高速铁路全封闭声屏障列车风压特性试验研究

陈迎庆，柳润东，刘兰华

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

0 引言

随着高速铁路快速发展，对铁路沿线声环境水平要求逐渐提高，除既有直立式声屏障作为噪声治理措施实施外，全封闭声屏障作为一种新型声屏障型式在深茂铁路小鸟天堂区段、京哈高铁北京朝阳站—五环路段[1]、京雄城际铁路霸州市北落店村段已实施建成。胥红敏等[2]对高速列车在大风作用下运行的安全性已有所研究，同样是受风的影响，动车组高速通过全封闭声屏障区段时，列车风引起的声屏障单元板及立柱振动响应不同于直立式金属声屏障。目前已有学者对声屏障表面列车风压开展了大量研究，邓跞等[3]通过CFD仿真分析得到380 km/h高速列车脉动风荷载，艾辉林等[4]研究得到高速列车导致声屏障风压变化和分布特征，何佳俊等[5]通过CFD数值模拟对列车通过全封闭声屏障过程中形成压力波的特征进行了研究，龙丽平等[6]研究了列车运行过程中的气动力特性，还给出了气动力荷载用于指导声屏障结构设计，刘磊等[7]通过仿真计算得到列车行驶产生的活塞风压，何旭辉等[8]通过流体力学仿真软件数值模拟获得全封闭声屏障压力极值和气压荷载分布规律。上述研究成果多基于仿真分析，本次研究对全封闭声屏障表面列车风压现场试验测试数据进行分析研究，得到动车组高速通过全封闭声屏障区段时脉动风压时程特性及分布特征。

1 测试概况

试验通过选用多通道数据采集系统，传感器选用大量程风压传感器满足测试要求，采集动车组在各种工况下运行的脉动风压时域信号，采集的数据处理后得到风压结果。参考全封闭声屏障设计文件内容，试验测试选取的全封闭声屏障全长约840 m，桥梁高度约14 m，并分别在全封闭声屏障入口、1/8跨、1/4跨、3/8跨、整体跨中位置5个断面布设风压传感器，在个别断面布设不同高度位置传感器，在跨中断面均对称布设P-1、P-2、P-3、P-4测点及顶部P-5测点，1/4跨断面对称布设P-1、P-3测点，1/8跨、3/8跨断面布设P-1测点。P-1、P-2测点位于上行线侧，P-3、P-4测点位于下行线侧，P-1与P-3测点均位于轨面以上1 m处，P-2、P-4测点均位于轨面以上2 m处，P-5测点位于声屏障拱顶正中位置。入口、1/4跨、跨中断面测试动车组双线运行情况下工况，1/8跨、3/8跨断面测试动车组在下行线侧运行工况。测试单列动车组进入、驶出全封闭声屏障及2列动车组交会通过全封闭声屏障时各断面脉动风压变化情况。单列动车组选取速度级为300、350 km/h；交会动车组选取速度级300、330、350 km/h。测试断面分布见图1，风压测点位置见图2。

图1 测试断面分布

图2 风压测点位置图

2 试验测试结果及分析

2.1 不同高度位置影响分析

动车组以300、350 km/h速度单列通过及以300、330、350 km/h交会通过全封闭声屏障跨中断面时，各风压测点测试结果见图3。

图3 跨中断面风压时域信号

由图3可知，单列动车组通过全封闭声屏障跨中断面时，声屏障受车作用产生1个先正后负的压力波，且正压值大于负压值，动车组通过后，同样受尾车作用产生1个先负后正的压力波，且负压值大于正压值，车尾通过产生的风压峰值小于车头风压峰值。动车组运行侧P-3测点风压值大于同侧P-4测点，即动车组车头鼻锥等高位置处风压值最大，两侧风压结果呈（P-3）>（P-4）>（P-1）>（P-5）规律，气流在动车组周围扰动引起车头鼻锥等高位置的同侧声屏障表面及对侧声屏障风压值增大，然后气流沿声屏障内部密封结构流动，最大正压1 000 Pa，最大负压接近900 Pa。

由于动车组车顶距离全封闭声屏障拱顶垂直高度约5 m，并且拱顶采取了间歇性开口设计，动车组运行时，风压结果呈（P-3）>（P-5）>（P-4）规律。随着速度的增加，拱顶测点风压值逐渐增大，车头通过时出现先正后负的压力波，负压值较小，在车尾通过后又出现先负后正的压力波，正压值较小，间歇性开口影响了气压波的压缩及释放，这一规律与声屏障侧壁测点的风压测试结果不同。

动车组交会通过全封闭声屏障区段时，由于动车组进行等速交会即将交会时，P-1、P-2、P-3、P-4测点风压与单列动车组通过时响应一致，呈现先正后负的压力波；列车通过时域信号可以看出，车头通过测点后车体交会时风压值趋于零，交会通过后，交会时空气局部被压缩，压缩的气流被迅速释放，位于全封闭声屏障侧壁风压测点负压值最大。交会通过时声屏障侧壁脉动风压值较单列动车组工况增加约30%。

2.2 不同纵深位置影响

动车组运行通过全封闭声屏障区段时，在驶入或者驶出声屏障时，全封闭声屏障内沿运行方向风压分布特性不同，此处按照驶入、驶出声屏障2种工况分析不同纵深位置处风压分布特点。各风压测点测试结果见图4。

图4 不同纵深处风压时程曲线

动车组驶入全封闭声屏障区段时，入口区域空间受到急剧压缩，风压水平变化明显，随着动车组驶入全封闭声屏障，距离洞口1/8处风压值降低，1/4处风压值小于跨中断面，以300、350 km/h速度通过声屏障区段时，风压变化规律一致；而动车组驶出全封闭声屏障区段时，与驶入时规律相反，靠近中部的跨中及1/4处风压值较大，1/8处风压值降低，入口附近空间瞬间放大，声屏障内侧风压值逐渐增大。

2.3 与直立式声屏障测试结果比较分析

动车组以350 km/h速度通过全封闭声屏障、2.3 m高桥梁插板式金属声屏障时，与车头等高位置的声屏障立柱测点的风压测试时程曲线见图5。

由图5可知，位于不同型式声屏障的同等高度风压测点，呈“正-负-负-正”规律。由于结构型式不同，全封闭声屏障区段车头及车尾的风压值大于直立式声屏障区段测试结果约30%，全封闭结构型式对气流扰动影响较明显。

3 结论

（1）单列动车组通过全封闭声屏障区段时，列车风压呈“正-负-负-正”交变特性，车尾通过产生的风压峰值小于车头风压峰值；

（2）动车组交会通过全封闭声屏障区段时，声屏障侧壁脉动风压值较单列动车组工况增加约30%；

（3）全封闭声屏障不同纵深位置处风压分布有一定差异，入口处正压峰值最大，1/4跨处负压峰值最大。