朴爱玲 尹皓 伍向阳 刘兰华 陈迎庆

（1.中国铁道科学研究院研究生部，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，北京 100081）

声屏障可以降低高速铁路噪声，改善沿线声环境质量，是我国高速铁路主要降噪措施[1]。列车高速通过声屏障时，由于列车周围空气产生强烈扰动，线路两侧声屏障构件表面会产生动力脉冲波。长期气动交变荷载作用对声屏障结构疲劳寿命影响很大，可能引起疲劳损坏，影响其使用年限和行车安全[2]。因此，开展运营期声屏障动力响应变化分析对声屏障设计和安全评估具有重要意义。

国内外学者对声屏障应用及结构安全开展了大量研究。文献[3]给出了德国纽伦堡—英戈斯塔特高速铁路上的声屏障结构动力响应测试分析，结果表明声屏障结构动力响应主要用风压、位移、固有频率等来表征；最大压力和吸力出现在列车车头经过测点时，H型钢立柱和单元板的位移、最大动变形均随速度的增加而增大。文献[4]通过数值模拟得到了声屏障气动力沿列车运行方向和高度方向的变化规律。文献[5]基于有限体积法建立了列车通过设置声屏障桥梁时的空气动力学模型，应用滑移网格技术和大涡模拟法得出了不同列车通过桥梁时声屏障脉动压力极值、脉动压力时程曲线等。文献[6]通过现场试验得出了我国高速铁路声屏障的应用现状及降噪效果。

中国铁道科学研究院集团有限公司结合京津城际、京沪等高速铁路进行了联调联试和综合试验，对金属插板式、混凝土整体式声屏障的结构气动力进行了测试研究，明确了在不同工况、线路条件、距离下，不同车型以不同速度通过不同类型声屏障的结构气动力响应，提出了我国高速铁路气动效应的监测及评价方法[7-8]。

声屏障使用一段时间后，结构部件可能出现疲劳，承载能力发生改变，而高速铁路运营期声屏障动力响应的相关研究未见报道。为掌握运营期声屏障动力响应的变化规律，本文在一高速铁路进行了现场试验，并与运营初期开展对比分析。

1 现场测试

影响声屏障结构气动力的主要因素包括声屏障的截面形状、与轨道中心线的距离及列车的运行速度、外形、长度等。声屏障结构气动力主要评价指标包括风压、位移、动应力等。

在一条已运营近10年的高速铁路上行线中选取一处桥梁金属插板式声屏障进行动力响应测试。声屏障立柱高LH=2 190 mm，单元板宽LA=1 960 mm；试验列车与运营初期保持一致，均为CRH380AL动车组。对比分析动车组以时速300 km通过时声屏障结构动力响应变化。

声屏障动力响应测试系统主要由传感器、IMC集成测控数据采集系统、GPS、无线远程监控系统、无线远程数据传输系统和计算机等组成。各传感器将测得的信息经IMC集成测控数采系统放大、A/D转换为数字信号后记录在计算机中进行处理；GPS用于确定标准时间；无线远程监控系统对数据采集设备进行远距离控制；无线远程传输系统对测试数据进行无线传输。测试内容及测点位置（图1）为：

1）气动风压。利用脉动风压传感器测试声屏障内外侧风压差，测量脉动风压值。测点位于立柱根部高出轨面1.0 m的位置。

2）位移。利用加速度或速度传感器和放大器，测得加速度或速度信号，通过二次或一次积分得到位移信号。测点位于立柱顶部、单元板中部。

3）动应力。利用应变片测量测点处的应变，再通过材料的弹性系数进行相关计算得到结构动应力。测点位于立柱加强肋上部、单元板中部。

图1 测点布置示意

2 试验结果分析

2.1 运营期现状试验数据分析

动车组以300 km/h通过时，对声屏障气动风压、单元板及立柱的位移、动应力进行测试。共得出3组数据，选取各指标最值作为其试验结果。动车组通过时声屏障结构气动效应随时间的变化曲线见图2。

图2 声屏障结构气动效应随时间的变化曲线

由图2（a）可知：①动车组车头通过测点时，风压信号先正后负，说明其先对声屏障形成垂直轨道向外的脉冲压力，再形成垂直轨道向内的脉冲吸力。②车尾通过时，风压信号先负后正，说明其先对声屏障形成垂直轨道向内的脉冲吸力，再形成垂直轨道向外的脉冲压力。③中间车厢通过时产生的脉动压力相对不明显。总体上，动车组以300 km/h通过时声屏障结构表面所承受气动荷载显著。

由图2（b）可知：①单元板、立柱的位移时程曲线与风压激励变化规律一致，车头通过时位移信号先正后负，车尾通过时位移信号先负后正。②列车风压对声屏障不同位置的变形影响程度不同，同一列车通过时单元板位移大于立柱位移。

由图2（c）可知：①车头通过时立柱应力（应变）信号先正后负，单元板应力（应变）信号先负后正。这是由于车头通过时声屏障先受到垂直轨道向外的压力，再受垂直轨道向内的拉力。立柱由于底部受到约束，应变片先拉伸后压缩，信号先正后负；单元板两端由于受立柱约束，受到垂直轨道向外的压力时应变片先压缩后拉伸，信号先负后正。②车尾通过时，与车头通过情况相反，立柱应力（应变）信号先负后正，单元板应力（应变）信号先正后负。这是因为车尾通过时声屏障先受垂直轨道向内的拉力，后受垂直轨道向外的压力。③列车风压对声屏障不同位置的变形影响程度不同，无论车头还是车尾通过，立柱的应力均大于单元板应力。这是由于声屏障立柱所受的约束强，与基础连接强度高，而声屏障单元板所受约束较弱，所受应力小于立柱应力。

根据铁总建设〔2016〕57号《时速250公里、350公里高速铁路桥梁插板式金属声屏障安装图》，列车气动风压不得超过0.9 kPa，声屏障单元板位移不得超过LA/100，立柱位移不得超过LH/200。根据测试结果，各指标均低于限值。

2.2 与运营初期测试数据对比分析

在正式开通运营前的综合试验和联调联试阶段，在线路上的同一位置进行了桥梁金属声屏障结构动力响应测试。由于测试完成后很快就进入运营初期阶段，故选取该测试数据作为运营初期测试数据。

CRH380AL动车组以300 km/h通过测点工况下，与运营初期相比，声屏障最大风压未出现明显变化，仅减小了0.83%；单元板、立柱最大位移均有所增加，分别增加了173.13%，13.51%，单元板位移变化显著；单元板、立柱最大动应力均有所减小，分别减小了27.00%，30.75%。可见，经过长期运营后，在气动风压荷载基本一致的条件下，单元板和立柱最大位移增大而应力减小，声屏障受力部件及约束部件承载能力均出现一定程度的下降。

3 结论及建议

1）动车组以300 km/h通过时，声屏障结构表面所承受气动荷载显著。

2）车头通过时，单元板、立柱位移信号先正后负，立柱应力（应变）信号先正后负，单元板应力（应变）信号先负后正。车尾通过时情况相反。

3）列车风压对声屏障不同位置的变形和应力的影响程度不同。同一列车通过时单元板位移大于立柱位移，立柱的应力大于单元板应力。

4）高速铁路运营10年后，声屏障结构各项动力性能指标均发生变化但仍低于限值。单元板和立柱最大应力下降而最大位移增大，表明声屏障受力部件和约束部件可能出现承载能力下降及老化问题。

本次研究仅限于10年运营期的对比，建议下一步开展更长期的声屏障结构动力响应跟踪测试研究，掌握声屏障全寿命周期内结构动力性能变化情况。在后续声屏障设计中，应更关注运营期声屏障疲劳劣化所带来的影响，优化设计参数。