高速鐵路減載式聲屏障氣動載荷特性的試驗研究

呂 明，李 強，寧 智，季 釗，孫春華

(北京交通大學 機械與電子控制工程學院，北京 100044)

隨著人們對出行、運輸等需求的增加，近年來高速鐵路的修建在全世界均得到了較大的支持。目前，對速度為400 km/h的高速鐵路研究已在我國各研究機構開展[1]。高速鐵路的發展在給人們帶來便利的同時，也會帶來一些負面效應，其中，高速列車運行時受到的氣動力所引起的環境噪聲就是人們十分關心的問題。已有研究指出[2]，處于輕度交通噪聲環境的城市占我國大城市的49%，受到中度交通噪聲污染的城市占我國大城市的17%。

對于高速鐵路而言，比較有效降低氣動噪聲污染的措施是在鐵路兩旁有居民的區域設置聲屏障。但是，隨著高速列車速度的不斷提高，鐵路兩旁聲屏障所受到的氣動載荷越來越大[3-10]，這必然導致聲屏障結構的可靠性及安全性降低，嚴重時甚至會導致鐵路安全事故。關于此類安全事故的案例并不少見，如2003年發生在德國科隆—法蘭克福鐵路段的鐵路事故[11]，該事故是由于聲屏障在列車氣動載荷的作用下產生共振導致的，據報道，該鐵路段的重建費用高達數千萬歐元。所以，聲屏障結構具有良好的氣動載荷特性(動力學性能)是保障其可靠安全工作的前提。

減載式聲屏障屬于一種新型聲屏障，可在保證良好吸聲降噪效果的前提下，具有優異的減載性能。基于此，部分研究者開始對減載式聲屏障開展深入探索。

Sato等[12]提出了一種可開閉的減載式聲屏障，聲屏障由轉軸、隔聲板、磁鐵框架三部分組成。當聲屏障受到的氣動載荷大于1.5 kPa時，隔聲板會脫離磁鐵框架并沿著轉軸打開，否則隔聲板將閉合。這種新型聲屏障的減載效果可達50%。另外，Watanabe等[13]、Homma等[14]也設計了一種類似的減載式聲屏障，當氣動載荷大于預設的電磁力時，聲屏障為了防止自身受載過大將通過轉軸搖擺，達到減載目的。

我國相關科研機構也采用數值仿真和風洞試驗的方法設計了一種新型減載式聲屏障，其結構由多排倒V字型的多孔金屬單元板組成[15-16]，對其氣動載荷特性進行實車試驗研究是提高該減載式聲屏障結構安全性和可靠性的前提，具有一定的理論和工程應用價值。基于此，就高速列車經過該減載式聲屏障時產生的氣動載荷特性開展現場試驗研究。

本文以大同—西安高速鐵路機務段為平臺，開展減載式聲屏障氣動載荷特性的現場測試，分別從列車以不同車速經過聲屏障時(車速影響)、列車按上行線和下行線經過聲屏障時(上下行影響)以及不同車型的列車經過聲屏障時(車型影響)三個方面，對橋梁段和路基段減載式聲屏障的氣動載荷特性進行試驗研究。本文得到的研究結論將為提高減載式聲屏障的結構可靠性及安全性提供一定的理論基礎。

1 試驗概況

1.1 測試對象及目的

現場測試區間為：大西高速鐵路試驗測試段——原平西至陽曲西。

測試對象為倒V字型的多孔金屬聲屏障(單元板之間有一定間隔)，聲屏障高度分為2.15 m和3.95 m兩種，現場實物見圖1。橋梁段安裝的聲屏障高度為2.15 m，路基段安裝的聲屏障高度為3.95 m。聲屏障長度及安裝位置見表1。

圖1 聲屏障現場照片

試驗段聲屏障位置聲屏障長度/m橋梁DK229+071—271200路基DK201+900—DK202+350450

本試驗目的是得到列車以不同車速經過聲屏障時、列車按上行線和下行線經過聲屏障時以及不同車型的列車(CRH380A型和CRH380AM型動車組，兩種動車組列車頭部的流線構型不同，見圖2)經過聲屏障時，橋梁段和路基段減載式聲屏障的氣動載荷特性。

圖2 動車組

1.2 測試設備

本次現場測試用到的主要設備見表2，包括中航電測公司的應變片(8片)、德國IMC公司CL5016型數采儀(2臺)，以及計算機終端。

表2 現場測試所需設備

1.3 測試內容

安裝應變片的測點位置見表3，測點在聲屏障的布置位置見圖3。

鑒于本文研究減載式聲屏障的氣動載荷特性，所以將應變片安裝在聲屏障立柱的底部，該位置處應力反映的是整個減載式聲屏障受到的氣動載荷大小。

測試路段分為路基和橋梁兩段，兩種試驗車輛的車速維持在175～385 km/h。其中，路基段的車速維持在190～385 km/h；由于橋梁段有轉彎，所以橋梁段的車速維持在175～325 km/h。

表3 應變片的安裝位置

圖3 測點布置位置

2 橋梁段減載式聲屏障氣動載荷特性分析

分別對2.15、3.95 m兩種高度減載式聲屏障的氣動載荷特性進行研究。首先從列車以不同車速經過聲屏障時、列車按上行線和下行線經過聲屏障時以及不同車型的列車經過聲屏障時三個方面對橋梁段減載式聲屏障的氣動載荷特性進行分析。

2.1 速度特性

聲屏障的速度特性是指當經過聲屏障的列車車型不變時，性能指標隨車速而變化的關系，性能指標指應力、壓力、位移等，本文中主要指應力。CRH380A型動車組以不同車速經過橋梁段減載式聲屏障時，H鋼立柱底部的應力時程曲線見圖4。

如圖4所示，不同車速下立柱底部的應力時程曲線均呈現出明顯的“頭波”+“尾波”特征，且變化規律基本一致。隨著車速的增加，頭波及尾波的應力峰谷值之差均逐漸增大，說明作用于整個聲屏障的氣動載荷增加；且頭波到尾波的時間縮短，說明聲屏障所受氣動載荷的強度增大。

為了更清晰地看出不同列車速度經過橋梁段時減載式聲屏障立柱根部應力幅值的變化情況，橋梁段減載式聲屏障立柱根部應力頭波幅值隨車速的變化見圖5。

圖4 橋梁段減載式聲屏障速度特性曲線

圖5 橋梁段減載式聲屏障立柱根部應力幅值隨車速的變化

如圖5所示，在不同車速下正應力幅值均大于負應力幅值，說明聲屏障受到的沖擊力比吸力要大，且正應力幅值基本是負應力幅值的兩倍。隨著車速增加，正負應力幅值的變化規律基本保持一致，即幅值隨車速的增加而增大。

2.2 上下行特性

本文中聲屏障的上下行特性是指當經過聲屏障的列車車型及車速均不變時，聲屏障應力因列車分別從上行線和下行線經過而引起的變化。CRH380A型動車組以320 km/h的速度分別從上行線和下行線經過橋梁段減載式聲屏障時，H鋼立柱底部的應力時程曲線見圖6。

如圖6所示，列車從上行線經過聲屏障時H鋼立柱底部的應力峰谷值之差(含頭波和尾波)均遠大于列車從下行線經過聲屏障時的應力峰谷值之差；說明在相同的車速下，列車距離聲屏障越遠，其對聲屏障產生的沖擊力和吸力越小，聲屏障受到的氣動載荷越小。

圖6 橋梁段減載式聲屏障上下行特性曲線

應力峰谷值之差能較準確反映氣動載荷的大小。為了研究不同車速下，列車分別從上行線和下行線經過橋梁段減載式聲屏障時，聲屏障所受氣動載荷的變化情況，列車分別從上行線和下行線經過橋梁段減載式聲屏障，應力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖7。

如圖7所示，列車從上行線經過聲屏障時應力峰谷值之差隨車速的增加而增大的趨勢相對明顯，而列車從下行線經過聲屏障時應力峰谷值之差受車速的影響很小，基本維持不變；說明列車距離聲屏障越近，聲屏障受到的氣動載荷對車速的影響越敏感，且車速越高，列車從上行線經過時聲屏障應力峰谷值之差與列車從下行線經過時聲屏障應力峰谷值之差的差值越大。另外，在相同的車速下，列車從上行線經過聲屏障時使立柱產生的應力峰谷值之差均遠大于列車從下行線經過聲屏障時的應力峰谷值之差。

圖7 列車上下行經過橋梁段時應力峰谷值之差隨車速變化

2.3 車型特性

本文中聲屏障的車型特性是指當經過聲屏障的車速不變時，性能指標隨車型而變化的關系。CRH380A型和CRH380AM型動車組以320 km/h的速度分別經過橋梁段減載式聲屏障時，H鋼立柱底部的應力時程曲線見圖8。

如圖8所示，在相同速度下CRH380A型動車組經過橋梁段減載式聲屏障時H鋼立柱底部的應力幅值要大于CRH380AM型動車組經過時H鋼立柱底部的應力幅值(頭波和尾波均如此)，說明CRH380A型動車組作用于聲屏障上的氣動載荷高于CRH380AM型動車組的作用，這主要是由于CRH380AM型動車組車頭和車尾的流型設計更優，使車頭受到的阻力及車尾受到的升力更小所致。

圖8 橋梁段減載式聲屏障車型特性曲線

為了研究不同車速下車型對聲屏障所受氣動載荷的影響， CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經過橋梁段減載式聲屏障時，應力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖9。

圖9 不同速度下車型對橋梁段減載式聲屏障的影響

如圖9所示，隨著車速的增加，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經過橋梁段減載式聲屏障時應力峰谷值之差的變化基本一致，均為逐漸提高，說明車型對聲屏障的氣動載荷作用受車速的影響不大。

3 路基段減載式聲屏障氣動載荷特性分析

以上主要對橋梁段減載式聲屏障(2.15 m)的氣動載荷特性進行了研究，下面仍然從列車以不同車速經過聲屏障時、列車按上行線和下行線經過聲屏障時以及不同車型的列車經過聲屏障時三個方面對路基段減載式聲屏障(3.95 m)的氣動載荷特性進行分析。

3.1 速度特性

為了研究路基段減載式聲屏障的速度特性，同時方便與橋梁段減載式聲屏障的速度特性進行對比，CRH380A型動車組以不同車速經過路基段減載式聲屏障，H鋼立柱底部的應力時程曲線見圖10。

如圖10所示，隨著列車經過路基段時車速的增加，頭波及尾波應力峰谷值之差均逐漸增大，說明作用于整個聲屏障的氣動載荷增加；且隨著車速的增加，頭波到尾波的時間縮短，說明聲屏障所受氣動載荷的強度增大，這與列車經過橋梁段時的規律基本一致。

對比圖10和圖4可知，列車經過路基段時聲屏障的應力幅值更大，即使在同一列車行駛速度下，這一結論仍然成立，其原因是路基段減載式聲屏障的高度更高。

圖10 路基段減載式聲屏障速度特性曲線

路基段減載式聲屏障立柱根部應力頭波幅值隨車速的變化見圖11。

“綜合與實踐”是《義務教育數學課程標準(2011年版)》(以下簡稱《課標》)中非常重要的知識領域，凸顯學生綜合運用數學知識及思想方法解決實際問題的特點，有助于學生數學活動經驗的積累與數學應用意識、問題解決能力等的培養.正如《課標》中指出的：“綜合與實踐旨在培養學生綜合運用有關的知識與方法解決實際問題，培養學生的問題意識、應用意識和創新意識，積累學生的活動經驗，提高學生解決現實問題的能力.” [1]

如圖11所示，列車經過路基段時，在不同車速下正應力幅值均大于負應力幅值，說明聲屏障受到的沖擊力比吸力要大，這與列車經過橋梁段時的規律基本一致。由圖11可知，隨著車速增加，正應力幅值的增大幅度遠小于負應力幅值的增大幅度，這與列車經過橋梁段時的規律存在較大不同。

圖11 路基段減載式聲屏障立柱根部應力幅值隨車速的變化

3.2 上下行特性

為了研究路基段減載式聲屏障的上下行特性，同時方便與橋梁段減載式聲屏障的上下行特性進行對比， CRH380A型動車組以320 km/h的速度分別從上行線和下行線經過路基段減載式聲屏障，H鋼立柱底部的應力時程曲線見圖12。

圖12 路基橋梁段減載式聲屏障上下行特性曲線

如圖12所示，列車從上行線經過路基段減載式聲屏障時應力幅值大于列車從下行線經過聲屏障時的應力幅值；說明在相同的車速下，列車距離聲屏障越遠，其對聲屏障產生的沖擊力和吸力越小，聲屏障受到的氣動載荷越小，這與列車經過橋梁段時的規律一致。

另外，對比圖12和圖6可知，路基段列車從下行線經過聲屏障時的應力幅值與列車從上行線經過時的應力幅值相比下降的幅度小于列車經過橋梁段時應力幅值的下降幅度，說明減載式聲屏障的上下行特性與聲屏障高度相關，且聲屏障越低，與列車從上行線經過時相比，列車從下行線經過聲屏障時應力幅值的下降幅度越明顯。

為了研究不同車速下，列車分別從上行線和下行線經過路基段減載式聲屏障時，聲屏障所受氣動載荷的變化情況，列車分別從上行線和下行線經過路基段減載式聲屏障，應力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖13。

圖13 列車上下行經過路基段時應力峰谷值之差隨車速變化

如圖13所示，隨車速的增加，列車從上行線經過聲屏障時應力峰谷值之差的增大趨勢與列車從下行線經過聲屏障時應力峰谷值之差的增大趨勢基本一致，說明路基段減載式聲屏障受到的氣動載荷隨車速的變化關系與列車和聲屏障的距離關系較小，這與橋梁段減載式聲屏障的變化規律不一致。

3.3 車型特性

為了研究路基段減載式聲屏障的車型特性，同時方便與橋梁段減載式聲屏障的車型特性進行對比， CRH380A型和CRH380AM型動車組以320 km/h的速度分別經過路基段減載式聲屏障，H鋼立柱底部的應力時程曲線見圖14。

如圖14所示，CRH380A型動車組經過路基段時減載式聲屏障應力幅值大于CRH380AM型動車組經過時的應力幅值，說明CRH380A型動車組作用于聲屏障上的氣動載荷高于CRH380AM型動車組的作用，這與橋梁段一致。

另外，對比圖14和圖8可知，在相同車速下CRH380A型動車組使聲屏障產生的應力時程曲線中頭波到尾波的時間均要長于CRH380AM型動車組，再一次驗證了CRH380A型動車組的長度更長。

圖14 路基段減載式聲屏障車型特性曲線

為了研究不同車速下車型對路基段減載式聲屏障所受氣動載荷的影響，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經過路基段減載式聲屏障，應力頭波峰谷值之差隨車速的變化見圖15。

如圖15所示，隨著車速的增加，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經過路基段減載式聲屏障時應力峰谷值之差均呈現逐漸增大的趨勢，這與橋梁段基本一致；但當動車組車速較低時(低于320 km/h)，路基段減載式聲屏障應力峰谷值之差隨車速增加而增大的趨勢較為緩慢。

圖15 不同速度下車型對路基段減載式聲屏障的影響

4 結論

(1)隨著列車經過橋梁段時車速的增加，減載式聲屏障應力頭波及尾波的應力峰谷值之差均逐漸增大，且頭波到尾波的時間縮短，說明聲屏障所受氣動載荷的幅值及強度會隨車速增加而增大；在不同車速下聲屏障受到的沖擊力比吸力要大，且正應力幅值基本是負應力幅值的兩倍。

(2)在同一車速下，列車距離聲屏障越遠，其對聲屏障產生的沖擊力和吸力越小，聲屏障受到的氣動載荷越小；列車距離聲屏障越近，聲屏障受到的氣動載荷對車速的影響越敏感，且車速越高，列車分別從上行線與下行線經過聲屏障時產生的應力峰谷值之差的差值越大。

(3)在同一車速下，CRH380A型動車組作用于聲屏障上的氣動載荷高于CRH380AM型動車組的作用；CRH380A型動車組使聲屏障產生的應力時程曲線中頭波到尾波的時間要長于CRH380AM型動車組；車型對聲屏障的氣動載荷作用受車速的影響不大。

(4)在同一車速下，列車經過路基段時聲屏障的應力幅值比橋梁段要大；隨著車速增加，正應力幅值的增大幅度遠小于負應力幅值的增大幅度，這與列車經過橋梁段時的規律存在較大不同。

(5)減載式聲屏障的上下行特性與聲屏障高度相關，且聲屏障越低，列車從下行線經過聲屏障時應力幅值的下降幅度越明顯；路基段減載式聲屏障受到的氣動載荷隨車速的變化關系與列車和聲屏障的距離關系較小，這與橋梁段減載式聲屏障的變化規律不一致。

(6)隨著車速的增加，CRH380A型和CRH380AM型動車組分別經過路基段減載式聲屏障時應力峰谷值之差均呈現逐漸增大的趨勢，這與橋梁段基本一致；但當車速較低時(低于320 km/h)，路基段減載式聲屏障應力峰谷值之差隨車速增加而增大的趨勢較為緩慢。