列車運行致高速鐵路全封閉聲屏障氣動荷載研究

李玉學(xué) 陳玄燁

1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院， 石家莊 050043； 2.河北省風(fēng)工程與風(fēng)能利用工程技術(shù)創(chuàng)新中心， 石家莊 050043；3.石家莊鐵道大學(xué) 道路與鐵道工程安全保障省部共建教育部重點實驗室， 石家莊 050043

列車高速行駛引發(fā)的噪聲污染不容忽視，對聲環(huán)境要求較為嚴(yán)格的區(qū)域（如自然保護(hù)區(qū)、人口密集區(qū)等）設(shè)置聲屏障，有效解決了噪聲污染問題［1-2］。然而，列車高速通過聲屏障時，聲屏障表面會產(chǎn)生較大的氣動荷載，該氣動荷載往往成為聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制荷載［3-4］。因此，準(zhǔn)確掌握聲屏障表面的氣動荷載成為合理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵問題之一。

國內(nèi)外學(xué)者借助風(fēng)洞試驗、數(shù)值模擬等方法對氣動荷載進(jìn)行了研究。Belloli等［5］針對一直立式半封閉聲屏障，基于CFD方法，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬高速列車與直立式聲屏障的相對運動，得到了聲屏障表面氣動風(fēng)壓分布形式。Kikuchi等［6］分析了高速列車經(jīng)過直立式聲屏障產(chǎn)生的壓力波，發(fā)現(xiàn)由此導(dǎo)致的聲屏障表面氣動風(fēng)壓與運行列車距觀測點距離成反比。德國鐵路公司采用ICE 3列車進(jìn)行了直立式聲屏障在線行車試驗，發(fā)現(xiàn)聲屏障所受列車氣動荷載峰值與列車運行速度呈平方關(guān)系［7］。陳向東等［8］基于任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian‐Eulerian，ALE）方法模擬了高速列車通過直立式半封閉聲屏障的過程，得到了聲屏障高度、聲屏障至軌道中心線距離等因素對聲屏障表面氣動荷載的影響規(guī)律。韓珈琪等［9］研究不同幾何形式的半封閉聲屏障發(fā)現(xiàn)，聲屏障幾何形式對高速列車運行引起的結(jié)構(gòu)表面氣動風(fēng)壓影響較大，且結(jié)構(gòu)表面氣動風(fēng)壓具有明顯的頭波和尾波效應(yīng)。焦長洲等［10］針對插板式半封閉聲屏障，采用數(shù)值模擬方法得到了不同車型列車通過時結(jié)構(gòu)表面氣動壓力時程曲線，發(fā)現(xiàn)在列車運行速度、聲屏障高度相同時，CRH3型列車引起的氣動壓力幅值小于CRH2型列車，但二者變化趨勢相同。何旭輝、楊斌等［11-12］針對840 m圓形全封閉聲屏障，采用CFD數(shù)值模擬方法分別研究了不同行車工況與不同阻塞比時聲屏障表面氣動荷載特性，發(fā)現(xiàn)會車工況為較危險工況，氣動風(fēng)壓極值大于單車行駛工況，聲屏障同斷面最大壓差幅值與全封閉聲屏障阻塞比成指數(shù)關(guān)系。

已有文獻(xiàn)多針對半封閉聲屏障研究列車高速行駛引起的結(jié)構(gòu)表面氣動荷載分布特性。近年來，隨著人們對生活環(huán)境要求的不斷提高，對列車高速行駛引起的噪聲污染控制也更為嚴(yán)格，聲屏障由原來的半封閉形式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槿忾]形式［13］。與半封閉聲屏障相比，全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)形式的改變，使得列車高速行駛引起的聲屏障表面風(fēng)場繞流特性發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面氣動荷載呈現(xiàn)出不同的分布特性。

本文以京雄高速鐵路410 m矩形全封閉聲屏障為工程背景，基于CFD方法，采用動態(tài)層鋪法模擬350 km/h高速列車運行過程，研究聲屏障表面氣動荷載的分布特性，為類似高速鐵路全封閉聲屏障設(shè)計荷載的合理取值提供參考。

1 工程背景

新建京雄高速鐵路作為雄安新區(qū)未來之城建設(shè)的重要配套工程，為了實現(xiàn)高標(biāo)準(zhǔn)控制噪聲污染的要求，在穿越居民區(qū)的路段采取全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)。京雄高速鐵路410 m矩形斷面全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)內(nèi)部為雙線平直對向車道，軌道中心距聲屏障中心軸線2.50 m，距離近側(cè)聲屏障邊緣3.15 m。聲屏障結(jié)構(gòu)尺寸為8.1 m（高） × 12.0 m（寬），上部兩側(cè)做半徑（R）為0.76 m的倒角。通過聲屏障的高速列車共8輛列車編組，全長201.6 m，車輛尺寸為3.70 m（高） × 3.38 m（寬），全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)和列車布置如圖1所示。

圖1 全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)和列車布置（單位：m）

2 計算模型

2.1 計算方法

高速列車運行時周圍流場運動控制方程［14］為

式中：ρ為密度；Φ為通用變量；t為時間；V為速度；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項。

采用標(biāo)準(zhǔn)k‐ε兩方程湍流模型［15-16］，包括湍動能方程和耗散率方程，分別為

式中：G為湍動能生成項；μ為空氣黏性系數(shù)；σk和σε是與湍動能（k）和耗散率（ε）對應(yīng)的普朗特數(shù)，分別取1.0和1.3；C1和C2為常數(shù)，分別取1.44和1.92。

2.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

采用Unigraphics NX軟件對全封閉聲屏障和高速列車進(jìn)行建模，綜合考慮計算精度與計算效率，對聲屏障與列車外形進(jìn)行適當(dāng)簡化。由于平滑過渡的列車車體表面幾乎沒有渦流［12］，因此簡化了車廂銜接處的同時突出了外部結(jié)構(gòu)物。建立的列車和聲屏障幾何模型如圖2所示。

圖2 列車和聲屏障幾何模型

采用動態(tài)層鋪法模擬列車運動。將列車及列車周圍的流場視為剛體并進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分，命名為移動網(wǎng)格區(qū)域；將移動網(wǎng)格區(qū)域前后表面延長，并采用掃略（Sweep）進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，命名為動態(tài)網(wǎng)格區(qū)域；在Fluent中設(shè)置移動網(wǎng)格區(qū)域向前水平運動，動態(tài)網(wǎng)格區(qū)域發(fā)生網(wǎng)格重構(gòu)，以此模擬列車的相對運動。在移動網(wǎng)格區(qū)域和動態(tài)網(wǎng)格區(qū)域外側(cè)建立外部流場（包括聲屏障），該區(qū)域參與流場計算，但不參與內(nèi)部網(wǎng)格運動，命名為靜止網(wǎng)格區(qū)域，如圖3所示。整體計算域側(cè)面與頂面采用壓力出口邊界，地面、列車與全封閉聲屏障采用無滑移邊界。由于三個流域網(wǎng)格在邊界處沒有共用節(jié)點，不具有連通性，無法用于流場計算，因此將三個流域的重合面設(shè)置為Interface，采用插值的方法實現(xiàn)質(zhì)量、動量、能量等流場數(shù)據(jù)交換。與通常的滑移網(wǎng)格法相比，該方法中Interface面全部重合，不會出現(xiàn)因多出網(wǎng)格而造成的計算資源浪費問題。另外，將列車設(shè)置在距離聲屏障較遠(yuǎn)的地方，待列車周圍流場趨于穩(wěn)定后再穿過聲屏障，避免列車啟動時氣壓急劇變化而產(chǎn)生計算誤差。

圖3 計算區(qū)域劃分

模型采用ANSYS mesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對列車及聲屏障附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，在遠(yuǎn)離列車與全封閉聲屏障的靜止網(wǎng)格區(qū)域采用適當(dāng)稀疏的網(wǎng)格以控制網(wǎng)格數(shù)量，提高計算效率。為減小網(wǎng)格對計算結(jié)果的影響，通過調(diào)整局部網(wǎng)格尺寸進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性試算。網(wǎng)格數(shù)量大于1 100萬時，得到的全封閉聲屏障表面測點風(fēng)壓峰值變化很小，據(jù)此選定模型總網(wǎng)格數(shù)約為1 100萬，此時列車表面最小網(wǎng)格尺寸為0.20 m，聲屏障表面最小網(wǎng)格尺寸為0.15 m。通過設(shè)置列車與聲屏障表面的邊界層，并控制邊界層第一層網(wǎng)格高度，使無量綱壁面距離y+值小于200，以保證計算精度和計算效率的要求。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.3 測點布置與分析工況設(shè)置

在全封閉聲屏障長度方向共設(shè)置9個觀測斷面，考慮到列車交會時結(jié)構(gòu)表面氣動荷載分布特性復(fù)雜，在會車位置附近將觀測斷面進(jìn)行加密處理；每個斷面兩側(cè)高度方向分別布置3個測點，頂部布置5個測點，見圖5。圖中的1/2、2/2、1/4、1/5表示會車位置附近加密的觀測斷面編號，觀測斷面序號為分母，加密斷面的序號作為分子。例如，加密斷面■為斷面②后側(cè)的第一個加密斷面，則分母為2，分子為1；加密斷面■為斷面④后側(cè)的第一個加密斷面，則分母為4，分子為1。

圖5 觀測斷面、測點編號及位置（單位：m）

對運行速度為350 km/h的列車通過全封閉聲屏障進(jìn)行研究，設(shè)置3個工況：①單車行駛工況，即速度為350 km/h的列車沿圖1中左側(cè)車道通過全封閉聲屏障；② 1/2跨處會車工況，即兩輛列車對向同時駛?cè)肴忾]聲屏障，并以350 km/h的交會速度在聲屏障1/2跨處會車后通過聲屏障；③ 1/4跨處會車工況，即兩輛列車在不同時刻對向駛?cè)肴忾]聲屏障，并以350 km/h的交會速度在聲屏障1/4跨處會車后通過聲屏障。

3 計算結(jié)果分析

3.1 測點風(fēng)壓時程

為了研究列車運行過程中聲屏障表面不同觀測斷面測點風(fēng)壓分布規(guī)律，根據(jù)計算結(jié)果提取并整理了不同觀測斷面測點的風(fēng)壓時程。單車行駛工況下聲屏障代表性觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線見圖6。圖中橫坐標(biāo)為列車在聲屏障內(nèi)運行時間，縱坐標(biāo)中正號表示風(fēng)壓指向聲屏障外部，表現(xiàn)為壓力；負(fù)號表示風(fēng)壓指向聲屏障內(nèi)部，表現(xiàn)為吸力。

圖6 單車行駛工況下聲屏障代表性觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線

由圖6可知：

1）同一觀測斷面相應(yīng)各個測點風(fēng)壓時程曲線基本一致，不同觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線差異明顯。斷面①上11個測點均在2.1 s附近出現(xiàn)正風(fēng)壓峰值，在4.1 s附近出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓峰值，其余時刻風(fēng)壓接近0。斷面⑤上11個測點均在3、7 s附近出現(xiàn)正風(fēng)壓峰值，在5 s附近出現(xiàn)負(fù)風(fēng)壓峰值，且正負(fù)風(fēng)壓峰值持續(xù)時間明顯增加。

2）整體而言，聲屏障出入口附近斷面測點風(fēng)壓峰值持續(xù)時間均明顯小于聲屏障中部斷面測點風(fēng)壓峰值持續(xù)時間。入口處的斷面①相應(yīng)測點在2.05 s開始出現(xiàn)正風(fēng)壓峰值，持續(xù)時間約0.13 s，1/2跨的斷面⑤相應(yīng)測點在2.1 s出現(xiàn)正風(fēng)壓峰值，但持續(xù)時間達(dá)2 s。

根據(jù)圖6不同斷面測點風(fēng)壓時程曲線，繪制列車壓力波曲線，如圖7所示。可知，列車車頭進(jìn)入聲屏障時形成壓縮波，列車車尾進(jìn)入聲屏障時形成膨脹波，并在聲屏障出入口以另一種波的形式返回傳遞。選取聲屏障1/2跨（圖中水平線），即斷面⑤所在位置，并結(jié)合圖6（c）斷面⑤風(fēng)壓時程曲線可以發(fā)現(xiàn)，壓縮波到達(dá)聲屏障1/2跨時，斷面⑤測點風(fēng)壓為正或有正向增長趨勢，膨脹波到達(dá)聲屏障1/2跨時，斷面⑤測點風(fēng)壓為負(fù)或有負(fù)向增長趨勢，且壓力波隨折返次數(shù)逐漸減弱，與文獻(xiàn)［17］中描述的壓力波規(guī)律基本一致。

圖7 列車壓力波曲線

1/2跨處會車工況下聲屏障代表性觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線見圖8。

圖8 1/2跨處會車工況下聲屏障代表性觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線

由圖8可知：

1）同一觀測斷面相應(yīng)各個測點風(fēng)壓時程曲線基本一致，不同觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓峰值持續(xù)時間和風(fēng)壓峰值出現(xiàn)次數(shù)差異顯著。斷面②上11個測點均在2.5、8.0 s附近出現(xiàn)兩次正風(fēng)壓峰值，在4.5、6.0 s附近出現(xiàn)兩次負(fù)風(fēng)壓峰值，其余時刻風(fēng)壓接近0。而斷面⑤上11個測點均在4、8 s附近出現(xiàn)兩次正風(fēng)壓峰值，在6 s附近僅出現(xiàn)一次負(fù)風(fēng)壓峰值，但正負(fù)風(fēng)壓峰值持續(xù)時間均明顯增加。

2）部分觀測斷面測點風(fēng)壓發(fā)生突變。斷面③上11個測點風(fēng)壓均在5.2 s附近發(fā)生突變，負(fù)風(fēng)壓絕對值瞬時增大0.9 kPa，原因可能是從出口駛?cè)肴忾]聲屏障的列車在5.2 s恰好到達(dá)斷面③。同時，部分觀測斷面測點風(fēng)壓還呈現(xiàn)靠近出入口處持續(xù)時間短，且迅速到達(dá)峰值的趨勢，靠近1/2跨則迅速增加然后緩慢增長至峰值，且持續(xù)時間長。原因可能是兩列車對向行駛時，不同斷面位置聲屏障內(nèi)部風(fēng)壓疊加，氣流擴(kuò)散相互作用程度不同。

1/4跨處會車工況下聲屏障代表性觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線見圖9。

圖9 1/4跨處會車工況下聲屏障代表性觀測斷面相應(yīng)測點風(fēng)壓時程曲線

由圖9可知，同一觀測斷面相應(yīng)各個測點風(fēng)壓時程曲線基本一致，不同觀測斷面相應(yīng)測點的風(fēng)壓峰值持續(xù)時間和風(fēng)壓峰值出現(xiàn)次數(shù)差異更明顯。斷面①上11個測點均在4.20、8.30 s附近出現(xiàn)兩次正風(fēng)壓峰值，在6.25 s附近出現(xiàn)一次負(fù)風(fēng)壓峰值，其余時刻風(fēng)壓接近0。而斷面⑦上11個測點在3.0、5.6、7.2、9.4 s附近出現(xiàn)4次正風(fēng)壓峰值，在4.2、8.3 s附近出現(xiàn)兩次負(fù)風(fēng)壓峰值，且與斷面①相應(yīng)測點相比，斷面⑦相應(yīng)測點正負(fù)風(fēng)壓峰值持續(xù)時間均明顯增加。

綜上，與單車行駛工況相比，兩種會車工況下列車高速運行引起的氣動風(fēng)壓波動更加頻繁、復(fù)雜，出現(xiàn)了更多的風(fēng)壓突升和突降現(xiàn)象，使得風(fēng)壓極值出現(xiàn)次數(shù)增多，且數(shù)值大，可能是兩輛列車交會通過聲屏障時產(chǎn)生的氣壓波相互疊加作用所致。與1/4跨處會車工況相比，1/2跨處會車工況形成的正負(fù)氣動風(fēng)壓絕對值更大且數(shù)值較穩(wěn)定，原因可能是1/2跨處會車工況下兩列車同時進(jìn)入聲屏障，氣壓波同步向?qū)?cè)傳播，相互疊加作用更顯著，使得斷面測點出現(xiàn)了較大的氣動風(fēng)壓絕對值，而1/4跨處會車工況下，兩列車在不同時刻進(jìn)入聲屏障，氣壓波傳播不同步，相互疊加作用稍弱，氣動風(fēng)壓絕對值較小。

3.2 結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓極值分布

不同工況風(fēng)壓極值隨斷面位置變化曲線見圖10。圖中，橫坐標(biāo)（k）為測點斷面距聲屏障入口的距離（x）與聲屏障總長度（l）的比值。

圖10 不同工況風(fēng)壓極值隨斷面位置變化曲線

由圖10（a）可知：在單車行駛工況和1/4跨處會車工況下，正風(fēng)壓極值隨著斷面距入口距離的增加而逐漸減小，在1/2跨減至最低，而后逐漸增大。在1/2跨處會車工況下，正風(fēng)壓極值隨觀測斷面位置變化規(guī)律與其他兩種工況明顯不同。正風(fēng)壓極值隨著斷面位置距入口距離的增加而逐漸增大，在k= 0.39處正風(fēng)壓達(dá)到最大值3.56 kPa，之后逐漸減小。

由圖10（b）可知：在單車行駛工況和1/2跨處會車工況下，負(fù)風(fēng)壓極值絕對值隨著斷面距入口距離的增加逐漸增大，在1/2跨增至最大，而后逐漸減小，但兩種工況下曲線的變化幅度差別較大。在1/4跨處會車工況下，隨聲屏障斷面距入口距離增加，負(fù)風(fēng)壓極值絕對值逐漸增大，在k= 0.15 ~ 0.39，負(fù)風(fēng)壓絕對值增至最大值4.21 kPa，而后逐漸減小，在1/2跨處減小到2.05 kPa左右，直到出口處其值變化不大。

綜上，1/2跨處會車工況下，正、負(fù)風(fēng)壓最大值絕對值均大于其余工況，正風(fēng)壓最大值為3.59 kPa，出現(xiàn)在k= 0.61處，分別為單車行駛工況和1/4跨處會車工況的1.37倍和1.11倍；負(fù)風(fēng)壓最大值絕對值為4.87 kPa，出現(xiàn)在聲屏障1/2跨處，分別為單車行駛工況和1/4跨處會車工況的2.23倍和1.16倍。由此判定，1/2跨處會車工況為最不利工況，應(yīng)以此作為聲屏障抗風(fēng)設(shè)計的控制工況。

3.3 最不利工況關(guān)鍵測點風(fēng)壓系數(shù)

無量綱的風(fēng)壓系數(shù)（Cp）是用于聲屏障結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計的重要參數(shù)。在結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計最不利工況下，列車運行到不同位置時，聲屏障表面關(guān)鍵測點無量綱風(fēng)壓系數(shù)計算式［18］為

式中：p為列車運行到不同位置時各測點的風(fēng)壓；v為列車運行速度。

考慮最不利工況（1/2跨處會車工況）下，列車運行和聲屏障結(jié)構(gòu)的對稱性，選取半跨聲屏障結(jié)構(gòu)表面關(guān)鍵測點無量綱風(fēng)壓系數(shù)，見圖11。

圖11 列車運行到不同位置時聲屏障表面關(guān)鍵測點無量綱風(fēng)壓系數(shù)

由圖11可知：

1）列車車頭到達(dá)聲屏障入口時，聲屏障內(nèi)部均為正壓，入口處斷面不同高度測點風(fēng)壓系數(shù)值差異較大。其中，底部測點a風(fēng)壓系數(shù)最大，倒角處測點g風(fēng)壓系數(shù)最小，二者相差40.4%；其他斷面各測點風(fēng)壓系數(shù)相差不大，風(fēng)壓系數(shù)在0.37左右。

2）列車車頭到達(dá)聲屏障1/4跨處時，車頭已經(jīng)過的聲屏障區(qū)域斷面測點風(fēng)壓系數(shù)大幅度降低，測點g風(fēng)壓系數(shù)降至0.02。測點a與測點g風(fēng)壓系數(shù)最大相差32.8%。車頭未經(jīng)過的聲屏障區(qū)域斷面測點仍保持較大的正風(fēng)壓系數(shù)，在0.49左右。

3）列車車頭到達(dá)聲屏障1/2跨處時，列車已全部進(jìn)入聲屏障中，聲屏障全區(qū)域斷面測點風(fēng)壓系數(shù)均轉(zhuǎn)為負(fù)值。隨著斷面距聲屏障入口距離的增加，負(fù)風(fēng)壓系數(shù)絕對值逐漸減小。

4）列車車頭到達(dá)聲屏障3/4跨處時，入口處斷面測點風(fēng)壓系數(shù)值全部為負(fù)，且數(shù)值較小，在0.004左右。隨著斷面距聲屏障入口距離的增加，負(fù)風(fēng)壓系數(shù)絕對值明顯增大，在1/2跨處達(dá)到最大。

5）列車車頭到達(dá)聲屏障出口處時，入口處斷面測點負(fù)風(fēng)壓系數(shù)絕對值再次增大，出現(xiàn)第二次負(fù)壓系數(shù)峰值，絕對值為0.37；隨著距聲屏障入口距離的增加，負(fù)風(fēng)壓系數(shù)絕對值先增大然后在1/2跨處快速減小。

6）列車車尾離開聲屏障出口處時，聲屏障斷面測點風(fēng)壓系數(shù)均為較小的正值，且不同位置數(shù)值相差不大，風(fēng)壓系數(shù)基本在0.16左右。

綜上，在1/2跨處會車工況下，聲屏障斷面測點風(fēng)壓系數(shù)由列車進(jìn)入聲屏障時的正值逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱熊囋诼暺琳蟽?nèi)部行駛時的負(fù)值，在車頭到達(dá)聲屏障3/4跨處時負(fù)風(fēng)壓系數(shù)絕對值達(dá)到最大，在列車駛離聲屏障時再次轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值較小的正值。此外，列車車頭經(jīng)過處聲屏障斷面測點的正、負(fù)風(fēng)壓極值均大于列車尾部經(jīng)過處聲屏障斷面測點的正、負(fù)風(fēng)壓極值。

3.4 斷面環(huán)向壓差

已有研究表明［12］，列車運行過程中產(chǎn)生的壓力波在聲屏障中不僅沿徑向傳播，還沿環(huán)向不均勻擴(kuò)散到聲屏障內(nèi)表面，使聲屏障同一斷面受到不同的氣動風(fēng)壓，形成斷面環(huán)向壓差，同一斷面較大的環(huán)向壓差會顯著影響結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。因此，在全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計時還需考慮氣動風(fēng)壓的環(huán)向壓差分布特性，據(jù)此本文對聲屏障斷面的環(huán)向壓差進(jìn)行了分析。最不利工況下聲屏障代表性斷面環(huán)向壓差分布見圖12。

圖12 最不利工況下聲屏障代表性斷面環(huán)向壓差分布（單位：kPa）

由圖12可知：

1）入口處斷面①，列車運行軌道側(cè)正壓明顯高于無列車運行軌道側(cè)，且隨著斷面高度增加正壓逐漸減小，最大正壓差為40.4%（最大正壓差為該斷面正風(fēng)壓最大值和最小值之差與正風(fēng)壓最大值之比）；列車運行軌道側(cè)負(fù)風(fēng)壓絕對值明顯低于無列車運行軌道側(cè)，最大負(fù)壓差為29.1%（最大負(fù)壓差為該斷面出現(xiàn)的負(fù)風(fēng)壓絕對值的最大值和最小值之差與負(fù)風(fēng)壓絕對值的最大值之比）。

2）1/4 跨處斷面③，斷面環(huán)向正壓分布情況與斷面①相似，最大正壓差為32.3%；負(fù)壓絕對值均隨著斷面高度增加先增大后減小，最大負(fù)壓差為5.8%。

3）1/2 跨處斷面⑤，無論是正壓差還是負(fù)壓差均變化不大，且數(shù)值較小，接近0。

綜上，聲屏障入口處斷面正、負(fù)壓差最大，隨著斷面向聲屏障跨中靠近，斷面正、負(fù)壓差均逐漸減小，在會車位置的1/2跨斷面正、負(fù)壓差近似降為0。據(jù)此，建議在全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載組合時，將氣動風(fēng)壓加載模式分為4種情況：①全封閉聲屏障全斷面承受正風(fēng)壓情況，按各斷面位置最大正風(fēng)壓極值計算；②全封閉聲屏障全斷面承受負(fù)風(fēng)壓情況，按各斷面位置最大負(fù)風(fēng)壓極值計算；③全封閉聲屏障承受正風(fēng)壓且存在斷面環(huán)向正壓差情況，即最大正風(fēng)壓極值與40%的環(huán)向正壓差組合；④全封閉聲屏障承受負(fù)風(fēng)壓且存在斷面環(huán)向負(fù)壓差情況，即最大負(fù)風(fēng)壓極值與30%的環(huán)向負(fù)壓差組合。

4 結(jié)論

1）單車行駛工況、1/2跨處會車工況、1/4跨處會車工況下，觀測斷面越靠近全封閉聲屏障1/2跨位置，關(guān)鍵測點所受正、負(fù)風(fēng)壓持續(xù)時間越久。與單車行駛工況相比，會車工況關(guān)鍵測點風(fēng)壓多次出現(xiàn)極值，且在1/4跨處會車工況下風(fēng)壓極值出現(xiàn)次數(shù)最多。

2）1/2 跨處會車工況下，正風(fēng)壓最大值為3.59 kPa，分別為單車行駛工況和1/4跨處會車工況的1.37、1.11倍；負(fù)風(fēng)壓最大值絕對值為4.87 kPa，分別為單車行駛工況和1/4跨處會車工況的2.23、1.16倍。1/2跨處會車工況是聲屏障表面氣動風(fēng)壓的最不利工況。

3）在1/2跨處會車最不利工況下，全封閉聲屏障斷面測點風(fēng)壓呈現(xiàn)出正-負(fù)-正的變化規(guī)律，且列車車頭經(jīng)過處全封閉聲屏障斷面測點的正、負(fù)風(fēng)壓極值均大于列車尾部經(jīng)過處全封閉聲屏障斷面測點的正、負(fù)風(fēng)壓極值。

4）在1/2跨處會車最不利工況下，全封閉聲屏障出入口處出現(xiàn)了較大的斷面環(huán)向壓差，其中最大正、負(fù)斷面環(huán)向壓差值分別達(dá)到40.4%和29.1%。說明在全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計用氣動風(fēng)荷載取值時不能忽略斷面環(huán)向壓差的影響。

5）建議在全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載組合時，將氣動風(fēng)壓加載模式分為4種情況：①全封閉聲屏障全斷面承受正風(fēng)壓情況，按各斷面位置最大正風(fēng)壓極值計算；②全封閉聲屏障全斷面承受負(fù)風(fēng)壓情況，按各斷面位置最大負(fù)風(fēng)壓極值計算；③全封閉聲屏障承受正風(fēng)壓且存在斷面環(huán)向正壓差情況，即最大正風(fēng)壓極值與40%的環(huán)向正壓差組合；④全封閉聲屏障承受負(fù)風(fēng)壓且存在斷面環(huán)向負(fù)壓差情況，即最大負(fù)風(fēng)壓極值與30%的環(huán)向負(fù)壓差組合。