CRH3动车组高速出入声屏障时压力场特性的试验研究

　　摘要：在某铁路特大桥声屏障试验段，布置超低压压力传感器阵列，采用自主研发的压力采集系 统，测试获得了 CRH3 动车组以时速 300km/h~350km/h 往返行驶进出声屏障时的压力时程曲线。 采用双线性插值方式，得到了压力传感器阵列布置区域的动态压力场。通过测试得到了压力场高 低压区的形状、相对于声屏障的位置、高低压区的距离间隔等。分析了头波和尾波最大正、负压 力值的差异。基于头波和尾波的压力场，得到压力场的最大正、负压力值与车速的平方近似成线 性关系。研究结果可为声屏障的结构设计提供基础载荷数据。

　　关键词：声屏障;CRH3 动车组;压力场;冲击强度;实车试验

　　1 引 言

　　高速列车的噪声是制约其速度的主要因素之 一[1-2]，因而具有吸声、隔声功能的声屏障被广泛 应用于铁路沿线以降低噪声[3-4]。科隆-法兰克福高 铁是德国首条时速达 300km 的铁路，投运一年多以 后，其声屏障出现了松动、脱落等情况，不仅大大 影响降噪效果、造成安全隐患，还耗费了大量维 修资金。

　　为保证声屏障的结构安全，德国在纽伦 堡-英戈斯塔特高速铁路进行了声屏障试验研究。测 试结果表明，高速列车驶过声屏障产生的压力波表 现出明显的头波和尾波特性，这种特性也得到了我 国铁道科学研究院对京津城际铁路声屏障测试结果的验证[5]。头车车鼻进入声屏障时，声屏障近轨迎 风面先承受正压，再承受负压;尾车车鼻进入声屏 障时则相反，声屏障先承受负压，再承受正压。纽 伦堡-英戈斯塔特和京津城际铁路声屏障的测试获 得了关键点的压力时程曲线，但没有得到声屏障表 面压力场的分布，而声屏障表面压力场是声屏障强 度设计的重要依据。压力波的作用可导致声屏障结 构的瞬时应力过大或疲劳破坏[6-7]。

　　为得到声屏障表 面的压力场，文献[8-10]采用数值模拟的方式，获得 了压力场相对声屏障的位置、头波和尾波正、负压 力场的距离等，但数值模拟的准确性和有效性还需 要试验验证。文献[11]采取了风洞试验测试声屏障 表面的压力和应变。高速列车行驶产生的压力场与 风洞气流产生的压力场有本质区别。

　　依托某铁路特大桥声屏障试验段，布置了超低压压力传感器阵列， 采用自主研发的压力采集系统，测试获得 CRH3 动 车组以时速 300km/h~350km/h 往返行驶进出声屏障 的压力时程曲线。采用双线性插值方式，计算得到压力传感器阵列布置区域的动态压力场，分析 其分布规律，以为声屏障的结构设计提供基础载荷数据。

　　2 声屏障压力传感器阵列布置方案

　　现场试验在某铁路特大桥声屏障试验段进行， 插入式声屏障由铝合金单元板和H型钢立柱装配而 成。声屏障高度为 3.15m，立柱间距为 2m。根据数 值模拟结果[6]，测点布置在第 1、3、4、6 立柱的底 部(0m)、以及底部以上 0.4m(对应防撞墙高度)、1m、 2.15m、2.65m 和 3.15m(立柱顶部)位置。距端口 2.5m 处第二单元板 1/4 跨度处的测点，布置在底部以上 0.4m、1m、2.15m、3.15m 高度处，共计 28 个测点。

　　在测试现场，有一根接触网立柱位于 立柱 5 和立柱 6 之间，立柱 4、5 间的安装间距仅为 0.7m，这样不必在立柱 5 上布置压力传感器。差压 式传感器阵列布置在声屏障端口处的迎风面，测试 迎风面和背风面的压差。 靠近声屏障一侧的轨道为试验轨道，试验车辆 为 CRH3 型动车组。

　　在铁路相关部门的配合下， CRH3 动车组在声屏障的近轨轨道专门往返行驶， 以获得进出声屏障的相关压力波数据。现场测试采 用西南交通大学自主研发的超低压动态压力测试系 统，该系统基于 Power PC405 嵌入式实时处理器，主频工作在 200MHz，储深度高为 8MSa。通过模拟 仿真，计算的声屏障的压力波正波幅值、负波幅值 均约为 1000Pa，因此，选择压力量程为±1250Pa 的 HONEYWELL 差压式压力传感器。经中国计量科 学研究院测试，整套自主研发的测试系统的精度可 达±2Pa，满足试验要求。

　　3 测试结果及分析

　　3.1 压力波的时程变化规律

　　现场测试持续 30 天，气候条件较理想，2~3 级 东南风、无雨。在 CRH3 动车组距声屏障 100m 外 开始启动动态压力测试系统进行数据采集。分别是 CRH3 动车组驶入、驶出 3.15m 声屏障 时，压力波幅值发生点的压力时程曲线，可见它有典型的头波和尾波特征，与德国纽伦堡-英戈斯塔特 高铁、我国铁道科学研究院在京津城际铁路的测试 结果一致[3-4]。CRH3 动车组以速度 340km/h 驶入声 屏障时压力波幅值发生在测点 10，正波幅值为 813Pa，负波幅值为-676Pa，正负峰值之间的时间间 隔为 40ms。以速度 350km/h 驶出声屏障时压力波幅 值发生在测点 14，正压幅值为 681Pa，负压幅值为 -848Pa，正负峰值之间的时间间隔为 33ms。

　　3.2 压力场的分布规律

　　测试得到传感器阵列 28 个测点的压力时程曲 线后，参照数值计算中由离散点物理量绘制场云图 的方法，采用双线性插值方式[13]，可得到各时刻声 屏障迎风面的压力场。 由于头波的正负压力场幅值均明显大于尾波，下面重点讨论头波压力场的特点。CRH3 动车组以 速度 340km/h 驶入声屏障时(近轨下行)，正压场大致呈靶形，靶心正压 值最大，最大正压 813Pa 发生在第二单元板 1/4 跨 度处的测点 10，该测点离端口 2.5m，距底部 0.4m。

　　距靶心水平距离越远，压力值越小。若以垂向(声屏 障高度方向)为对称轴，正压场表现出对称的趋势， 未完全形成对称场的原因是，最高压力发生点距端 口仅 2.5m，声屏障端口的泄压效应和复杂形状车鼻 的活塞效应对此均有较大影响。防撞墙在声屏障端 口外部 0.25m 处有一宽 0.11m 的缝隙，对正压场的形 状和大小有一定影响。负压场亦呈靶形，靶心负压值最大，最大负压-731Pa， 发生在离端口 6m、距底部 0.4m 处的测点 21。

　　距靶 心水平距离越远，压力绝对值越小，声屏障 1m 以 下的底部压力场比较均匀，显现出声屏障的闭压效 应，声屏障上部压力随高度递减，显现出泄压效应。 若以垂向(声屏障高度方向)为对称轴，负压场则显现出较理想的靶形对称场，这是由于最大负压发生 在距端口 6m 距离，端口泄压效应影响较小的结果。 值得注意的是，最大正压和最大负压的发生位置一 般不同。

　　3.3 压力场正、负压力最大值与速度的关系

　　头波的最大正、负压力值均明显比尾波大，声屏 障结构强度设计需着重关注头波压力场。CRH3 动车 组经过声屏障时，呈靶形的正、负压力场在声屏障迎 风面随动车组前移，使车鼻附近的声屏障呈波浪状起 伏，在测试现场肉眼可见。随车移动的、间距基本保 持固定的正负压力场及其间距是声屏障结构设计的 关键。时速 350km/h 的压力时程曲线可 计算得到正、负压力场的靶心间距约为 3.2m。

　　铁道论文投稿刊物：《上海铁道科技》(季刊)创刊于1979年，由上海铁路局主办。本刊是一本综合性铁路科技期刊，为铁路局科技进步服务，为铁路广大科技工作者服务。着重介绍铁路依靠科技进步寻求发展的技术方案，交流铁路局的科技成果和优秀论文，介绍国外先进铁路技术及有关轨道交通(城市铁路、地铁)技术。

　　4 结 论

　　采用超低压压力传感器阵列，对某铁路特大桥声屏障试验段的压力场进行了测试分析，得到动车组驶入、驶出声屏障时动态压力场的变化规律，具体结果如下。

　　1) 无论是驶入还是驶出声屏障，头波的最大正、 负压力值明显大于尾波，头波的正、负压力场均呈靶形，靶心的压力值最大。防撞墙间隙和接触网立 柱会影响正负压力场的形状。

　　2) 声屏障底部显现出明显的闭压效应，上部则显 现出明显的泄压效应，导致声屏障底部的压力梯度 小，压力值较大。声屏障上部的压力梯度大，压力 值较小。

　　3) 基于冲击强度、压力值大小和压力场范围可知， CRH3 动车组驶出声屏障较驶入时更加危险，端部 是声屏障设计的重点。

　　参 考 文 献 (References)

　　[1] 田红旗.列车空气动力学[M].北京：中国铁道出版社，2007.(TIAN Hongqi.Train aerodynamics[M].Beijing：China Railway Publishing House，2007(in Chinese)).

　　[2] LÜ Ming，LI Qiang，NING Zhi，et al.Study on the aerodynamic load characteristic of noise reduction barrier on high-speed railway[J]. Journal of wind engineering & industrial aerodynamics，2018， 176(3)：254-262.

　　[3] 苏卫青.高速铁路噪声影响评价研究[J].铁道标准设计，2011(5)： 100-104.(SU Weiqing.Evaluation on influence of noises along high speed railway[J].Railway standard design，2011(5)：100-104(in Chinese)).

　　[4] WANG Yanpeng，JIAO Yinghou，CHEN Zhaobo.Research on the well at the top edge of noise barrier[J].Applied acoustics，2018， 133(9)：118-122.

　　作者：王言聿 1 郭旭 2 成志强 1