武廣鐵路客運(yùn)專線列車脈動(dòng)力對聲屏障的影響研究

胡 喆

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司環(huán)工處,武漢 430063)

武廣鐵路客運(yùn)專線列車脈動(dòng)力對聲屏障的影響研究

胡 喆

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司環(huán)工處,武漢 430063)

脈動(dòng)力是聲屏障動(dòng)力設(shè)計(jì)的控制因素,只有確定了客運(yùn)專線脈動(dòng)力大小才能開展下一步的聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采用可壓縮三維流動(dòng)模型,利用大型通用流體計(jì)算軟件 Fluent對列車高速通過時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)力進(jìn)行模擬計(jì)算,對脈動(dòng)力的作用特點(diǎn)、脈動(dòng)力對聲屏障結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行研究分析,結(jié)論為：列車引起的最大正負(fù)壓力差達(dá) 1 500 Pa,將對聲屏障和地基連接部件產(chǎn)生重大影響,線間距對聲屏障壓力有重要影響,車型對聲屏障壓力影響不大。

武廣鐵路客運(yùn)專線;脈動(dòng)力;聲屏障

客運(yùn)專線、高速鐵路以其高速度、乘坐舒適性成為各國發(fā)展最快的一種交通方式。但是隨之而來所產(chǎn)生的噪聲、振動(dòng)對環(huán)境的影響引起了人們的普遍注意,國際上許多學(xué)者已經(jīng)開始著手研究噪聲、振動(dòng)的污染規(guī)律、產(chǎn)生的原因、傳播途徑、控制方法以及對人體的危害等問題。聲屏障是治理噪聲問題的一種有效途徑,國內(nèi)許多學(xué)者對聲屏障的降噪效果以及聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)檢算進(jìn)行了探討。

2004年下半年,鐵道部高速辦組織了“京滬高速鐵路工程設(shè)計(jì)”的國際咨詢,德國專家提出了由于列車風(fēng)荷載的周期性作用(壓-吸力)—脈動(dòng)力對聲屏障的影響是不容忽視的,在國外高速列車通過時(shí)已存在聲屏障開裂、疲勞破壞等現(xiàn)象。而我國在德國專家咨詢后,僅有一些概念上的認(rèn)識(shí)和分析。武廣鐵路客運(yùn)專線時(shí)速 350 km,研究列車通過時(shí)脈動(dòng)力對聲屏障的影響對指導(dǎo)設(shè)計(jì)具有重要意義。

本文采用可壓縮三維流動(dòng)模型,利用大型通用流體計(jì)算軟件 Fluent[5]對列車高速通過時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)力進(jìn)行了模擬計(jì)算,對脈動(dòng)力的作用特點(diǎn)、脈動(dòng)力對聲屏障結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了研究分析。

1 計(jì)算模型的建立

圖1給出了模型邊界條件和模型尺寸,虛線是為了網(wǎng)格劃分而將模型分割的線。圖中模型的尺寸根據(jù)車型、線間距及聲屏障的高度變化而變化。n值為線間距離,分別取 4.6m和 4.1m,m為聲屏障高度,分別取 2.05、2.55、3.05m,w、h為不同車型列車寬度和高度,分別取 CRH2和 CRH3的列車寬度和高度。

圖1 計(jì)算模型邊界條件和模型尺寸(單位：m)

計(jì)算模型網(wǎng)格劃分示意見圖2。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格劃分示意

本次計(jì)算選取 CRH2、CRH3兩種車型,聲屏障設(shè)計(jì)高度按軌面而非地面以上高度分別為 2.05、2.55、3.05m,根據(jù)武廣鐵路客運(yùn)專線速度目標(biāo)值選取計(jì)算速度為 350 km/h。具體計(jì)算模型組數(shù)如表1所示。

測點(diǎn)布置在沿聲屏障的不同里程上,并且在同一里程上沿聲屏障的高度分布有 5個(gè)測點(diǎn),見圖3。測點(diǎn)布置參數(shù)取值見表2,測點(diǎn)縱向間距為 10m。

圖3 測點(diǎn)布置(單位：m)

表2 測點(diǎn)布置參數(shù)取值

2 計(jì)算結(jié)果圖示

計(jì)算結(jié)果如圖4～圖12所示。

圖形編號說明如下：CRH2-350-3.05-4.6代表車型為 CRH2,運(yùn)行速度為 350 km/h,聲屏障高度為3.05m,線間距離為 4.6m時(shí),測點(diǎn)的壓力變化,右側(cè)的云圖為車頭經(jīng)過時(shí)聲屏障的壓力云圖。

圖4 CRH 2-350-3.05-4.6

圖5 CRH 2-350-2.55-4.6

圖6 CRH 2-350-2.55-4.1

圖7 CRH 2-350-2.05-4.1

圖8 CRH 3-350-3.05-4.6

圖9 CRH 3-350-2.55-4.6

圖11 CRH 3-350-2.05-4.6

圖12 CRH 3-350-2.05-4.1

3 計(jì)算結(jié)果分析

(1)聲屏障所受脈動(dòng)壓力過程分析

由圖4～圖12給出的不同模型列車經(jīng)過各個(gè)測點(diǎn)時(shí)測點(diǎn)壓力變化時(shí)程曲線,反映了列車經(jīng)過聲屏障時(shí)聲屏障所受脈動(dòng)壓力的過程。各個(gè)測點(diǎn)的最大正壓力出現(xiàn)在車頭距測點(diǎn) 4～6m處。需要注意的是當(dāng)車頭到達(dá)測點(diǎn)后,壓力將產(chǎn)生變化,從正值變?yōu)樨?fù)值,變化時(shí)間較短,壓力差最大,應(yīng)該引起注意。這一過程產(chǎn)生的原因是氣流加速流入收縮斷面時(shí)在列車與聲屏障之間的空間前端部(即列車阻塞的位移效應(yīng)引起的)的壓力降落,在車尾端發(fā)生相反的現(xiàn)象,即從負(fù)壓變化為正壓。

列車頭部距離測點(diǎn) 40～50m時(shí),測點(diǎn)壓力開始上升,之后壓力以非線性增長速度迅速加大,直到最大值;緊接著壓力又迅速下降,達(dá)到負(fù)壓最大值;整個(gè)下降過程的時(shí)間與車速有關(guān),正負(fù)壓力差最大達(dá)1 500 Pa。當(dāng)列車頭部完全經(jīng)過測點(diǎn)后,壓力趨于平穩(wěn),波動(dòng)較小,對聲屏障產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力也比較小。

(2)聲屏障的受力過程分析

當(dāng)車頭到達(dá)聲屏障時(shí),聲屏障所受壓力開始迅速上升,實(shí)際上在車頭快到達(dá)聲屏障時(shí)聲屏障所受壓力就已經(jīng)開始上升。從壓力波動(dòng)圖中可以看出,當(dāng)車頭經(jīng)過約 0.15 s后,聲屏障所受壓力馬上變?yōu)樨?fù)值,所受的力和彎矩立即反向。此后這一過程將循環(huán)作用下去,所以作用在聲屏障上的荷載為一個(gè)脈動(dòng)荷載,并且正負(fù)壓力絕對值之差不超過 70 Pa。CRH2車型與CRH3車型相比,正負(fù)壓力絕對值之差更小,基本相等。當(dāng)車頭駛出聲屏障范圍時(shí),在一段時(shí)間內(nèi)車尾還在聲屏障范圍內(nèi),這時(shí)聲屏障的受力和上面的情況相似。

(3)列車引起壓力的影響范圍的確定

以上各組模型中,產(chǎn)生壓力最大的模型是 CRH2-350-2.55-4.1,從圖6中可以看出,當(dāng)同一里程的一組測點(diǎn)達(dá)到最大壓力值時(shí),此組測點(diǎn)前后 30m范圍外測點(diǎn)的壓力基本上在最大壓力的 10%以下,其絕對值約為 70 Pa。其他各組模型當(dāng)某里程測點(diǎn)出現(xiàn)最大壓力時(shí),前后 30m范圍外測點(diǎn)的壓力也基本保持在最大壓力的 10%以下,而且由于其他組模型產(chǎn)生的最大壓力值均小于模型 CRH2-350-2.55-4.1產(chǎn)生的壓力,所以可以判斷出列車引起的壓力波動(dòng)范圍為最大壓力出現(xiàn)里程前后 30m范圍內(nèi)。圖13是模型 CRH2-350-2.55-4.1當(dāng)列車頭部產(chǎn)生的壓力在 4號系列測點(diǎn)產(chǎn)生壓力最大值時(shí),前后 30m范圍內(nèi)各個(gè)測點(diǎn)系列壓力的大小,圖13中 5號系列測點(diǎn)位于 4號系列測點(diǎn)前方 30m,1號系列測點(diǎn)位于 4號系列測點(diǎn)后方 30m。

(4)線間距離對屏障所受壓力的影響

圖13 列車頭部經(jīng)過聲屏障一定里程時(shí)對聲屏障縱向影響范圍的確定

當(dāng)其他條件一致時(shí),線間距離對聲屏障脈動(dòng)壓力影響較大,當(dāng)距離由 4.6m改變?yōu)?4.1m時(shí),壓力在不同速度和聲屏障高度的情況下,均有大幅度增大,約為4.6m時(shí)壓力的 1.2倍。并且速度越快,隨著線間距離的縮小,壓力增長越快。

(5)聲屏障高度對聲屏障所受壓力的影響

在其他條件一致時(shí),聲屏障高度從 2.05m變化為3.05m后,壓力略有增加,但增加不大,約為 30 Pa。然而這僅僅是在此范圍內(nèi)討論得出的結(jié)果,并不代表聲屏障的高度對其所受壓力的影響可以忽略。

(6)脈動(dòng)力頻譜分析

對脈動(dòng)壓力曲線進(jìn)行分析可得,脈動(dòng)壓力主要頻率范圍為 0～10 Hz,最大功率譜對應(yīng)頻率為 2.0Hz左右。因此,聲屏障結(jié)構(gòu)一階頻率應(yīng)遠(yuǎn)離 2.0 Hz。

4 結(jié)論

(1)列車引起的最大正負(fù)壓力之差達(dá)到1500Pa,將對聲屏障和地基連接部件產(chǎn)生重大影響,特別是脈動(dòng)壓力是個(gè)動(dòng)荷載,對連接部件的抗疲勞性能要求很高。

(2)在各種影響聲屏障壓力的因素中,線間距離是最重要的參數(shù)之一。線間距離的縮短,聲屏障所受壓力增大,當(dāng)線間距離由 4.6m縮短到 4.1m時(shí),壓力增加到原來的 1.2倍左右。

(3)兩種車型的計(jì)算比較,車型的不同并沒有使聲屏障所受的最大壓力有太大變化,兩種車型造成的壓力上升差最大也只有55 Pa左右,基本可以認(rèn)為車型對聲屏障脈動(dòng)壓力影響不大。同時(shí)現(xiàn)有聲屏障高度的不同,也沒有導(dǎo)致聲屏障所受的最大壓力有太大變化,最高的聲屏障高度為 3.05m,最低的為 2.05m,壓力的大小前者只比后者大約 30 Pa,基本可以認(rèn)為沒有影響。

[1]羅 錕,雷曉燕.鐵路聲屏障降噪效果影響因素分析[J].噪聲與振動(dòng)控制,2008,28(5)：142-146.

[2]馬 筠.對高速鐵路聲屏障降噪效果影響因素的探討[J].鐵道勞動(dòng)安全衛(wèi)生與環(huán)保,2008,35(1)：5- 8.

[3]李 艷.聲屏障設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)驗(yàn)算[J].噪聲與振動(dòng)控制,2007,27(3)：97-99.

[4]夏先芳.高速鐵路聲屏障技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].科技交流,2004,34(1)：129-131.

[5]孫智一,吳曉蓉.計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法的探討及應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì),2008,14(2)：126- 128.

U238;X 827

A

1004-2954(2010)01-0123-03

2009-11-30

胡 喆(1971—),女,高級工程師,1991年畢業(yè)于蘭州鐵道學(xué)院給水排水專業(yè),工學(xué)學(xué)士。