400 km/h高铁桥上直立式声屏障的列车风致振动

李小珍; 张效邦; 郑净; 徐鸿; 陈锋

doi:10.3969/j.issn.0258-2724.20220033

400 km/h高铁桥上直立式声屏障的列车风致振动

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20220033

李小珍^1,,
张效邦¹,
郑净^{1, 2},
徐鸿³,
陈锋³

1.
西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031
2.
皖西学院建筑与土木学院，安徽六安 237001
3.
中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031

基金项目: 国家自然科学基金项目（52278463，52202422）

详细信息

作者简介:
李小珍（1970—），男，教授，博士，研究方向为车桥耦合振动，铁路桥梁减振降噪，E-mail：xzhli@swjtu.edu.cn

中图分类号: U24；TB532
计量
- 文章访问数: 323
- HTML全文浏览量: 176
- PDF下载量: 92
- 被引次数: 1
出版历程
- 收稿日期: 2022-01-12
- 修回日期: 2022-08-09
- 网络出版日期: 2024-03-11
- 刊出日期: 2022-09-28

Wind-Induced Vibration of 400 km/h Trains with Vertical Sound Barrier on Highspeed Railway Bridge

1.
School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China
2.
School of Architecture and Civil Engineering, West Anhui University, Lu’an 237001, China
3.
China Railway Eryuan Engineering Group Co., Ltd., Chengdu 610031, China

摘要

摘要:
高铁列车提速使声屏障动力问题凸显. 以列车高速行驶时引发的直立式声屏障的动力放大系数为研究对象，探究直立式声屏障结构的振动特性及影响参数. 首先，建立高铁桥上直立式声屏障有限元模型，分析其基本动力特性；然后，开展声屏障在400 km/h移动列车脉动风荷载时程作用下的振动规律研究，据此计算声屏障钢结构的动力放大系数；最后，针对声屏障的振动响应和动力放大系数开展多参数分析. 结果表明：车速400 km/h时，5.0 m高声屏障立柱的动力放大系数约为2.76；声屏障安装位置距轨道中心线距离从3.8 m增大到4.7 m，弯矩响应的动力放大系数减小了0.3；2.3、3.3、5.0 m高声屏障立柱弯矩响应的动力放大系数分别为1.64、2.52、2.76，顶部的横向位移由0.45 mm增大至3.80 mm，根部弯矩则分别提高了26.8%和60.8%，增大声屏障高度不利于结构的振动特性.
- 高速铁路 /
- 铁路桥梁 /
- 直立式声屏障 /
- 脉动风荷载 /
- 动力响应 /
- 动力放大系数
Abstract:
The increasing speed of high-speed trains makes the dynamic problem of sound barriers prominent. In this study, the dynamic amplification factor of vertical sound barriers caused by high-speed trains was taken as the research object to explore the vibration characteristics and influencing parameters of vertical sound barriers. Firstly, the finite element model of the vertical sound barrier on a high-speed railway bridge was established, and its basic dynamic characteristics were analyzed. Then, the vibration law of the sound barrier under the fluctuating wind load of 400 km/h train was studied, and the dynamic amplification factor of the sound barrier steel structure was calculated based on it. Finally, the vibration response and dynamic amplification factor of the sound barrier were analyzed with multiple parameters. The results show that the dynamic amplification factor of the sound barrier column with a height of 5.0 m is about 2.76 when the train’s speed is 400 km/h. The distance between the installed sound barrier and the center line of the track is increased from 3.8 m to 4.7 m, and the dynamic amplification factor of the bending moment response is reduced by 0.3. The dynamic magnification factors of the bending moment responses of sound barrier columns with a height of 2.3, 3.3, and 5.0 m are 1.64, 2.52, and 2.76, respectively. The transverse displacement of the top is increased from 0.45 mm to 3.80 mm, while the bending moment of the bottom is increased by 26.8% and 60.8%, respectively. Increasing the height of the sound barrier is not conducive to the vibration characteristics of the structure.
- high-speed railway /
- railroad bridge /
- vertical sound barrier /
- fluctuating wind load /
- dynamic response /
- dynamic amplification factor

HTML全文

近年来，高速列车的速度不断提升，噪声问题愈发凸显，声屏障成为广泛采用的降噪措施，但同时也对声屏障提出了更高的结构动力性能要求. 列车高速行驶时，会在声屏障内表面形成车致脉动风压荷载，导致声屏障产生各种病害，如结构变形、锚固点开裂、螺栓脱落、疲劳等^[1].

Soper等^[1]通过开展现场试验测试了高速列车通过时作用到声屏障上的脉动风压，分析声屏障到轨道中心线距离等对脉动风压时程的影响；根据测试结果，脉动风压荷载作用下Train2 （运行车速63.33 m/s（约228 km/h），共16节车厢，全长400 m）的最大横向力可以达到2166 N，单一行车方向每天的荷载循环可达234次，20年免维护期荷载循环次数超过150万次. Xiong等^[2]针对2列不同流线型车头车速380～420 km/h的高速列车，通过在2.15 m高直立式声屏障内侧设置压力传感器，获得列车通过时直立式声屏障表面的脉动风压. Lü等^[3]试验研究了减载式声屏障的气动载荷特性，其中，主要考虑3个方面的影响因素：车速、行车方向和车型. CRH380A和CRH380AM列车对声屏障气动效应的增加愈发明显，使得声屏障产生剧烈的结构响应. Xiong等^[4]现场实测了CRH380A 高速列车桥上直立式声屏障脉动风压，分析列车车速、远轨近轨等因素的影响规律，并指出脉动风压的膨胀和压缩效应会导致声屏障节点处的疲劳破坏. Du^[5]等通过开展1/20移动模型试验，测试高速列车在单车和双车交会工况下分别以300 km/h和350 km/h车速通过2种不同高度声屏障时列车表面和声屏障表面的压力变化，并分析了列车车速和声屏障高度的影响规律. 王言聿等^[6]现场实测了CRH3动车组以车速300～350 km/h出入声屏障时的压力，分析了正、负压力最大值对应的压力云图以及正、负压力最大值与车速的关系.

通过试验的方法可以得到较为真实的高速列车通过声屏障时作用于声屏障的脉动风压，但是，试验方法成本高，受各方面制约较大，并且测试方法不尽相同、数据有限. 其他学者通过数值模拟的方法分析了声屏障脉动风压特性：何旭辉等^[7]针对350 km/h高速列车穿越全封闭式声屏障，利用Fluent软件建立数值计算模型，研究单车、1/2跨和1/4跨会车工况下的气压荷载分布规律；施洲等^[8]采用三维数值仿真分析模型，研究350～400 km/h高速列车作用于声屏障的脉动风荷载特性及不同参数的影响规律，对比实测结果，并分析了风荷载的谱特性；何旭辉等^[9]建立350 km/h高速列车穿行圆弧全封闭式声屏障数值计算模型，研究了压力波和微气压波的分布规律及车速对二者的影响；何佳骏等^[10]通过数值模拟研究高速铁路全封闭式声屏障的压力波荷载，并研究了压力波的影响因素.

高速列车的提速使声屏障的动力响应明显增大，各种病害逐渐凸显. 因此，有必要开展高速铁路桥上直立式声屏障动力特性与振动响应的相关研究. Tokunaga等^[11]结合试验和数值方法研究了日本高速列车高声屏障的动力响应，并给出考虑列车进一步提速的实用高声屏障动力响应评价方法.

鉴于试验方法无法对声屏障风致振动和车致振动加以区分，更多学者通过数值方法开展了声屏障的动力特性研究. Vittozzi等^[12]研究了速度300 km/h意大利高速线上声屏障在动压力场作用下的响应；鉴于声屏障立柱易发生疲劳破坏，在立柱顶部放置附加质量块，形成调谐质量阻尼器，有效减小声屏障应力，降低疲劳破坏. 罗文俊等^[13]基于有限元法分析了300 km/h及更高车速高速列车脉动风荷载作用下插板式声屏障的动力响应，并研究车速及立柱间距对动力响应的影响规律. Zheng等^[14]通过建立CRH380B高速列车-声屏障计算流体力学（CFD）模型和有限元模型，研究了半封闭式声屏障的脉动风压及动力响应，并通过现场试验验证了模型的正确性，同时，探究了脉动风压和振动的影响因素. 卫星等^[15]采用有限元软件Midas探究了不同开口形式车速350 km/h高铁封闭式声屏障的振动响应. 刘功玉等^[16]利用有限元软件ANSYS建立了350 km/h及以上车速高速列车2.15 m高插板式声屏障的有限元模型，分析脉动风荷载作用下立柱和面板的振动，并对二者的位移峰值开展频谱分析. 罗云柯^[17]采用FLUENT软件研究了半封闭声屏障内的高速列车脉动风压，通过有限元软件ABAQUS分析了声屏障的振动，并开展参数分析. 吕坚品等^[18]使用SAP2000有限元软件建立桥梁声屏障的有限元模型，采用多点输入和一点输入分析了声屏障的动力响应和动力放大系数，为声屏障的设计提供参考. 李恒斌^[19]利用有限元软件ANSYS研究高速铁路插板式声屏障的动力响应，分析了不同声屏障跨数、列车速度（最高车速450 km/h）、“中心距”等对声屏障动力响应的影响，给出了车速400 km/h时的动力放大系数，并针对吸声材料的选取给出指导性意见.

现有研究表明，车致脉动风荷载作用下声屏障的振动与动力特性、荷载特性密切相关. 已有不少学者针对高速铁路声屏障开展脉动风压和动力响应的研究，但现有研究多针对高度较低的声屏障. 本文建立400 km/h高速铁路桥上5 m高直立式声屏障风致振动有限元模型；研究直立式声屏障的自振特性及其在车致脉动风荷载时程作用下的振动响应规律；分析直立式声屏障立柱不同指标的动力放大系数，并开展影响声屏障立柱振动响应和动力放大系数的参数分析；揭示直立式声屏障的脉动风致振动机理，为声屏障的设计、疲劳研究等提供参考.

1. 声屏障自振特性

1.1 声屏障概况

某高速铁路桥上声屏障结构采用5.0 m高直立金属插板式声屏障，底部固定在高铁32 m标准简支箱梁上. 声屏障主要受力构件为H型钢立柱，立柱中心距相邻线路中心线3.8 m. 声屏障下部4.0 m为金属单元板，金属单元板上加高1.0 m的通透隔声板. 相邻H型钢立柱中心间距为2 m. 表1给出了材料参数. 同时，采用通用有限元软件MIDAS Civil建立直立式声屏障动力分析模型.

表 1 板单元和立柱材料参数

Table 1. Material parameters of plate elements and columns

名称	弹性模量/GPa	泊松比	密度/（kg·m⁻³）
金属单元板	71.0	0.330	25.49
通透隔声板	3.1	0.370	1224.00
立柱	210.0	0.274	798.00

下载: 导出CSV

| 显示表格

1.2 声屏障自振特性

Lanczos方法是一种求解大型稀疏对称矩阵特征值和特征向量的高效计算方法^[20]. 本文采用Lanczos方法对上述模型开展模态分析，得到前10阶自振频率如表2. 典型振型如图1所示.

表 2 声屏障前10 阶频率

Table 2. Top ten frequencies of sound barrier Hz

模态号	频率	模态号	频率
1	10.484	6	18.018
2	11.319	7	18.101
3	13.294	8	18.132
4	15.846	9	18.145
5	17.650	10	18.151

下载: 导出CSV

| 显示表格

图 1 典型振型

Figure 1. Typical modes of vibration

下载: 全尺寸图片幻灯片

声屏障的基频为10.484 Hz，第10阶频率为18.151 Hz. 从图1可以看出：声屏障的振型随着阶数的增加逐渐由整体平动向局部多阶弯曲变形过渡，相对较柔透明板的变形较大.

2. 脉动风荷载时程

2.1 400 km/h车致脉动风荷载时程

采用与文献[21]相同的计算方法，基于CFD数值模拟得到适用400 km/h匀速行驶的CRH380A列车的脉动风荷载，并通过动网格技术考虑列车与声屏障之间的相对关系. 计算工况如附加材料表S1所示.

沿着声屏障高度，从地面0.2 m高度起至声屏障顶部每隔0.5 m高度设置测点，共计11个测点（包括顶部）. 3.3 m高和2.3 m高声屏障分别沿高度方向设置7、5个测点. 沿行车方向，每根立柱及相邻两立柱之间的单元板分别设置测点，共计21个测点. 为模拟声屏障的风荷载沿列车行进方向的空间分布特征，沿行车方向，在不同立柱和板单元上施加不同的脉动风荷载. 车速400 km/h下声屏障中间立柱0.2 m高测点的脉动风荷载时程曲线如所示（其他工况下的计算结果见参考文献[]）. 图中： $C_{{\mathrm{in}}}^+$ 、 $C_{{\mathrm{out}}}^+$ 为不同时间下的正压峰值， $C_{{\mathrm{in}}}^-$ 、 $C_{{\mathrm{out}}}^-$ 为不同时间下的负压峰值. 400 km/h车速下中间立柱各测点脉动风荷载时程峰值计算结果见附加材料表S2. 脉动风荷载时程的峰值基本随测点位置的升高而减小.

图 2 脉动风荷载曲线

Figure 2. Fluctuating wind load curve

下载: 全尺寸图片幻灯片

从可以看出，曲线在1.2 s附近先后出现了正压峰值 $C_{{\mathrm{in}}}^+$ 和负压峰值 $C_{{\mathrm{in}}}^-$ ，为由列车头车通过引起的压力头波；在1.9 s附近先后出现了负压峰值 $C_{{\mathrm{out}}}^-$ 和正压峰值 $C_{{\mathrm{out}}}^+$ ，为由列车尾车通过引起的压力尾波. 当列车驶入声屏障区段时，推动空气压向声屏障内侧，产生正压峰值 $C_{{\mathrm{in}}}^+$ ；随后，压力迅速下降，产生负压峰值 $C_{{\mathrm{in}}}^-$ . 而当列车尾车通过时，压力迅速减小随后立即增大，因此，先后出现负压峰值 $C_{{\mathrm{out}}}^-$ 和正压峰值 $C_{{\mathrm{out}}}^+$ . 对比压力头波尾波及各自的正负压峰值可以看出，压力头波的峰值大于压力尾波的峰值，并且正压峰值的绝对值均大于负压峰值.

2.2 车致脉动风荷载时程验证

采用文献[4]给出的高速列车实测风荷载数据验证本文CFD数值模拟的正确性. 按照文献[4]中的工况建立2.15 m高声屏障有限元模型，轨道中心线到声屏障距离为3.4 m，车型与本文采用的CRH380A车型一致，计算车速为300、350、380 km/h.

本文脉动风荷载时程头波正负压峰值CFD数值模拟结果与文献[4]试验结果的对比如表3所示.

表 3 数值模拟结果与试验结果比较

Table 3. Comparison between numerical simulation results and experimental results

条件	车速/（km·h⁻¹）	实测值/Pa	仿真值/Pa	误差/%
正压峰值	300	535	507	5.2
	350	698	715	2.4
	380	889	880	1.0
负压峰值	300	−397	−366	7.8
	350	−531	−508	4.3
	380	−691	−646	6.5

下载: 导出CSV

| 显示表格

从表中可以看出：二者吻合情况较好，误差不超过10%，验证了CFD数值模拟结果的可靠性.

3. 脉动风致桥上声屏障振动

3.1 声屏障加载及风致振动特性

针对2.1节所述的测点位置，将声屏障按照相对应的区域划分为相应的结构组，分别按等值施加对应的横桥向脉动风荷载. 车速400 km/h下的加载示意见附加材料图S1.

立柱是直立式声屏障的主要受力构件，因此，本节选取立柱分析声屏障的振动分布特性. 车速400 km/h时，脉动风荷载时程作用下不同立柱横桥向振动位移分布如图3所示. 图中，S₁为立柱不同高度节点横桥向位移绝对最大值. 从立柱的动力响应结果可以看出，立柱横桥向最大振动位移位于顶部，横桥向最大弯矩位于底部. 因此，选取立柱顶部横桥向振动位移和底部横桥向弯矩研究振动沿行车方向和高度的分布规律.

图 3 400 km/h脉动风荷载最大横桥向振动位移分布

Figure 3. Maximal transverse vibration displacement under fluctuating wind load at train’s speed of 400 km/h

下载: 全尺寸图片幻灯片

从计算结果来看，沿行车方向，各立柱的位移先减小后增大再减小；最大位移位于入口第2根立柱顶部，位移值约为4.38 mm. 取此立柱进行进一步的分析.

将不同高度测点横桥向振动弯矩和位移绘制折线如图4所示. 图中：M_max为立柱节点横桥向动弯矩绝对最大值，S₂为立柱节点横向位移绝对最大值.

图 4 不同测点横桥向振动弯矩、位移折线

Figure 4. Line charts of transverse vibration bending moment and displacement of different testing sites

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图4可以看出：立柱弯矩随测点位置的升高逐渐减小，而位移则随测点位置的升高而增大.

对于振动响应随高度的整体变化规律，立柱底部约束强，顶部约束小. 因此，立柱底部弯矩最大，而位移的变化趋势与弯矩相反.

脉动风荷载作用下立柱顶部节点位移、加速度时程曲线如图5. 从图中可以看出：位移绝对最大值为3.85 mm，加速度绝对最大值为2.95 m/s².

图 5 时程曲线

Figure 5. Time history curves

下载: 全尺寸图片幻灯片

在数学中，有效值指的是一组数据的均方根值：将N个数据的平方和除以N后开平方的结果^[22]. 这里将每个时刻的位移和加速度瞬时值求均方根，给出位移和加速度的有效值分别为0.58 mm和0.45 m/s².

3.2 立柱动力放大系数

动力放大系数F_DA被定义为动力荷载作用下结构的最大动力响应（ ${y_{{\text{dmax}} }}$ ）和相应静载作用下最大响应（ ${y_{{\text{smax}} }}$ ）之比^[23]，如式（1）.

${F_{{\text{DA}}}}{\text{ = }}{{{y_{{\text{dmax}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{y_{{\text{dmax}}}}} {{y_{{\text{smax}}}}}}} \right. } {{y_{{\text{smax}}}}}}.$

(1)

静力荷载选取为脉动风荷载时程的最大峰值，即头波正压峰值 $C_{{\mathrm{in}}}^+$ . 荷载施加方法采取与附加材料图S1一样的分结构组等值加载方法.

选取立柱底部应力、立柱横桥向弯矩分别查看静力作用和动力作用下的最大响应，根据式（1）获得立柱动力放大系数，只列举典型车速400 km/h下的计算结果，如表4. 从表可以看出，车速400 km/h时不同指标下声屏障立柱的动力放大系数为2.76～2.77.

表 4 速度400 km/h声屏障立柱动力放大系数

Table 4. Dynamic amplification factors of sound barrier columns at train’s speed of 400 km/h

类别	立柱底部应力/MPa	立柱横桥向弯矩/（kN·m）
静力作用	2.81	2.38
动力作用	7.77	6.57
放大系数	2.77	2.76

下载: 导出CSV

| 显示表格

3.3 有限元模型验证

本文按照文献[24]选取计算参数，按照同样的方法建立规范^[24]中高2.3、3.3 m金属直立式声屏障的有限元模型，给出车速350 km/h时的动力放大系数的计算结果与规范对比，如表5所示.

表 5 动力放大系数计算值与规范值对比

Table 5. Comparison between calculated value and value given by specification of dynamic amplification factor

声屏障高度/m	指标	计算值	规范值
2.3	立柱底部应力	1.26	1.25
2.3	立柱横桥向弯矩	1.26	1.25
3.3	立柱底部应力	2.11	2.11
3.3	立柱横桥向弯矩	2.10	2.11

下载: 导出CSV

| 显示表格

从表5可以看出：本文的计算结果与规范值较为接近，验证了本文计算模型的可靠性和准确性.

4. 参数分析

4.1 线路中心到声屏障距离的影响

距轨道中心线距离的不同会导致车致脉动风荷载时程的不同，分别选取车速400 km/h下距轨道中心线3.8、4.0、4.2、4.5、4.7 m 5种工况，研究其对声屏障立柱响应和动力放大系数的影响.

选取中间立柱横桥向振动的最大响应点为研究对象，得到立柱动力响应沿行车方向的分布规律，如图6所示. 图中：S₃为立柱顶部节点横桥向位移绝对最大值.

图 6 最大值沿行车方向分布规律

Figure 6. Distribution of maximal value along driving direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

从图6可以看出：声屏障距轨道中心线的距离越大，立柱横桥向位移和弯矩越小.

提取距轨道中心线不同距离下的动力放大系数，如图7所示. 可以看出：声屏障立柱的动力放大系数总体上随声屏障距轨道中心线距离的增大而减小，与弯矩和应力分别算得的动力放大系数吻合良好.

图 7 立柱动力放大系数变化规律

Figure 7. Variation of dynamic magnification factors of columns

下载: 全尺寸图片幻灯片

从以上分析综合来看，声屏障距轨道中心线距离越大，声屏障立柱的振动响应和动力放大系数越小. 这主要是由于列车推动气流作用于声屏障时，随着声屏障距轨道中心线距离增大，气流向上冲到外侧的速度逐渐减小，从而导致脉动风荷载时程减小，动力响应减小.

4.2 声屏障高度的影响

依据参考文献[24]，分别建立2.3、3.3、5.0 m高声屏障的有限元模型，分析自振特性. 选取400 km/h车速施加静力荷载和脉动风荷载时程后分析对比其各项指标（表4），具体结果如下：与5.0 m高声屏障一样，针对2.3、3.3 m高声屏障，采用Lanczos方法开展模态分析，得到2.3、3.3、5.0 m 3种高度声屏障立柱的基频分别为50.370、22.920、10.480 Hz.

选取中间立柱横桥向振动的最大响应点为研究对象，得到立柱动力响应沿行车方向的分布规律，如图8和图9. 从图中及计算结果可以得到：声屏障越高，立柱横桥向顶部位移和底部弯矩最大值越大，随着高度由2.3 m升至3.3 m和5.0 m，直立式声屏障顶部的横向位移由0.45 mm变化至3.80 mm，根部弯矩分别提高了26.8%和60.8%.

图 8 不同高度声屏障立柱顶部节点横桥向位移最大值沿行车方向分布规律

Figure 8. Distribution of maximal transverse displacement of top nodes of sound barrier columns with different heights along driving direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 不同高度声屏障立柱横桥向动弯矩最大值沿行车方向分布规律

Figure 9. Distribution of maximal transverse dynamic bending moment of sound barrier columns with different heights along driving direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

刘功玉等^[25]采用通用有限元软件ANSYS给出2.15 m高金属插板式声屏障第2、5根立柱的顶端位移最大值约为0.40 mm，而本文给出的2.3 m高金属插板式声屏障立柱顶部位移最大值为0.42～0.43 mm. 考虑到声屏障高度、立柱尺寸等因素的影响，本文的计算结果有较好的可靠性.

车速400 km/h时，2.3、3.3、5.0 m 3种高度声屏障立柱的动力系数分别为1.64、2.52、2.76.

对比3种高度声屏障立柱的动力放大系数，可以看出，车速400 km/h时，2.3、3.3、5.0 m高声屏障立柱的动力放大系数分别为1.64、2.52和2.76～2.77.

从以上分析综合来看，声屏障高度越高，基频越低，总体上立柱的动力放大系数越大. 这是因为列车推动气流作用于声屏障时，随着声屏障高度增大，气流向上冲到外侧的速度逐渐增大，从而导致底部测点的脉动风荷载时程增大，动力放大系数增大.

5. 结　论

1）车速400 km/h时5.0 m高直立金属插板式声屏障立柱的动力放大系数约为2.77.

2）直立式声屏障的基频随声屏障高度的增加而减小. 2.3、3.3、5.0 m高声屏障对应的基频分别为50.37、22.92、10.48 Hz.

3）对于立柱的动力放大系数，其值整体上随声屏障高度的增大而增大, 随声屏障距轨道中心线距离的增大而近似线性减小.

4）线路中心线到声屏障距离、声屏障高度对动力放大系数的影响可以从脉动风荷载的角度得到解释. 声屏障距轨道中心线距离的增大导致气流向上冲到外侧的速度逐渐减小，声屏障高度增大会使气流向上冲到外侧的速度逐渐增大，而列车推动的气流速度越大，脉动风荷载时程越大.

备注：附加材料在西南交通大学学报官网或中国知网本文详情页中获取.

图 1 典型振型

Figure 1. Typical modes of vibration

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 脉动风荷载曲线

Figure 2. Fluctuating wind load curve

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 400 km/h脉动风荷载最大横桥向振动位移分布

Figure 3. Maximal transverse vibration displacement under fluctuating wind load at train’s speed of 400 km/h

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 不同测点横桥向振动弯矩、位移折线

Figure 4. Line charts of transverse vibration bending moment and displacement of different testing sites

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 时程曲线

Figure 5. Time history curves

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 最大值沿行车方向分布规律

Figure 6. Distribution of maximal value along driving direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 立柱动力放大系数变化规律

Figure 7. Variation of dynamic magnification factors of columns

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 不同高度声屏障立柱顶部节点横桥向位移最大值沿行车方向分布规律

Figure 8. Distribution of maximal transverse displacement of top nodes of sound barrier columns with different heights along driving direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 不同高度声屏障立柱横桥向动弯矩最大值沿行车方向分布规律

Figure 9. Distribution of maximal transverse dynamic bending moment of sound barrier columns with different heights along driving direction

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 板单元和立柱材料参数

Table 1. Material parameters of plate elements and columns

名称	弹性模量/GPa	泊松比	密度/（kg·m⁻³）
金属单元板	71.0	0.330	25.49
通透隔声板	3.1	0.370	1224.00
立柱	210.0	0.274	798.00

下载: 导出CSV

表 2 声屏障前10 阶频率

Table 2. Top ten frequencies of sound barrier Hz

模态号	频率	模态号	频率
1	10.484	6	18.018
2	11.319	7	18.101
3	13.294	8	18.132
4	15.846	9	18.145
5	17.650	10	18.151

下载: 导出CSV

表 3 数值模拟结果与试验结果比较

Table 3. Comparison between numerical simulation results and experimental results

条件	车速/（km·h⁻¹）	实测值/Pa	仿真值/Pa	误差/%
正压峰值	300	535	507	5.2
	350	698	715	2.4
	380	889	880	1.0
负压峰值	300	−397	−366	7.8
	350	−531	−508	4.3
	380	−691	−646	6.5

下载: 导出CSV

表 4 速度400 km/h声屏障立柱动力放大系数

Table 4. Dynamic amplification factors of sound barrier columns at train’s speed of 400 km/h

类别	立柱底部应力/MPa	立柱横桥向弯矩/（kN·m）
静力作用	2.81	2.38
动力作用	7.77	6.57
放大系数	2.77	2.76

下载: 导出CSV

表 5 动力放大系数计算值与规范值对比

Table 5. Comparison between calculated value and value given by specification of dynamic amplification factor

声屏障高度/m	指标	计算值	规范值
2.3	立柱底部应力	1.26	1.25
2.3	立柱横桥向弯矩	1.26	1.25
3.3	立柱底部应力	2.11	2.11
3.3	立柱横桥向弯矩	2.10	2.11

下载: 导出CSV

参考文献(25)

[1]	SOPER D, GILLMEIER S, BAKER C, et al. Aerodynamic forces on railway acoustic barriers[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2019, 191: 266-278. doi: 10.1016/j.jweia.2019.06.009
[2]	XIONG X H, YANG B, WANG K W, et al. Full-scale experiment of transient aerodynamic pressures acting on a bridge noise barrier induced by the passage of high-speed trains operating at 380–420 km/h[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020, 204: 104298.1-104298.9.
[3]	LÜ M, LI Q, NING Z, et al. Study on the aerodynamic load characteristic of noise reduction barrier on high-speed railway[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2018, 176: 254-262. doi: 10.1016/j.jweia.2018.03.031
[4]	XIONG X H, LI A H, LIANG X F, et al. Field study on high-speed train induced fluctuating pressure on a bridge noise barrier[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2018, 177: 157-166. doi: 10.1016/j.jweia.2018.04.017
[5]	DU J, ZHANG L, YANG M Z, et al. Moving model experiments on transient pressure induced by a high-speed train passing through noise barrier[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2020, 204: 104267.1-104267.10.
[6]	王言聿,郭旭,成志强. CRH3动车组高速出入声屏障时压力场特性的试验研究[J]. 应用力学学报,2020,37(4):1528-1533,1858. doi: 10.11776/cjam.37.04.B028 WANG Yanyu, GUO Xu, CHENG Zhiqiang. Experimental research on pressure field of noise barrier during entrance or departure of CRH3 EMU train[J]. Chinese Journal of Applied Mechanics, 2020, 37(4): 1528-1533,1858. doi: 10.11776/cjam.37.04.B028
[7]	何旭辉,郭柯桢,杨斌,等. 高速铁路840 m全封闭声屏障气压荷载数值模拟研究[J]. 中国铁道科学,2020,41(3):137-144. doi: 10.3969/j.issn.1001-4632.2020.03.16 HE Xuhui, GUO Kezhen, YANG Bin, et al. Numerical simulation of air pressure load on 840 m fully-enclosed sound barrier of high-speed railway[J]. China Railway Science, 2020, 41(3): 137-144. doi: 10.3969/j.issn.1001-4632.2020.03.16
[8]	施洲,杨仕力,蒲黔辉,等. 350~400 km·h⁻¹高速列车作用于声屏障的脉动风荷载特性研究[J]. 中国铁道科学,2018,39(2):103-111. doi: 10.3969/j.issn.1001-4632.2018.02.13 SHI Zhou, YANG Shili, PU Qianhui, et al. Research on fluctuating wind load characteristics of sound barrier under action of G-series high-speed train with speed of 350–400 km·h⁻¹[J]. China Railway Science, 2018, 39(2): 103-111. doi: 10.3969/j.issn.1001-4632.2018.02.13
[9]	何旭辉,吉晓宇,敬海泉,等. 高速铁路全封闭声屏障列车压力波和微气压波数值模拟研究[J]. 空气动力学学报,2021,39(5):142-150. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0037 HE Xuhui, JI Xiaoyu, JING Haiquan, et al. Numerical simulations of the pressure waves and micro pressure waves generated by a high-speed train passing through an enclosed sound barrier[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2021, 39(5): 142-150. doi: 10.7638/kqdlxxb-2020.0037
[10]	何佳骏,向活跃,曾敏,等. 高速铁路桥梁全封闭声屏障列车压力波荷载的数值模拟[J]. 振动与冲击,2020,39(20):175-182. HE Jiajun, XIANG Huoyue, ZENG Min, et al. Numerical simulation for pressure waves of closed noise barrier on high speed railway bridges[J]. Journal of Vibration and Shock, 2020, 39(20): 175-182.
[11]	TOKUNAGA M, SOGABE M, SANTO T, et al. Dynamic response evaluation of tall noise barrier on high speed railway structures[J]. Journal of Sound and Vibration, 2016, 366: 293-308. doi: 10.1016/j.jsv.2015.12.015
[12]	VITTOZZI A, SILVESTRI G, GENCA L, et al. Fluid dynamic interaction between train and noise barriers on High-Speed-Lines[J]. Procedia Engineering, 2017, 199: 290-295. doi: 10.1016/j.proeng.2017.09.035
[13]	罗文俊,李恒斌. 脉动风荷载作用下声屏障动力响应分析[J]. 噪声与振动控制,2016,36(2):162-165,184. LUO Wenjun, LI Hengbin. Dynamic response analysis of noise barrier structures under impulsive wind load[J]. Noise and Vibration Control, 2016, 36(2): 162-165,184.
[14]	ZHENG J, LI Q L, LI X Z, et al. Train-induced fluctuating pressure and resultant dynamic response of semienclosed sound barriers[J]. Shock and Vibration, 2020, 2020: 6901564.1-6901564.16.
[15]	卫星,张靖,魏欢博,等. 基于振动响应的高铁声屏障结构体系研究[J]. 西南交通大学学报,2022,57(2):353-359,409. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200243 WEI Xing, ZHANG Jing, WEI Huanbo, et al. Structural effect on mechanical behavior of high-speed railway sound barriers based on vibration response[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2022, 57(2): 353-359,409. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20200243
[16]	刘功玉,罗文俊,李恒斌. 高速列车所致声屏障结构的动力响应分析[J]. 噪声与振动控制,2017,37(6):126-130. doi: 10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.026 LIU Gongyu, LUO Wenjun, LI Hengbin. Dynamic response analysis of sound barrier structures under high speed train traveling condition[J]. Noise and Vibration Control, 2017, 37(6): 126-130. doi: 10.3969/j.issn.1006-1355.2017.06.026
[17]	罗云柯. 高速铁路半封闭声屏障的列车脉动风致振动分析[D]. 成都: 西南交通大学,2018.
[18]	吕坚品,张继文,廖建州,等. 既有铁路桥梁声屏障的高速列车脉动风致响应[J]. 西南交通大学学报,2009,44(4):547-551. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2009.04.013 LÜ Jianpin, ZHANG Jiwen, LIAO Jianzhou, et al. Response of noise barrier for existing railway bridges under impulsive pressure induced by high-speed train[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2009, 44(4): 547-551. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2009.04.013
[19]	李恒斌. 基于脉动风荷载作用下声屏障的研究[D]. 南昌: 华东交通大学,2016.
[20]	刘丹. 基于Lanczos算法的模态重分析方法的研究与应用[D]. 长沙: 湖南大学,2014.
[21]	毕然,李小珍,郑净,等. 400 km·h⁻¹高铁桥上直立式声屏障脉动风压特性[J]. 中国铁道科学,2021,42(6):68-77. doi: 10.3969/j.issn.1001-4632.2021.06.08 BI Ran, LI Xiaozhen, ZHENG Jing, et al. Fluctuating wind pressure characteristics of vertical sound barrier on 400 km·h⁻¹ high-speed railway bridge[J]. China Railway Science, 2021, 42(6): 68-77. doi: 10.3969/j.issn.1001-4632.2021.06.08
[22]	吴小红. 基于检波技术的交流信号有效值的计算与测试[J]. 电子测试,2020(24):51-52,114. doi: 10.3969/j.issn.1000-8519.2020.24.018 WU Xiaohong. Calculation and test of effective value of AC signal based on geophone technology[J]. Electronic Test, 2020(24): 51-52,114. doi: 10.3969/j.issn.1000-8519.2020.24.018
[23]	王宁波,周逸,周德. 基于实际影响线的移动车辆过桥动力放大系数计算方法[J]. 中南大学学报(自然科学版),2020,51(7):1853-1861. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.07.011 WANG Ningbo, ZHOU Yi, ZHOU De. A calculation method for moving vehicle induced bridge dynamic amplification factor based on influence line[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2020, 51(7): 1853-1861. doi: 10.11817/j.issn.1672-7207.2020.07.011
[24]	中国铁道科学研究院集团有限公司,中铁第四勘察设计院集团有限公司. 时速250公里、350公里高速铁路桥梁插板式声屏障安装图:通环(2018)8323—2018[S]. 北京: 中国铁路总公司,2018.
[25]	刘功玉,罗文俊,李恒斌. 风荷载作用下高速铁路声屏障结构的动力响应分析[J]. 城市轨道交通研究,2019,22(9):27-31. LIU Gongyu, LUO Wenjun, LI Hengbin. Dynamic response analysis of high-speed railway noise barrier structure under wind load[J]. Urban Mass Transit, 2019, 22(9): 27-31.