摘要：在某鐵路特大橋聲屏障試驗段，布置超低壓壓力傳感器陣列，采用自主研發(fā)的壓力采集系 統(tǒng)，測試獲得了 CRH3 動車組以時速 300km/h~350km/h 往返行駛進出聲屏障時的壓力時程曲線。 采用雙線性插值方式，得到了壓力傳感器陣列布置區(qū)域的動態(tài)壓力場。通過測試得到了壓力場高 低壓區(qū)的形狀、相對于聲屏障的位置、高低壓區(qū)的距離間隔等。分析了頭波和尾波最大正、負壓 力值的差異。基于頭波和尾波的壓力場，得到壓力場的最大正、負壓力值與車速的平方近似成線 性關(guān)系。研究結(jié)果可為聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：聲屏障;CRH3 動車組;壓力場;沖擊強度;實車試驗

　　1 引 言

　　高速列車的噪聲是制約其速度的主要因素之 一[1-2]，因而具有吸聲、隔聲功能的聲屏障被廣泛 應(yīng)用于鐵路沿線以降低噪聲[3-4]。科隆-法蘭克福高 鐵是德國首條時速達 300km 的鐵路，投運一年多以 后，其聲屏障出現(xiàn)了松動、脫落等情況，不僅大大 影響降噪效果、造成安全隱患，還耗費了大量維 修資金。

　　為保證聲屏障的結(jié)構(gòu)安全，德國在紐倫 堡-英戈斯塔特高速鐵路進行了聲屏障試驗研究。測 試結(jié)果表明，高速列車駛過聲屏障產(chǎn)生的壓力波表 現(xiàn)出明顯的頭波和尾波特性，這種特性也得到了我 國鐵道科學(xué)研究院對京津城際鐵路聲屏障測試結(jié)果的驗證[5]。頭車車鼻進入聲屏障時，聲屏障近軌迎 風(fēng)面先承受正壓，再承受負壓;尾車車鼻進入聲屏 障時則相反，聲屏障先承受負壓，再承受正壓。紐 倫堡-英戈斯塔特和京津城際鐵路聲屏障的測試獲 得了關(guān)鍵點的壓力時程曲線，但沒有得到聲屏障表 面壓力場的分布，而聲屏障表面壓力場是聲屏障強 度設(shè)計的重要依據(jù)。壓力波的作用可導(dǎo)致聲屏障結(jié) 構(gòu)的瞬時應(yīng)力過大或疲勞破壞[6-7]。

　　為得到聲屏障表 面的壓力場，文獻[8-10]采用數(shù)值模擬的方式，獲得 了壓力場相對聲屏障的位置、頭波和尾波正、負壓 力場的距離等，但數(shù)值模擬的準確性和有效性還需 要試驗驗證。文獻[11]采取了風(fēng)洞試驗測試聲屏障 表面的壓力和應(yīng)變。高速列車行駛產(chǎn)生的壓力場與 風(fēng)洞氣流產(chǎn)生的壓力場有本質(zhì)區(qū)別。

　　依托某鐵路特大橋聲屏障試驗段，布置了超低壓壓力傳感器陣列， 采用自主研發(fā)的壓力采集系統(tǒng)，測試獲得 CRH3 動 車組以時速 300km/h~350km/h 往返行駛進出聲屏障 的壓力時程曲線。采用雙線性插值方式，計算得到壓力傳感器陣列布置區(qū)域的動態(tài)壓力場，分析 其分布規(guī)律，以為聲屏障的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供基礎(chǔ)載荷數(shù)據(jù)。

　　2 聲屏障壓力傳感器陣列布置方案

　　現(xiàn)場試驗在某鐵路特大橋聲屏障試驗段進行， 插入式聲屏障由鋁合金單元板和H型鋼立柱裝配而 成。聲屏障高度為 3.15m，立柱間距為 2m。根據(jù)數(shù) 值模擬結(jié)果[6]，測點布置在第 1、3、4、6 立柱的底 部(0m)、以及底部以上 0.4m(對應(yīng)防撞墻高度)、1m、 2.15m、2.65m 和 3.15m(立柱頂部)位置。距端口 2.5m 處第二單元板 1/4 跨度處的測點，布置在底部以上 0.4m、1m、2.15m、3.15m 高度處，共計 28 個測點。

　　在測試現(xiàn)場，有一根接觸網(wǎng)立柱位于 立柱 5 和立柱 6 之間，立柱 4、5 間的安裝間距僅為 0.7m，這樣不必在立柱 5 上布置壓力傳感器。差壓 式傳感器陣列布置在聲屏障端口處的迎風(fēng)面，測試 迎風(fēng)面和背風(fēng)面的壓差。 靠近聲屏障一側(cè)的軌道為試驗軌道，試驗車輛 為 CRH3 型動車組。

　　在鐵路相關(guān)部門的配合下， CRH3 動車組在聲屏障的近軌軌道專門往返行駛， 以獲得進出聲屏障的相關(guān)壓力波數(shù)據(jù)。現(xiàn)場測試采 用西南交通大學(xué)自主研發(fā)的超低壓動態(tài)壓力測試系 統(tǒng)，該系統(tǒng)基于 Power PC405 嵌入式實時處理器，主頻工作在 200MHz，儲深度高為 8MSa。通過模擬 仿真，計算的聲屏障的壓力波正波幅值、負波幅值 均約為 1000Pa，因此，選擇壓力量程為±1250Pa 的 HONEYWELL 差壓式壓力傳感器。經(jīng)中國計量科 學(xué)研究院測試，整套自主研發(fā)的測試系統(tǒng)的精度可 達±2Pa，滿足試驗要求。

　　3 測試結(jié)果及分析

　　3.1 壓力波的時程變化規(guī)律

　　現(xiàn)場測試持續(xù) 30 天，氣候條件較理想，2~3 級 東南風(fēng)、無雨。在 CRH3 動車組距聲屏障 100m 外 開始啟動動態(tài)壓力測試系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。分別是 CRH3 動車組駛?cè)搿Ⅰ偝?3.15m 聲屏障 時，壓力波幅值發(fā)生點的壓力時程曲線，可見它有典型的頭波和尾波特征，與德國紐倫堡-英戈斯塔特 高鐵、我國鐵道科學(xué)研究院在京津城際鐵路的測試 結(jié)果一致[3-4]。CRH3 動車組以速度 340km/h 駛?cè)肼?屏障時壓力波幅值發(fā)生在測點 10，正波幅值為 813Pa，負波幅值為-676Pa，正負峰值之間的時間間 隔為 40ms。以速度 350km/h 駛出聲屏障時壓力波幅 值發(fā)生在測點 14，正壓幅值為 681Pa，負壓幅值為 -848Pa，正負峰值之間的時間間隔為 33ms。

　　3.2 壓力場的分布規(guī)律

　　測試得到傳感器陣列 28 個測點的壓力時程曲 線后，參照數(shù)值計算中由離散點物理量繪制場云圖 的方法，采用雙線性插值方式[13]，可得到各時刻聲 屏障迎風(fēng)面的壓力場。 由于頭波的正負壓力場幅值均明顯大于尾波，下面重點討論頭波壓力場的特點。CRH3 動車組以 速度 340km/h 駛?cè)肼暺琳蠒r(近軌下行)，正壓場大致呈靶形，靶心正壓 值最大，最大正壓 813Pa 發(fā)生在第二單元板 1/4 跨 度處的測點 10，該測點離端口 2.5m，距底部 0.4m。

　　距靶心水平距離越遠，壓力值越小。若以垂向(聲屏 障高度方向)為對稱軸，正壓場表現(xiàn)出對稱的趨勢， 未完全形成對稱場的原因是，最高壓力發(fā)生點距端 口僅 2.5m，聲屏障端口的泄壓效應(yīng)和復(fù)雜形狀車鼻 的活塞效應(yīng)對此均有較大影響。防撞墻在聲屏障端 口外部 0.25m 處有一寬 0.11m 的縫隙，對正壓場的形 狀和大小有一定影響。負壓場亦呈靶形，靶心負壓值最大，最大負壓-731Pa， 發(fā)生在離端口 6m、距底部 0.4m 處的測點 21。

　　距靶 心水平距離越遠，壓力絕對值越小，聲屏障 1m 以 下的底部壓力場比較均勻，顯現(xiàn)出聲屏障的閉壓效 應(yīng)，聲屏障上部壓力隨高度遞減，顯現(xiàn)出泄壓效應(yīng)。 若以垂向(聲屏障高度方向)為對稱軸，負壓場則顯現(xiàn)出較理想的靶形對稱場，這是由于最大負壓發(fā)生 在距端口 6m 距離，端口泄壓效應(yīng)影響較小的結(jié)果。 值得注意的是，最大正壓和最大負壓的發(fā)生位置一 般不同。

　　3.3 壓力場正、負壓力最大值與速度的關(guān)系

　　頭波的最大正、負壓力值均明顯比尾波大，聲屏 障結(jié)構(gòu)強度設(shè)計需著重關(guān)注頭波壓力場。CRH3 動車 組經(jīng)過聲屏障時，呈靶形的正、負壓力場在聲屏障迎 風(fēng)面隨動車組前移，使車鼻附近的聲屏障呈波浪狀起 伏，在測試現(xiàn)場肉眼可見。隨車移動的、間距基本保 持固定的正負壓力場及其間距是聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計的 關(guān)鍵。時速 350km/h 的壓力時程曲線可 計算得到正、負壓力場的靶心間距約為 3.2m。

　　鐵道論文投稿刊物：《上海鐵道科技》(季刊)創(chuàng)刊于1979年，由上海鐵路局主辦。本刊是一本綜合性鐵路科技期刊，為鐵路局科技進步服務(wù)，為鐵路廣大科技工作者服務(wù)。著重介紹鐵路依靠科技進步尋求發(fā)展的技術(shù)方案，交流鐵路局的科技成果和優(yōu)秀論文，介紹國外先進鐵路技術(shù)及有關(guān)軌道交通(城市鐵路、地鐵)技術(shù)。

　　4 結(jié) 論

　　采用超低壓壓力傳感器陣列，對某鐵路特大橋聲屏障試驗段的壓力場進行了測試分析，得到動車組駛?cè)搿Ⅰ偝雎暺琳蠒r動態(tài)壓力場的變化規(guī)律，具體結(jié)果如下。

　　1) 無論是駛?cè)脒�是駛出聲屏障，頭波的最大正、 負壓力值明顯大于尾波，頭波的正、負壓力場均呈靶形，靶心的壓力值最大。防撞墻間隙和接觸網(wǎng)立 柱會影響正負壓力場的形狀。

　　2) 聲屏障底部顯現(xiàn)出明顯的閉壓效應(yīng)，上部則顯 現(xiàn)出明顯的泄壓效應(yīng)，導(dǎo)致聲屏障底部的壓力梯度 小，壓力值較大。聲屏障上部的壓力梯度大，壓力 值較小。

　　3) 基于沖擊強度、壓力值大小和壓力場范圍可知， CRH3 動車組駛出聲屏障較駛?cè)霑r更加危險，端部 是聲屏障設(shè)計的重點。

　　參 考 文 獻 (References)

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　　[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] 蘇衛(wèi)青.高速鐵路噪聲影響評價研究[J].鐵道標準設(shè)計，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 成志強 1