发生相反的现象,即从负压变化为正压。

列车头部距离测点 40～50m时,测点压力开始上升,之后压力以非线性增长速度迅速加大,直到最大值;紧接着压力又迅速下降,达到负压最大值;整个下降过程的时间与车速有关,正负压力差最大达1 500 Pa。当列车头部完全经过测点后,压力趋于平稳,波动较小,对声屏障产生的脉动压力也比较小。

(2)声屏障的受力过程分析

当车头到达声屏障时,声屏障所受压力开始迅速上升,实际上在车头快到达声屏障时声屏障所受压力就已经开始上升。从压力波动图中可以看出,当车头经过约 0.15 s后,声屏障所受压力马上变为负值,所受的力和弯矩立即反向。此后这一过程将循环作用下去,所以作用在声屏障上的荷载为一个脉动荷载,并且正负压力绝对值之差不超过 70 Pa。CRH2车型与CRH3车型相比,正负压力绝对值之差更小,基本相等。当车头驶出声屏障范围时,在一段时间内车尾还在声屏障范围内,这时声屏障的受力和上面的情况相似。

(3)列车引起压力的影响范围的确定

以上各组模型中,产生压力最大的模型是 CRH2-350-2.55-4.1,从图6中可以看出,当同一里程的一组测点达到最大压力值时,此组测点前后 30m范围外测点的压力基本上在最大压力的 10%以下,其绝对值约为 70 Pa。其他各组模型当某里程测点出现最大压力时,前后 30m范围外测点的压力也基本保持在最大压力的 10%以下,而且由于其他组模型产生的最大压力值均小于模型 CRH2-350-2.55-4.1产生的压力,所以可以判断出列车引起的压力波动范围为最大压力出现里程前后 30m范围内。图13是模型 CRH2-350-2.55-4.1当列车头部产生的压力在 4号系列测点产生压力最大值时,前后 30m范围内各个测点系列压力的大小,图13中 5号系列测点位于 4号系列测点前方 30m,1号系列测点位于 4号系列测点后方 30m。

(4)线间距离对屏障所受压力的影响

图13 列车头部经过声屏障一定里程时对声屏障纵向影响范围的确定

当其他条件一致时,线间距离对声屏障脉动压力影响较大,当距离由 4.6m改变为 4.1m时,压力在不同速度和声屏障高度的情况下,均有大幅度增大,约为4.6m时压力的 1.2倍。并且速度越快,随着线间距离的缩小,压力增长越快。

(5)声屏障高度对声屏障所受压力的影响

在其他条件一致时,声屏障高度从 2.05m变化为3.05m后,压力略有增加,但增加不大,约为 30 Pa。然而这仅仅是在此范围内讨论得出的结果,并不代表声屏障的高度对其所受压力的影响可以忽略。

(6)脉动力频谱分析

对脉动压力曲线进行分析可得,脉动压力主要频率范围为 0～10 Hz,最大功率谱对应频率为 2.0Hz左右。因此,声屏障结构一阶频率应远离 2.0 Hz。

4 结论

(1)列车引起的最大正负压力之差达到1500Pa,将对声屏障和地基连接部件产生重大影响,特别是脉动压力是个动荷载,对连接部件的抗疲劳性能要求很高。

(2)在各种影响声屏障压力的因素中,线间距离是最重要的参数之一。线间距离的缩短,声屏障所受压力增大,当线间距离由 4.6m缩短到 4.1m时,压力增加到原来的 1.2倍左右。

(3)两种车型的计算比较,车型的不同并没有使声屏障所受的最大压力有太大变化,两种车型造成的压力上升差最大也只有55 Pa左右,基本可以认为车型对声屏障脉动压力影响不大。同时现有声屏障高度的不同,也没有导致声屏障所受的最大压力有太大变化,最高的声屏障高度为 3.05m,最低的为 2.05m,压力的大小前者只比后者大约 30 Pa,基本可以认为没有影响。

[1]罗 锟,雷晓燕.铁路声屏障降噪效果影响因素分析[J].噪声与振动控制,2008,28(5)：142-146.

[2]马 筠.对高速铁路声屏障降噪效果影响因素的探讨[J].铁道劳动安全卫生与环保,2008,35(1)：5- 8.

[3]李 艳.声屏障设计中的结构验算[J].噪声与振动控制,2007,27(3)：97-99.

[4]夏先芳.高速铁路声屏障技术的研究与进展[J].科技交流,2004,34(1)：129-131.

[5]孙智一,吴晓蓉.计算流体力学数值模拟方法的探讨及应用[J].水利科技与经济,2008,14(2)：126- 128.

U238;X 827

A

1004-2954(2010)01-0123-03

2009-11-30

胡 喆(1971—),女,高级工程师,1991年毕业于兰州铁道学院给水排水专业,工学学士。