付兵先 马伟斌 邹文浩 赵鹏

中国铁道科学研究院集团有限公司 铁道建筑研究所， 北京 100081

铁路隧道洞口常用的防危岩落石结构有钢筋混凝土明洞或棚洞、防护网、柔性钢结构棚洞等［1-3］。钢筋混凝土明洞或棚洞防护性能好，但其重量、尺寸大，可实施性较差，因而轻质高强的钢结构明洞或棚洞越来越受到工程界的青睐，但是一些问题也逐渐被显露出来。隧道洞口增设明洞或棚洞后有效净空面积增大且突变，随着列车速度的提高，对列车通过隧道、两车在隧道内交会时的空气动力学效应有影响，使车体表面和隧道内的气动特性发生变化，进而影响旅客舒适度和列车运行安全。此外，列车通过时所产生的列车风对明洞或棚洞的气动作用也有影响，该作用力的强弱取决于列车行驶速度、外形以及明洞或棚洞距列车的距离等，加之轮轨振动作用，可能对明洞或棚洞的结构安全有影响。因此，有必要对高速列车通过时明洞或棚洞结构动力学效应进行研究。

国内就不同车速、隧道长度［4］、落石缓冲结构［5-8］等因素对隧道空气动力学效应的影响有大量研究，尚缺乏对隧道增设明洞或棚洞后的空气动力学效应的研究。靳宝成［9］通过流体动力学计算软件模拟风洞模型试验，得出作用在防风明洞表面的风荷载随风速增大而增大，且迎风侧为正压，背风侧及拱顶为负压。孙建成［10］分析了防风明洞内外流场的变化规律，对比不同路段、风速工况下，开孔及不开孔防风明洞的风荷载。楚琦星［11］导入气动载荷数据，分析动车组进出明洞和隧道时的稳定性，得出侧向风力对列车动力学性能有影响。罗勇［12］分析装配式防风明洞结构形式与受力，提出明洞设计方法，构建了戈壁大风区防风明洞结构体系。

本文采用流体动力学计算软件，建立高速列车通过轻质装配式明洞（简称明洞）时的空气动力学模型，运用滑移网格技术模拟高速列车通过时明洞结构响应情况。

1 明洞结构

明洞结构由正交各向异性的压型钢板和条形基础组成。压型钢板的波高、波距、壁厚分别为300、110、8 mm，钢材材质为Q345B。条形基础深度不小于1.5 m，截面尺寸为1.5 m × 1.5 m，采用钢筋混凝土结构，混凝土强度等级为C35。明洞结构外侧铺设防水层，背后回填缓冲材料，如图1所示。

图1 明洞结构断面

2 轮轨振动与气动荷载耦合模型

2.1 计算模型

本文以8节编组复兴号动车组为原型建立列车模型，如图2 所示。动车组全长203.80 m，车体宽、高分别为3.38、4.05 m，车身断面面积为12.50 m2。

图2 计算模型

2.2 计算参数

采用中国高速谱模拟轨道不平顺，列车速度为350 km/ h 时轮轨力见图3。可知，最大垂向、横向轮轨力分别为90.265、4.389 kN。

图3 列车速度为350 km/ h时的轮轨力

压型钢板力学参数参考文献［13］取值，见表1。当压型钢板进入塑性阶段后，采用双线性塑性本构模型进行模拟。

表1 压型钢板力学参数

另外，还需定义隧道入口流场的密度、初始速度、温度、压力等参数。

2.3 边界条件

计算涉及到的边界条件有：压力边界、壁面边界、交互边界等。

1）压力边界。根据列车的行驶方向，定义列车后侧边界为压力进口边界，前侧边界为压力出口边界。

2）壁面边界。近壁面的流场流动满足高雷诺数流动，需采用壁面函数法模拟。本文选取标准壁面函数来模拟。

3）交互边界。通过定义不同单元区域的分界面，模拟各区域分界面之间的相对运动。将列车与列车之间、列车与隧道之间的分界面设定为交互边界，不同计算区域的数据通过分界面来传递和交换。

2.4 列车交会

选取最不利工况进行分析，列车分别在明洞中心和隧道与明洞中心进行交会，如图4 所示。其中：L1为接长明洞长度（既有隧道增设明洞的长度），L2为隧道长度，L2= 731 m。

图4 列车交会位置

2.5 计算结果

2.5.1 不同接长明洞长度下明洞结构响应

接长明洞长度分别为10、50、150、250 m，高速列车以速度350 km/ h 在隧道与明洞中心交会时明洞结构响应见图5。其中：列车前方的压力为正压，后方的压力为负压。

图5 不同接长明洞长度下明洞结构响应

由图5（a）可知：随着接长明洞长度的增加，正、负压引起的明洞应力均减小。接长明洞长度小于50 m时正压引起的明洞应力降速较大，大于50 m 时负压引起的明洞应力降速较大，负压引起的明洞应力比正压引起的大13.1% ～ 17.2%。因此，接长明洞长度越短越接近最不利交会临界长度，气动响应值也越大。

由图5（b）可知：正、负压引起的明洞最大动变形均随接长明洞长度的增加而递减，与图5（a）相似。接长明洞长度小于50 m 时正压引起的明洞动变形降速较大，大于50 m 时负压引起的明洞动变形降速较大，负压引起的明洞动变形比正压引起的大16.1% ～18.6%。

由图5（c）可知：正、负压引起的明洞振动加速度呈非线性递减趋势。当接长明洞长度小于20 m 时，高速列车通过时正压产生的振动加速度大于负压产生的振动加速度，大于20 m 后则相反。接长明洞长度小于50 m 时，正、负压引起的明洞振动加速度降速较大。考虑振动加速度较小，正、负压对明洞结构的影响较弱。

2.5.2 明洞不同部位的结构响应

高速列车以速度350 km/ h 在隧道与明洞中心交会时距轨面高度1.2、6.5、8.4 m明洞结构响应见图6。

图6 距离轨面不同高度下明洞结构响应

由图6（a）可知：接长明洞长度一定时，随着距离轨面高度的增加，明洞应力逐渐增加。当距离轨面高度小于6.5 m 时应力呈线性增大趋势，大于6.5 m 后增速变大，呈非线性增大趋势。主要原因为明洞采用条形基础，底部为固定约束，距离轨道越近基础的约束越强，高速列车通过时产生的振动、气动荷载对明洞影响较弱。超过一定高度后基础的约束降低，明洞响应增大。另外，接长明洞长度越短，结构的纵向刚度越弱，明洞应力越大。

由图6（b）可知：在接长明洞长度一定时，随着距离轨面高度的增加，明洞动变形逐渐增加，与应力变化规律相似。当距离轨面高度小于6.5 m 时动变形呈现线性增大趋势，大于6.5 m 后呈非线性增大趋势，且增速变大。明洞最大动变形出现在明洞顶部，主要原因是明洞顶部比底部刚度小，而明洞底部受条形基础的约束，刚度较大，动变形相对较小。

由图6（c）可知：不同接长明洞长度下，明洞距离轨面不同位置的振动加速度均较小。接长明洞长度为10 m 时随着距离轨面高度的增加，明洞振动加速度逐渐增加，当距离轨面高度大于6.5 m 后振动加速度增速变大。接长明洞长度为50、150、250 m 时，随着距离轨面高度的增加明洞振动加速度逐渐递减，当距离轨面高度大于6.5 m后振动加速度降速变大。

2.5.3 不同交汇位置下明洞结构响应

高速列车以速度350 km/ h 分别在明洞中心、隧道与明洞中心交会时明洞结构响应见图7。

图7 不同交会位置明洞结构响应

由图7（a）可知：接长明洞长度一定时，高速列车在隧道与明洞中心交会比在明洞中心交会对明洞应力的影响大。随着接长明洞长度的增加，高速列车在明洞中心交会时明洞应力近似呈指数递减，在隧道与明洞中心交会时明洞应力近似呈线性递减。高速列车分别在隧道与明洞中心、明洞中心交会时明洞应力差在13.5% ～ 40.9%。

由图7（b）可知：接长明洞长度一定时，高速列车在隧道与明洞中心交会比在明洞中心交会对明洞动变形的影响大。随着接长明洞长度的增加，高速列车在明洞中心交会时明洞动变形近似呈指数递减，高速列车在隧道与明洞中心交会时明洞动变形近似呈线性递减。高速列车分别在隧道与明洞中心、明洞中心交会时明洞动变形差在16.3% ～ 39.1%。

由图7（c）可知：随着接长明洞长度的增加，高速列车分别在明洞中心、隧道与明洞中心交会时明洞振动加速度均减小。当接长明洞长度小于20 m 时，高速列车在明洞中心交会产生的振动加速度大于在隧道与明洞中心交会时的振动加速度，当接长明洞长度大于20 m后则相反。

3 结论

根据铁路隧道洞口地形特征，设计了一种轻质装配式钢结构明洞。通过数值模拟，得到了高速列车通过时明洞结构响应情况。相关成果可为铁路隧道的防护设计提供参考，研究方法也可为类似工程提供借鉴。主要结论如下：

1）随着接长明洞长度的增加明洞应力、动变形和振动加速度均减小，在接长明洞长度小于50 m 时应力、动变形、振动加速度降速较大。负压引起的明洞应力比正压引起的大13.1% ～ 17.2%、动变形大16.1%～18.6%。正、负压引起的明洞振动加速度较小，对明洞结构的影响较弱。

2）随着距离轨面高度的增加，明洞的应力和动变形增大。当距离轨面高度小于6.5 m 时应力和动变呈线性增大趋势，大于6.5 m 后增速变大，呈非线性增大趋势。不同接长明洞长度、距离轨面不同位置，明洞的振动加速度均较小。

3）列车交会位置对明洞应力和动变形有影响，高速列车在隧道与明洞中心、明洞中心交会时明洞应力差在13.5% ～ 40.9%、动变形差在16.3% ～ 39.1%。不同交会位置下明洞振动加速度较小。

4）在高速列车轮轨振动与气动荷载耦合作用下，明洞应力、动变形及振动加速度均较小，结构安全。