高速铁路减载式声屏障气动载荷特性的试验研究

吕 明，李 强，宁 智，季 钊，孙春华

(北京交通大学 机械与电子控制工程学院，北京 100044)

随着人们对出行、运输等需求的增加，近年来高速铁路的修建在全世界均得到了较大的支持。目前，对速度为400 km/h的高速铁路研究已在我国各研究机构开展[1]。高速铁路的发展在给人们带来便利的同时，也会带来一些负面效应，其中，高速列车运行时受到的气动力所引起的环境噪声就是人们十分关心的问题。已有研究指出[2]，处于轻度交通噪声环境的城市占我国大城市的49%，受到中度交通噪声污染的城市占我国大城市的17%。

对于高速铁路而言，比较有效降低气动噪声污染的措施是在铁路两旁有居民的区域设置声屏障。但是，随着高速列车速度的不断提高，铁路两旁声屏障所受到的气动载荷越来越大[3-10]，这必然导致声屏障结构的可靠性及安全性降低，严重时甚至会导致铁路安全事故。关于此类安全事故的案例并不少见，如2003年发生在德国科隆—法兰克福铁路段的铁路事故[11]，该事故是由于声屏障在列车气动载荷的作用下产生共振导致的，据报道，该铁路段的重建费用高达数千万欧元。所以，声屏障结构具有良好的气动载荷特性(动力学性能)是保障其可靠安全工作的前提。

减载式声屏障属于一种新型声屏障，可在保证良好吸声降噪效果的前提下，具有优异的减载性能。基于此，部分研究者开始对减载式声屏障开展深入探索。

Sato等[12]提出了一种可开闭的减载式声屏障，声屏障由转轴、隔声板、磁铁框架三部分组成。当声屏障受到的气动载荷大于1.5 kPa时，隔声板会脱离磁铁框架并沿着转轴打开，否则隔声板将闭合。这种新型声屏障的减载效果可达50%。另外，Watanabe等[13]、Homma等[14]也设计了一种类似的减载式声屏障，当气动载荷大于预设的电磁力时，声屏障为了防止自身受载过大将通过转轴摇摆，达到减载目的。

我国相关科研机构也采用数值仿真和风洞试验的方法设计了一种新型减载式声屏障，其结构由多排倒V字型的多孔金属单元板组成[15-16]，对其气动载荷特性进行实车试验研究是提高该减载式声屏障结构安全性和可靠性的前提，具有一定的理论和工程应用价值。基于此，就高速列车经过该减载式声屏障时产生的气动载荷特性开展现场试验研究。

本文以大同—西安高速铁路机务段为平台，开展减载式声屏障气动载荷特性的现场测试，分别从列车以不同车速经过声屏障时(车速影响)、列车按上行线和下行线经过声屏障时(上下行影响)以及不同车型的列车经过声屏障时(车型影响)三个方面，对桥梁段和路基段减载式声屏障的气动载荷特性进行试验研究。本文得到的研究结论将为提高减载式声屏障的结构可靠性及安全性提供一定的理论基础。

1 试验概况

1.1 测试对象及目的

现场测试区间为：大西高速铁路试验测试段——原平西至阳曲西。

测试对象为倒V字型的多孔金属声屏障(单元板之间有一定间隔)，声屏障高度分为2.15 m和3.95 m两种，现场实物见图1。桥梁段安装的声屏障高度为2.15 m，路基段安装的声屏障高度为3.95 m。声屏障长度及安装位置见表1。

图1 声屏障现场照片

试验段声屏障位置声屏障长度/m桥梁DK229+071—271200路基DK201+900—DK202+350450

本试验目的是得到列车以不同车速经过声屏障时、列车按上行线和下行线经过声屏障时以及不同车型的列车(CRH380A型和CRH380AM型动车组，两种动车组列车头部的流线构型不同，见图2)经过声屏障时，桥梁段和路基段减载式声屏障的气动载荷特性。

图2 动车组

1.2 测试设备

本次现场测试用到的主要设备见表2，包括中航电测公司的应变片(8片)、德国IMC公司CL5016型数采仪(2台)，以及计算机终端。

表2 现场测试所需设备

1.3 测试内容

安装应变片的测点位置见表3，测点在声屏障的布置位置见图3。

鉴于本文研究减载式声屏障的气动载荷特性，所以将应变片安装在声屏障立柱的底部，该位置处应力反映的是整个减载式声屏障受到的气动载荷大小。

测试路段分为路基和桥梁两段，两种试验车辆的车速维持在175～385 km/h。其中，路基段的车速维持在190～385 km/h；由于桥梁段有转弯，所以桥梁段的车速维持在175～325 km/h。

表3 应变片的安装位置

图3 测点布置位置

2 桥梁段减载式声屏障气动载荷特性分析

分别对2.15、3.95 m两种高度减载式声屏障的气动载荷特性进行研究。首先从列车以不同车速经过声屏障时、列车按上行线和下行线经过声屏障时以及不同车型的列车经过声屏障时三个方面对桥梁段减载式声屏障的气动载荷特性进行分析。

2.1 速度特性

声屏障的速度特性是指当经过声屏障的列车车型不变时，性能指标随车速而变化的关系，性能指标指应力、压力、位移等，本文中主要指应力。CRH380A型动车组以不同车速经过桥梁段减载式声屏障时，H钢立柱底部的应力时程曲线见图4。

如图4所示，不同车速下立柱底部的应力时程曲线均呈现出明显的“头波”+“尾波”特征，且变化规律基本一致。随着车速的增加，头波及尾波的应力峰谷值之差均逐渐增大，说明作用于整个声屏障的气动载荷增加；且头波到尾波的时间缩短，说明声屏障所受气动载荷的强度增大。

为了更清晰地看出不同列车速度经过桥梁段时减载式声屏障立柱根部应力幅值的变化情况，桥梁段减载式声屏障立柱根部应力头波幅值随车速的变化见图5。

图4 桥梁段减载式声屏障速度特性曲线

图5 桥梁段减载式声屏障立柱根部应力幅值随车速的变化

如图5所示，在不同车速下正应力幅值均大于负应力幅值，说明声屏障受到的冲击力比吸力要大，且正应力幅值基本是负应力幅值的两倍。随着车速增加，正负应力幅值的变化规律基本保持一致，即幅值随车速的增加而增大。

2.2 上下行特性

本文中声屏障的上下行特性是指当经过声屏障的列车车型及车速均不变时，声屏障应力因列车分别从上行线和下行线经过而引起的变化。CRH380A型动车组以320 km/h的速度分别从上行线和下行线经过桥梁段减载式声屏障时，H钢立柱底部的应力时程曲线见图6。

如图6所示，列车从上行线经过声屏障时H钢立柱底部的应力峰谷值之差(含头波和尾波)均远大于列车从下行线经过声屏障时的应力峰谷值之差；说明在相同的车速下，列车距离声屏障越远，其对声屏障产生的冲击力和吸力越小，声屏障受到的气动载荷越小。

图6 桥梁段减载式声屏障上下行特性曲线

应力峰谷值之差能较准确反映气动载荷的大小。为了研究不同车速下，列车分别从上行线和下行线经过桥梁段减载式声屏障时，声屏障所受气动载荷的变化情况，列车分别从上行线和下行线经过桥梁段减载式声屏障，应力头波峰谷值之差随车速的变化见图7。

如图7所示，列车从上行线经过声屏障时应力峰谷值之差随车速的增加而增大的趋势相对明显，而列车从下行线经过声屏障时应力峰谷值之差受车速的影响很小，基本维持不变；说明列车距离声屏障越近，声屏障受到的气动载荷对车速的影响越敏感，且车速越高，列车从上行线经过时声屏障应力峰谷值之差与列车从下行线经过时声屏障应力峰谷值之差的差值越大。另外，在相同的车速下，列车从上行线经过声屏障时使立柱产生的应力峰谷值之差均远大于列车从下行线经过声屏障时的应力峰谷值之差。

图7 列车上下行经过桥梁段时应力峰谷值之差随车速变化

2.3 车型特性

本文中声屏障的车型特性是指当经过声屏障的车速不变时，性能指标随车型而变化的关系。CRH380A型和CRH380AM型动车组以320 km/h的速度分别经过桥梁段减载式声屏障时，H钢立柱底部的应力时程曲线见图8。

如图8所示，在相同速度下CRH380A型动车组经过桥梁段减载式声屏障时H钢立柱底部的应力幅值要大于CRH380AM型动车组经过时H钢立柱底部的应力幅值(头波和尾波均如此)，说明CRH380A型动车组作用于声屏障上的气动载荷高于CRH380AM型动车组的作用，这主要是由于CRH380AM型动车组车头和车尾的流型设计更优，使车头受到的阻力及车尾受到的升力更小所致。

图8 桥梁段减载式声屏障车型特性曲线

为了研究不同车速下车型对声屏障所受气动载荷的影响， CRH380A型和CRH380AM型动车组分别经过桥梁段减载式声屏障时，应力头波峰谷值之差随车速的变化见图9。

图9 不同速度下车型对桥梁段减载式声屏障的影响

如图9所示，随着车速的增加，CRH380A型和CRH380AM型动车组分别经过桥梁段减载式声屏障时应力峰谷值之差的变化基本一致，均为逐渐提高，说明车型对声屏障的气动载荷作用受车速的影响不大。

3 路基段减载式声屏障气动载荷特性分析

以上主要对桥梁段减载式声屏障(2.15 m)的气动载荷特性进行了研究，下面仍然从列车以不同车速经过声屏障时、列车按上行线和下行线经过声屏障时以及不同车型的列车经过声屏障时三个方面对路基段减载式声屏障(3.95 m)的气动载荷特性进行分析。

3.1 速度特性

为了研究路基段减载式声屏障的速度特性，同时方便与桥梁段减载式声屏障的速度特性进行对比，CRH380A型动车组以不同车速经过路基段减载式声屏障，H钢立柱底部的应力时程曲线见图10。

如图10所示，随着列车经过路基段时车速的增加，头波及尾波应力峰谷值之差均逐渐增大，说明作用于整个声屏障的气动载荷增加；且随着车速的增加，头波到尾波的时间缩短，说明声屏障所受气动载荷的强度增大，这与列车经过桥梁段时的规律基本一致。

对比图10和图4可知，列车经过路基段时声屏障的应力幅值更大，即使在同一列车行驶速度下，这一结论仍然成立，其原因是路基段减载式声屏障的高度更高。

图10 路基段减载式声屏障速度特性曲线

路基段减载式声屏障立柱根部应力头波幅值随车速的变化见图11。

“综合与实践”是《义务教育数学课程标准(2011年版)》(以下简称《课标》)中非常重要的知识领域，凸显学生综合运用数学知识及思想方法解决实际问题的特点，有助于学生数学活动经验的积累与数学应用意识、问题解决能力等的培养.正如《课标》中指出的：“综合与实践旨在培养学生综合运用有关的知识与方法解决实际问题，培养学生的问题意识、应用意识和创新意识，积累学生的活动经验，提高学生解决现实问题的能力.” [1]

如图11所示，列车经过路基段时，在不同车速下正应力幅值均大于负应力幅值，说明声屏障受到的冲击力比吸力要大，这与列车经过桥梁段时的规律基本一致。由图11可知，随着车速增加，正应力幅值的增大幅度远小于负应力幅值的增大幅度，这与列车经过桥梁段时的规律存在较大不同。

图11 路基段减载式声屏障立柱根部应力幅值随车速的变化

3.2 上下行特性

为了研究路基段减载式声屏障的上下行特性，同时方便与桥梁段减载式声屏障的上下行特性进行对比， CRH380A型动车组以320 km/h的速度分别从上行线和下行线经过路基段减载式声屏障，H钢立柱底部的应力时程曲线见图12。

图12 路基桥梁段减载式声屏障上下行特性曲线

如图12所示，列车从上行线经过路基段减载式声屏障时应力幅值大于列车从下行线经过声屏障时的应力幅值；说明在相同的车速下，列车距离声屏障越远，其对声屏障产生的冲击力和吸力越小，声屏障受到的气动载荷越小，这与列车经过桥梁段时的规律一致。

另外，对比图12和图6可知，路基段列车从下行线经过声屏障时的应力幅值与列车从上行线经过时的应力幅值相比下降的幅度小于列车经过桥梁段时应力幅值的下降幅度，说明减载式声屏障的上下行特性与声屏障高度相关，且声屏障越低，与列车从上行线经过时相比，列车从下行线经过声屏障时应力幅值的下降幅度越明显。

为了研究不同车速下，列车分别从上行线和下行线经过路基段减载式声屏障时，声屏障所受气动载荷的变化情况，列车分别从上行线和下行线经过路基段减载式声屏障，应力头波峰谷值之差随车速的变化见图13。

图13 列车上下行经过路基段时应力峰谷值之差随车速变化

如图13所示，随车速的增加，列车从上行线经过声屏障时应力峰谷值之差的增大趋势与列车从下行线经过声屏障时应力峰谷值之差的增大趋势基本一致，说明路基段减载式声屏障受到的气动载荷随车速的变化关系与列车和声屏障的距离关系较小，这与桥梁段减载式声屏障的变化规律不一致。

3.3 车型特性

为了研究路基段减载式声屏障的车型特性，同时方便与桥梁段减载式声屏障的车型特性进行对比， CRH380A型和CRH380AM型动车组以320 km/h的速度分别经过路基段减载式声屏障，H钢立柱底部的应力时程曲线见图14。

如图14所示，CRH380A型动车组经过路基段时减载式声屏障应力幅值大于CRH380AM型动车组经过时的应力幅值，说明CRH380A型动车组作用于声屏障上的气动载荷高于CRH380AM型动车组的作用，这与桥梁段一致。

另外，对比图14和图8可知，在相同车速下CRH380A型动车组使声屏障产生的应力时程曲线中头波到尾波的时间均要长于CRH380AM型动车组，再一次验证了CRH380A型动车组的长度更长。

图14 路基段减载式声屏障车型特性曲线

为了研究不同车速下车型对路基段减载式声屏障所受气动载荷的影响，CRH380A型和CRH380AM型动车组分别经过路基段减载式声屏障，应力头波峰谷值之差随车速的变化见图15。

如图15所示，随着车速的增加，CRH380A型和CRH380AM型动车组分别经过路基段减载式声屏障时应力峰谷值之差均呈现逐渐增大的趋势，这与桥梁段基本一致；但当动车组车速较低时(低于320 km/h)，路基段减载式声屏障应力峰谷值之差随车速增加而增大的趋势较为缓慢。

图15 不同速度下车型对路基段减载式声屏障的影响

4 结论

(1)随着列车经过桥梁段时车速的增加，减载式声屏障应力头波及尾波的应力峰谷值之差均逐渐增大，且头波到尾波的时间缩短，说明声屏障所受气动载荷的幅值及强度会随车速增加而增大；在不同车速下声屏障受到的冲击力比吸力要大，且正应力幅值基本是负应力幅值的两倍。

(2)在同一车速下，列车距离声屏障越远，其对声屏障产生的冲击力和吸力越小，声屏障受到的气动载荷越小；列车距离声屏障越近，声屏障受到的气动载荷对车速的影响越敏感，且车速越高，列车分别从上行线与下行线经过声屏障时产生的应力峰谷值之差的差值越大。

(3)在同一车速下，CRH380A型动车组作用于声屏障上的气动载荷高于CRH380AM型动车组的作用；CRH380A型动车组使声屏障产生的应力时程曲线中头波到尾波的时间要长于CRH380AM型动车组；车型对声屏障的气动载荷作用受车速的影响不大。

(4)在同一车速下，列车经过路基段时声屏障的应力幅值比桥梁段要大；随着车速增加，正应力幅值的增大幅度远小于负应力幅值的增大幅度，这与列车经过桥梁段时的规律存在较大不同。

(5)减载式声屏障的上下行特性与声屏障高度相关，且声屏障越低，列车从下行线经过声屏障时应力幅值的下降幅度越明显；路基段减载式声屏障受到的气动载荷随车速的变化关系与列车和声屏障的距离关系较小，这与桥梁段减载式声屏障的变化规律不一致。

(6)随着车速的增加，CRH380A型和CRH380AM型动车组分别经过路基段减载式声屏障时应力峰谷值之差均呈现逐渐增大的趋势，这与桥梁段基本一致；但当车速较低时(低于320 km/h)，路基段减载式声屏障应力峰谷值之差随车速增加而增大的趋势较为缓慢。