輪軌振動與氣動荷載耦合作用下輕質裝配式明洞動力學特性

付兵先 馬偉斌 鄒文浩 趙鵬

中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

鐵路隧道洞口常用的防危巖落石結構有鋼筋混凝土明洞或棚洞、防護網、柔性鋼結構棚洞等［1-3］。鋼筋混凝土明洞或棚洞防護性能好，但其重量、尺寸大，可實施性較差，因而輕質高強的鋼結構明洞或棚洞越來越受到工程界的青睞，但是一些問題也逐漸被顯露出來。隧道洞口增設明洞或棚洞后有效凈空面積增大且突變，隨著列車速度的提高，對列車通過隧道、兩車在隧道內交會時的空氣動力學效應有影響，使車體表面和隧道內的氣動特性發生變化，進而影響旅客舒適度和列車運行安全。此外，列車通過時所產生的列車風對明洞或棚洞的氣動作用也有影響，該作用力的強弱取決于列車行駛速度、外形以及明洞或棚洞距列車的距離等，加之輪軌振動作用，可能對明洞或棚洞的結構安全有影響。因此，有必要對高速列車通過時明洞或棚洞結構動力學效應進行研究。

國內就不同車速、隧道長度［4］、落石緩沖結構［5-8］等因素對隧道空氣動力學效應的影響有大量研究，尚缺乏對隧道增設明洞或棚洞后的空氣動力學效應的研究。靳寶成［9］通過流體動力學計算軟件模擬風洞模型試驗，得出作用在防風明洞表面的風荷載隨風速增大而增大，且迎風側為正壓，背風側及拱頂為負壓。孫建成［10］分析了防風明洞內外流場的變化規律，對比不同路段、風速工況下，開孔及不開孔防風明洞的風荷載。楚琦星［11］導入氣動載荷數據，分析動車組進出明洞和隧道時的穩定性，得出側向風力對列車動力學性能有影響。羅勇［12］分析裝配式防風明洞結構形式與受力，提出明洞設計方法，構建了戈壁大風區防風明洞結構體系。

本文采用流體動力學計算軟件，建立高速列車通過輕質裝配式明洞（簡稱明洞）時的空氣動力學模型，運用滑移網格技術模擬高速列車通過時明洞結構響應情況。

1 明洞結構

明洞結構由正交各向異性的壓型鋼板和條形基礎組成。壓型鋼板的波高、波距、壁厚分別為300、110、8 mm，鋼材材質為Q345B。條形基礎深度不小于1.5 m，截面尺寸為1.5 m × 1.5 m，采用鋼筋混凝土結構，混凝土強度等級為C35。明洞結構外側鋪設防水層，背后回填緩沖材料，如圖1所示。

圖1 明洞結構斷面

2 輪軌振動與氣動荷載耦合模型

2.1 計算模型

本文以8節編組復興號動車組為原型建立列車模型，如圖2 所示。動車組全長203.80 m，車體寬、高分別為3.38、4.05 m，車身斷面面積為12.50 m2。

圖2 計算模型

2.2 計算參數

采用中國高速譜模擬軌道不平順，列車速度為350 km/ h 時輪軌力見圖3。可知，最大垂向、橫向輪軌力分別為90.265、4.389 kN。

圖3 列車速度為350 km/ h時的輪軌力

壓型鋼板力學參數參考文獻［13］取值，見表1。當壓型鋼板進入塑性階段后，采用雙線性塑性本構模型進行模擬。

表1 壓型鋼板力學參數

另外，還需定義隧道入口流場的密度、初始速度、溫度、壓力等參數。

2.3 邊界條件

計算涉及到的邊界條件有：壓力邊界、壁面邊界、交互邊界等。

1）壓力邊界。根據列車的行駛方向，定義列車后側邊界為壓力進口邊界，前側邊界為壓力出口邊界。

2）壁面邊界。近壁面的流場流動滿足高雷諾數流動，需采用壁面函數法模擬。本文選取標準壁面函數來模擬。

3）交互邊界。通過定義不同單元區域的分界面，模擬各區域分界面之間的相對運動。將列車與列車之間、列車與隧道之間的分界面設定為交互邊界，不同計算區域的數據通過分界面來傳遞和交換。

2.4 列車交會

選取最不利工況進行分析，列車分別在明洞中心和隧道與明洞中心進行交會，如圖4 所示。其中：L1為接長明洞長度（既有隧道增設明洞的長度），L2為隧道長度，L2= 731 m。

圖4 列車交會位置

2.5 計算結果

2.5.1 不同接長明洞長度下明洞結構響應

接長明洞長度分別為10、50、150、250 m，高速列車以速度350 km/ h 在隧道與明洞中心交會時明洞結構響應見圖5。其中：列車前方的壓力為正壓，后方的壓力為負壓。

圖5 不同接長明洞長度下明洞結構響應

由圖5（a）可知：隨著接長明洞長度的增加，正、負壓引起的明洞應力均減小。接長明洞長度小于50 m時正壓引起的明洞應力降速較大，大于50 m 時負壓引起的明洞應力降速較大，負壓引起的明洞應力比正壓引起的大13.1% ～ 17.2%。因此，接長明洞長度越短越接近最不利交會臨界長度，氣動響應值也越大。

由圖5（b）可知：正、負壓引起的明洞最大動變形均隨接長明洞長度的增加而遞減，與圖5（a）相似。接長明洞長度小于50 m 時正壓引起的明洞動變形降速較大，大于50 m 時負壓引起的明洞動變形降速較大，負壓引起的明洞動變形比正壓引起的大16.1% ～18.6%。

由圖5（c）可知：正、負壓引起的明洞振動加速度呈非線性遞減趨勢。當接長明洞長度小于20 m 時，高速列車通過時正壓產生的振動加速度大于負壓產生的振動加速度，大于20 m 后則相反。接長明洞長度小于50 m 時，正、負壓引起的明洞振動加速度降速較大。考慮振動加速度較小，正、負壓對明洞結構的影響較弱。

2.5.2 明洞不同部位的結構響應

高速列車以速度350 km/ h 在隧道與明洞中心交會時距軌面高度1.2、6.5、8.4 m明洞結構響應見圖6。

圖6 距離軌面不同高度下明洞結構響應

由圖6（a）可知：接長明洞長度一定時，隨著距離軌面高度的增加，明洞應力逐漸增加。當距離軌面高度小于6.5 m 時應力呈線性增大趨勢，大于6.5 m 后增速變大，呈非線性增大趨勢。主要原因為明洞采用條形基礎，底部為固定約束，距離軌道越近基礎的約束越強，高速列車通過時產生的振動、氣動荷載對明洞影響較弱。超過一定高度后基礎的約束降低，明洞響應增大。另外，接長明洞長度越短，結構的縱向剛度越弱，明洞應力越大。

由圖6（b）可知：在接長明洞長度一定時，隨著距離軌面高度的增加，明洞動變形逐漸增加，與應力變化規律相似。當距離軌面高度小于6.5 m 時動變形呈現線性增大趨勢，大于6.5 m 后呈非線性增大趨勢，且增速變大。明洞最大動變形出現在明洞頂部，主要原因是明洞頂部比底部剛度小，而明洞底部受條形基礎的約束，剛度較大，動變形相對較小。

由圖6（c）可知：不同接長明洞長度下，明洞距離軌面不同位置的振動加速度均較小。接長明洞長度為10 m 時隨著距離軌面高度的增加，明洞振動加速度逐漸增加，當距離軌面高度大于6.5 m 后振動加速度增速變大。接長明洞長度為50、150、250 m 時，隨著距離軌面高度的增加明洞振動加速度逐漸遞減，當距離軌面高度大于6.5 m后振動加速度降速變大。

2.5.3 不同交匯位置下明洞結構響應

高速列車以速度350 km/ h 分別在明洞中心、隧道與明洞中心交會時明洞結構響應見圖7。

圖7 不同交會位置明洞結構響應

由圖7（a）可知：接長明洞長度一定時，高速列車在隧道與明洞中心交會比在明洞中心交會對明洞應力的影響大。隨著接長明洞長度的增加，高速列車在明洞中心交會時明洞應力近似呈指數遞減，在隧道與明洞中心交會時明洞應力近似呈線性遞減。高速列車分別在隧道與明洞中心、明洞中心交會時明洞應力差在13.5% ～ 40.9%。

由圖7（b）可知：接長明洞長度一定時，高速列車在隧道與明洞中心交會比在明洞中心交會對明洞動變形的影響大。隨著接長明洞長度的增加，高速列車在明洞中心交會時明洞動變形近似呈指數遞減，高速列車在隧道與明洞中心交會時明洞動變形近似呈線性遞減。高速列車分別在隧道與明洞中心、明洞中心交會時明洞動變形差在16.3% ～ 39.1%。

由圖7（c）可知：隨著接長明洞長度的增加，高速列車分別在明洞中心、隧道與明洞中心交會時明洞振動加速度均減小。當接長明洞長度小于20 m 時，高速列車在明洞中心交會產生的振動加速度大于在隧道與明洞中心交會時的振動加速度，當接長明洞長度大于20 m后則相反。

3 結論

根據鐵路隧道洞口地形特征，設計了一種輕質裝配式鋼結構明洞。通過數值模擬，得到了高速列車通過時明洞結構響應情況。相關成果可為鐵路隧道的防護設計提供參考，研究方法也可為類似工程提供借鑒。主要結論如下：

1）隨著接長明洞長度的增加明洞應力、動變形和振動加速度均減小，在接長明洞長度小于50 m 時應力、動變形、振動加速度降速較大。負壓引起的明洞應力比正壓引起的大13.1% ～ 17.2%、動變形大16.1%～18.6%。正、負壓引起的明洞振動加速度較小，對明洞結構的影響較弱。

2）隨著距離軌面高度的增加，明洞的應力和動變形增大。當距離軌面高度小于6.5 m 時應力和動變呈線性增大趨勢，大于6.5 m 后增速變大，呈非線性增大趨勢。不同接長明洞長度、距離軌面不同位置，明洞的振動加速度均較小。

3）列車交會位置對明洞應力和動變形有影響，高速列車在隧道與明洞中心、明洞中心交會時明洞應力差在13.5% ～ 40.9%、動變形差在16.3% ～ 39.1%。不同交會位置下明洞振動加速度較小。

4）在高速列車輪軌振動與氣動荷載耦合作用下，明洞應力、動變形及振動加速度均較小，結構安全。