基于动模型的列车风作用下全封闭声屏障风荷载研究_欧双美.pdf

第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023基于动模型的列车风作用下全封闭声屏障风荷载研究欧双美1,2，邹云峰1,2，黄永明1,2，何旭辉1,2(1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.中南大学 高速铁路建造技术国家工程实验室，湖南 长沙 410075)摘要：列车风作用下的风荷载是影响全封闭声屏障结构安全的主要荷载之一。由于列车风为较复杂的三维非定常绕流，为了探究列车风作用下声屏障风压荷载问题，以某高铁线路矩形截面全封闭声屏障为研究背景，采用动模型试验方法，研究声屏障在高速列车以3种不同时速通过时的风压荷载分布。研究结果表明：高速列车通过声屏障时，压缩波传播到测点导致压力上升，膨胀波传播到测点导致压力下降，风压变化趋势与气压波传播规律相吻合；风压分布沿声屏障展向(长度方向)呈先增大后减小的趋势，建议取中间截面压力值为设计的参考压力；沿声屏障环向，跨中截面各测点压力峰值差异较小，压力变化幅值最大差异量为1.8%，风压荷载分布较均匀；出入口截面环向各测点的压力峰值差异较大，压力变化幅值最大差异量为40.8%，在声屏障进行结构设计时需要考虑出入口截面风压荷载沿环向不均匀分布的情况；沿声屏障高度方向，模型列车通过声屏障时在出入口截面引起的风压荷载不是呈线性变化，高度越高的测点压力衰减的越快；在跨中截面，高度变化对测点所受压力影响不大。关键词：全封闭声屏障；动模型试验；高速列车；列车风；风压荷载中图分类号：U238；U260.17 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）03-0781-09Wind pressure load of fully-enclosed sound barrier under action of train induced wind based on moving model experimentsOU Shuangmei1,2,ZOU Yunfeng1,2,HUANG Yongming1,2,HE Xuhui1,2(1.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China;2.National Engineering Laboratory for High-speed Railway Construction,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:Wind load under train induced wind is one of the main loads affecting the safety of fully-enclosed sound barrier structure.Owing to the train induced wind is a complex three-dimensional unsteady flow,in order to investigate the wind pressure load of sound barrier under the train induced wind,taking a rectangular fully-enclosed sound barrier of a high-speed railway line as the research background,the moving model experiments were adopted to study the wind pressure load distribution of the sound barrier when a high-speed train passing 收稿日期：2022-03-21基金项目：国家自然科学基金资助项目(52078504，51925808，U1934209)；湖南省科技创新计划资助项目(2021RC3016)；湖南省自然科学基金资助 项目(2022JJ10082)通信作者：邹云峰(1984)，男，湖南邵阳人，副教授，博士，从事桥梁与结构抗风研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220522铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月through at three speeds.Conclusions are drawn as follows.As a train passes through the sound barrier,the pressure increases when the compression wave propagates to the measuring point,and decreases when the expansion wave propagates to the measuring point.The variation trend of wind pressure is consistent with the propagation law of pressure wave.The wind pressure distribution along the extension direction of the closed sound barrier increases first and then decreases,so it is suggested that the pressure value of the middle section should be taken as the design reference pressure.Along the circumferential direction of the sound barrier,the difference of peak pressure value at each measuring point in the mid-span section is small,and the maximum difference of pressure variation amplitude is 1.8%,so the wind pressure load distribution is relatively uniform.The peak pressure value at each measuring point along the circumferential direction of the entrance and exit section is quite different,the maximum difference of pressure variation amplitude at each measurement point is 40.8%,the uneven distribution of wind pressure load along the circumferential direction of the entrance and exit section should be taken into consideration in the structural design of the closed sound barrier.Along the height direction of the sound barrier,when the model train passes through the sound barrier,the wind pressure load caused by train induced wind on the entrance and exit section show nonlinear variation,and the higher the height of the measuring point,the faster the pressure decays;in the mid-span section,the height change has little effect on the pressure of measuring points.Key words:fully-enclosed sound barrier;moving model experiment;high speed train;train induced wind;wind pressure load 随着高速铁路技术的迅猛发展，铁路沿线噪声问题也随列车运营时速大幅提升而愈发突出。在线路两侧设立声屏障是降低噪声对周边环境影响的有效手段。对于噪声防控严格的路段，如自然环境保护区、人口密集居民区等，往往需要设置全封闭声屏障以尽可能地提高降噪效果。例如深茂铁路新会段通过设置桥上全封闭式声屏障来维持“小鸟天堂”现状噪声水平，降低噪声对鸟类的影响。然而，高速列车驶过封闭的声屏障时，由内部气流流动受限引起的活塞风效应1，会使声屏障所受风压荷载迅速增加，影响结构发生强度或疲劳破坏，进而危及行车安全。因此，列车风作用下的风压荷载是全封闭声屏障结构设计的重要荷载之一。许多学者对列车驶过声屏障时的气动效应进行了研究，研究方法主要为数值模拟、现场实测以及动模型试验。龙丽平等2基于CFX软件进行数值仿真，详细分析了列车经过直立式声屏障时所引起的空气脉动压力分布规律。李红梅等3采用CFD滑移网格技术，探究了不同车速、车头/车体长度对直立式声屏障所受脉动压力的影响。杨斌等4对高速列车以时速350 km/h通过不同净空面积的圆形截面声屏障过程进行数值模拟，获得了声屏障气动压力极值随断面面积变化的关系曲线。何旭辉等57利用Fluent动网格技术，对高速列车通过圆形全封闭声屏障过程中形成压力波的特性以及声屏障的气压荷载分布规律开展了数值模拟研究。ROCCHI等8开展了现场试验，对3种不同列车作用于直立式声屏障上的列车风压进行了对比分析。ZOU等9对不同车速下直立式风屏障的列车风荷载实测数据进行了多分辨率分析，确定了不同频段的压力分布。XIONG等1011通过现场实测研究了列车速度、运行线路、声屏障高度等因素对直立式声屏障上脉动压力的影响。DU等12通过动模型试验研究了高速列车通过直立式声屏障时产生的脉动压力，并分析了声屏障高度、车速以及单/会车等因素的影响。敬海泉等13通过动模型试验研究了列车风作用下圆形全封闭声屏障的风压荷载分布。由于列车风为复杂的三维非定常绕流，限于当前计算机计算精度，数值模拟计算结果可靠性有待进一步考证，而实测研究不能应用于未建成结构，已有的动模型试验研究则集中在直立式声屏障或圆形截面全封闭式声屏障，故对矩形截面全封闭声屏障有进一步研究的空间。本文以某高铁线路矩形截面全封闭声屏障为研究782第 3 期欧双美，等：基于动模型的列车风作用下全封闭声屏障风荷载研究背景，采用动模型试验方法，对高速列车以3种不同时速通过时列车风作用下声屏障的风压荷载分布进行研究，研究成果可为今后的工程应用提供一定的参考。1 试验概况1.1试验装置及方法试验在中南大学的高速列车气动模型试验装置上进行。该试验平台依据流动相似原理，将列车、线路、声屏障等物体按几何相似制作成缩比模型，通过弹射方式实现模型列车在线路上无动力高速运行，模拟列车与地面、列车与声屏障之间的相对运动，再现高速列车通过声屏障时空气可压缩三维非定常流动过程。该移动模型装置由3个部分组成：57 m加速度段、50 m试验段、57 m制动段。试验装置轨道固定间距0.3 m，高速铁路线间距一般为4.45 m，