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作者：張毅

  目前國(guó)內(nèi)外對(duì)鐵路聲屏障的研究主要集中在降噪、聲屏障頂部結(jié)構(gòu)優(yōu)化、列車脈動(dòng)壓力的分布規(guī)律以及聲屏障的振動(dòng)特性等方面，在列車脈動(dòng)壓力對(duì)聲屏障疲勞性能的影響方面研究很少。我國(guó)目前鐵路聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍以靜力分析為主，疲勞設(shè)計(jì)則以脈動(dòng)壓力的最大值乘以動(dòng)載放大系數(shù)作為平均壓力載荷，顯然這是不合理的。本文基于ANSYS采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法仿真計(jì)算列車通過(guò)時(shí)聲屏障所受脈動(dòng)壓力，利用單向流固耦合將脈動(dòng)壓力加載到聲屏障表面，采用有限元結(jié)構(gòu)分析方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算，并分析其疲勞性能，為聲屏障設(shè)計(jì)與安裝提供一定參考。

1流場(chǎng)計(jì)算分析

1.1流場(chǎng)三維模型

  參考《路基插板式金屬聲屏障通環(huán)(2009) 8225，8325》（簡(jiǎn)稱通環(huán)標(biāo)準(zhǔn)）和CRH2型車，建立列車通過(guò)聲屏障路段的流場(chǎng)模型。聲屏障高3. 95 m，雙線軌道，線間距5m，軌道面高于聲屏障基座0.9 m。根據(jù)通環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，聲屏障單元板撓度限值小于7.5 mm，H型鋼立柱撓度小于1／200，相對(duì)外流場(chǎng)很小，流場(chǎng)計(jì)算時(shí)可以忽略聲屏障結(jié)構(gòu)變形及細(xì)微結(jié)構(gòu)的影響，將其看成光滑等厚長(zhǎng)直板。車體采用頭車、中間車和尾車的三節(jié)車模型，視為光滑表面，忽略受電弓、空調(diào)換氣口等細(xì)微結(jié)構(gòu)，總長(zhǎng)度為76.9 m。列車高速通過(guò)聲屏障時(shí)周圍為三維、黏性、可壓縮、非穩(wěn)態(tài)紊流空氣場(chǎng)，采用雷諾時(shí)均形式的瞬態(tài)N-S方程、k一e方程紊流模型和標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)該流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1為單車和會(huì)車流場(chǎng)局部網(wǎng)格模型，箭頭表示列車行駛方向。

1.2  流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

為分析不同軌道中心線與聲屏障的距離（簡(jiǎn)稱中心距）和列車速度對(duì)脈動(dòng)壓力的影響，計(jì)算了3種中心距(3. 34 m、3.90 m、4.65 m)和5種列車速度(200 km/h、250 km/h、300 km/h、350 km/h、400 km/h)單車與會(huì)車情況的流場(chǎng)。中心距4. 65 m、車速350 km/h單車和會(huì)車時(shí)的壓力云圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

從圖2和圖3可知，聲屏障受到的脈動(dòng)壓力在頭車和尾車均存在一個(gè)正壓區(qū)和一個(gè)負(fù)壓區(qū)，且中心壓力絕對(duì)值最大并向周圍輻射減小。聲屏障受到的列車脈動(dòng)壓力隨時(shí)間的變化情況如圖4所示。第1個(gè)波為頭波，第2個(gè)波為尾波，中間的小幅波動(dòng)是車廂接頭的影響。由此可見(jiàn)，列車脈動(dòng)壓力是隨空間和時(shí)間變化的。

將脈動(dòng)壓力在聲屏障上積分并除以積分長(zhǎng)度得到單位長(zhǎng)度聲屏障受到的氣體作用力（簡(jiǎn)稱氣體力），該力隨積分長(zhǎng)度的減小而增大，當(dāng)積分長(zhǎng)度小于1 m時(shí)，氣體力幾乎不變。本文以0.1 m作為積分長(zhǎng)度，仿真計(jì)算多工況的氣體力并擬合氣體力最大值F(N) 與列車速度v( m/s)和中心距D(m)的二元函數(shù)關(guān)系，單車通過(guò)和等速會(huì)車時(shí)的關(guān)系分別如式(1)和式(2)所示：

對(duì)比式(1)、式(2)可以發(fā)現(xiàn)，車速的階次大于中心距的階次，這說(shuō)明車速對(duì)列車脈動(dòng)壓力的影響更大，且會(huì)車通過(guò)比單車通過(guò)時(shí)速度的影響更為明顯。表1是仿真得到的氣體力與通過(guò)擬合函數(shù)式(1)和式(2)計(jì)算得到的氣體力的對(duì)比。

2  聲屏障強(qiáng)度分析

2.1  聲屏障固體模型

  根據(jù)通環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，路基插板式金屬聲屏障由H型鋼立柱和鋁合金單元板構(gòu)成，單元板與立柱用單管橡膠墊承接，立柱、底板、加勁板互為焊接，材料為Q235B鋼，底板與預(yù)埋鋼板用螺栓連接。立柱間距2m，形狀參數(shù)符合GB/T11263 - 2010標(biāo)準(zhǔn)要求。

聲屏障在列車行進(jìn)方向具有周期性，因此截取“三柱兩板”作為特征單元來(lái)計(jì)算，固體模型和相關(guān)命名如圖5所示。圖5中H1、H2、H3分別為三根H型鋼立柱，BAN1表示Hl與H2之間的吸聲板，BAN2表示H2與H3之間的吸聲板。聲屏障單元板與鋼立柱之間建立只受壓縮的彈簧單元以符合單管橡膠墊的力學(xué)特性，底板底面為固定面，聲屏障受脈動(dòng)壓力和自重雙重作用。采用流固耦合方法實(shí)現(xiàn)流場(chǎng)壓力在固體表面的加載。

2.2  H型鋼立柱的變形分析

采用上述模型分別對(duì)單車與會(huì)車3種中心距(3. 34 m、3.90 m、4.65 m)和3種車速(300 km/h、350 km/h、400 km/h)共18個(gè)工況進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，最大位移在中間立柱頂端的4個(gè)角點(diǎn)，最大應(yīng)力在中間立柱與加勁板上部焊接處。測(cè)點(diǎn)布置如圖6所示，a、b、c、d是立柱頂部位移測(cè)點(diǎn)，A、B、C、D是加勁板與立柱焊接處的應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。

圖7是中心距4. 65 m、速度350 km/h單車通過(guò)時(shí)測(cè)點(diǎn)位移曲線。由X軸位移曲線可知：頭波到達(dá)時(shí)，立柱先向外側(cè)彎曲后向內(nèi)側(cè)彎曲；尾波到達(dá)時(shí)，立柱先向內(nèi)彎曲然后向外彎曲，最大變形小于頭波，各個(gè)工況的變形規(guī)律相同，僅變形大小不同。由Z軸位移曲線可知，列車通過(guò)時(shí)H型鋼立柱存在扭轉(zhuǎn)變形，頭波到達(dá)時(shí)，a、b兩點(diǎn)位移經(jīng)歷了先負(fù)后正再負(fù)的變化，c、d兩點(diǎn)位移經(jīng)歷了先正后負(fù)再正的變化，表明立柱先逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)后順時(shí)針扭轉(zhuǎn)再逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)；尾波時(shí)各點(diǎn)位移與頭波時(shí)方向相反。原因是脈動(dòng)壓力分布不均勻，立柱兩邊單元板受到的兩個(gè)不同壓力相對(duì)于立柱產(chǎn)生一個(gè)XZ平面的力矩，使立柱發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

  綜上所述，列車通過(guò)聲屏障時(shí)，H型鋼立柱出現(xiàn)彎扭組合變形，且彎曲經(jīng)歷2次換向，扭轉(zhuǎn)經(jīng)歷4次換向，這可能造成聲屏障疲勞破壞。

2.3  H型鋼立柱疲勞分析

由上述可知，列車通過(guò)聲屏障路段時(shí)，H型鋼立柱發(fā)生彎扭組合變形，因此，按第四強(qiáng)度理論得到應(yīng)力測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力，采用等效應(yīng)力進(jìn)行疲勞分析。圖8為中心距4. 65 m、車速350 km/h單車通過(guò)時(shí)的等效應(yīng)力曲線。由圖8可見(jiàn)，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的等效應(yīng)力曲線趨勢(shì)一致，并都表現(xiàn)為4個(gè)脈沖的形式。

  查詢文獻(xiàn)[9]得到Q235B鋼存活率99. 9%材料的S-N曲線，利用雨流計(jì)數(shù)法得到各工況危險(xiǎn)點(diǎn)的等效應(yīng)力譜，并采用Goodman圖進(jìn)行平均應(yīng)力修正。通環(huán)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，設(shè)計(jì)每天210對(duì)列車通過(guò)，立柱設(shè)計(jì)壽命為50年。若按每年365天記，則設(shè)計(jì)循環(huán)為3 832 500次。實(shí)際運(yùn)行中，需要考慮會(huì)車情況。運(yùn)用線性疲勞累積理論，不考慮加載順序?qū)ζ�勞損傷的影響，得到設(shè)計(jì)壽命下不同會(huì)車比例時(shí)聲屏障的疲勞安全系數(shù)，如表2所示。

  根據(jù)通環(huán)標(biāo)準(zhǔn)，立柱許用疲勞安全系數(shù)在1.5～2.5，設(shè)計(jì)速度為350 km/h的無(wú)砟軌道和有砟軌道聲屏障與軌道中心線距離分別為4. 65 m和4.75 m。由表2可知，中心距4. 65 m、車速350 km/h，會(huì)車比例在0%～50%時(shí)，安全系數(shù)大于2.5，表明按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的聲屏障H型鋼立柱可能存在材料浪費(fèi)。

3結(jié)論

  通過(guò)以上計(jì)算分析，得到如下結(jié)論：①聲屏障受到的列車脈動(dòng)壓力是一個(gè)在時(shí)間和空間上分布極不均勻的力，任意一點(diǎn)受到的壓力均呈現(xiàn)為兩個(gè)脈沖形式的變化；②聲屏障受到的氣體力隨列車速度的增加而增加，隨中心距的增加而減小，車速對(duì)氣體力影響更明顯；③頭波到達(dá)時(shí)，聲屏障整體先向外側(cè)彎曲，然后再向內(nèi)側(cè)彎曲，尾波到達(dá)時(shí)的情況相反，脈動(dòng)壓力分布的不均勻性造成H型鋼立柱為彎扭組合變形，扭轉(zhuǎn)在頭波和尾波各要經(jīng)歷兩次換向；④H型鋼立柱在所分析的工況下均滿足50年設(shè)計(jì)壽命的要求，但按現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的聲屏障H型鋼立柱疲勞安全系數(shù)偏大，可能存在材料浪費(fèi)。

4摘要：采用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值仿真方法計(jì)算列車通過(guò)時(shí)的聲屏障表面受到的列車脈動(dòng)壓力，利用流固耦合與有限元結(jié)構(gòu)分析方法，對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和疲勞性能分析。計(jì)算結(jié)果表明：列車通過(guò)時(shí)產(chǎn)生的脈動(dòng)壓力隨時(shí)間和空間變化，列車速度變化對(duì)聲屏障氣體作用力的影響比中心距（軌道中心線與聲屏障的距離）變化更大；每當(dāng)列車經(jīng)過(guò)一次，H型鋼立柱發(fā)生彎扭組合變形，且彎曲有2次換向，而扭轉(zhuǎn)則經(jīng)歷4次換向；按照現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的聲屏障立柱疲勞安全系數(shù)可能偏大。