无砟轨道高速铁路斜拉桥跨度较大,常采用箱形断面主梁,在桥梁建设和运营过程中涡激振动问题不可忽视。以阜淮高速铁路颍河斜拉桥为工程背景,对主梁断面绕流进行数值模拟以及流固耦合求解,研究主梁断面的气动力参数以及竖向涡振响应。针对可能出现的明显涡振进行气动优化,并分析涡振响应对列车行车稳定性的影响。结果表明在0°、±3°和±5°五种攻角下主梁原始断面均出现了竖向涡振,最大竖向涡振振幅均较小;在+5°攻角下主梁原始断面出现明显的竖向涡振,在检修车轨道内侧加设导流板,可显著减小主梁断面的涡振响应;涡振时最大振幅对应列车行车安全性满足要求。

以京沪线为研究背景,建立用于数值计算的简化的车辆-桥梁模型,基于宽频带噪声源法和声类比理论,利用Fluent软件分别研究了列车在高架桥上高速行驶时的近场气动噪声的声源强度特性和远场气动噪声的空间分布特性。研究结果表明沿桥梁纵向气动噪声强度在车尾变截面处最大,车头变截面处次之;沿桥梁横向气动噪声强度随着离桥梁横向距离的增加而减小,且减小的幅度越来越小;沿桥梁垂向气动噪声在距离轨道顶面高度1.2 m处的强度最大。

对我国现行高速铁路声屏障技术标准及其相关技术条件的适用性进行了总结分析。结果表明,我国现行铁路声屏障工程设计文件,主要包括时速200 km、250 km和350 km高速铁路声屏障通用参考图。声屏障结构的最大变形、共振效应和疲劳强度是进行声屏障气动效应测试和评判的主要参数。抗疲劳性能测试时的荷载值应根据该运行速度条件下的列车气动风压值和动力响应系数等分析计算确定。现场试验测量中得到的动变形测量值应换算为最不利荷载条件下的最大动变形值才能与声屏障结构动变形设计限值进行对比分析评判。开展声屏障设计时应充分考虑声屏障整体结构在长期荷载作用下的劣化与控制要求。

针对高速铁路声屏障会受到高速列车通过时产生的气动载荷的反复冲击问题,根据高速铁路声屏障单元板承受气动载荷冲击能力评估的需要,对高速铁路声屏障单元板进行气动疲劳载荷模型研究.建立了高速铁路声屏障表面压力测试系统,利用不同条件下声屏障表面气动载荷现场测试数据,研究承受最大气动载荷的声屏障目标单元板;在此基础上,给出了用于声屏障单元板气动疲劳试验的两种气动疲劳载荷施加方案,建立针对这两种气动疲劳载荷施加方案并同时考虑高速列车气流冲击和横风作用的声屏障单元板气动疲劳载荷模型.结果表明当列车所受横风风速不变时,随着列车车速的增加,动态载荷和动态载荷变化频率皆随高速列车车速的增加而增大;相比较,动态疲劳载荷受车速的影响更大.

随着我国高速铁路建造技术高质量发展,高速列车运行速度不断提升。受列车运行速度、隧道服役时间等众多因素的影响,高速铁路隧道在服役期间,衬砌裂损掉块病害现象日益凸显,严重危害行车安全。为探究行车环境下,列车风及其流场结构对隧道衬砌掉块下落过程的影响规律,建立列车-隧道-衬砌掉块-空气三维气固耦合计算模型,模拟行车环境下衬砌掉块自隧道拱顶脱落到下降落地的全过程。研究结果表明1)衬砌掉块的下落过程包括3个方向的平动与转动,平动以沿列车纵向运动为主,纵向运动位移约为横向运动位移的4倍,转动以横轴为主;2)列车风与衬砌掉块相互作用相互影响,列车风作用在掉块时,掉块周围的流场出现漩涡、绕流等现象继而改变掉块的运动姿态和方向。与此同时,掉块的运动又进一步使其周围流场结构发生改变,以此不断反复直至落地;3)沿......

针对高速铁路隧道缺陷混凝土衬砌裂缝扩展带来的影响,研究气动荷载作用下衬砌裂缝内气体压力的大小及分布规律。基于质量守恒定律、动量定理和能量守恒定律,推导高速铁路隧道衬砌裂缝内控制体的气动压力方程并求解;应用FLUENT软件对裂缝内气动压力进行数值模拟,验证控制方程计算结果,并分析衬砌表面荷载幅值、裂缝开口量、裂纹深度、裂缝顶端宽度4种因素对裂缝内气动压力的影响。结果表明沿着裂缝深度方向,气动压力呈增大趋势,且最大值发生在裂缝尖端处;衬砌表面荷载和裂缝开口量的增加会不同程度地促进压力峰值增加,裂缝顶端宽度的增加反而会造成缝内压力峰值降低,裂缝深度对压力峰值则几乎没有影响;裂缝内气动压力峰值与缝外气动压力幅值、裂缝开口量基本成正比关系,而与裂缝深度成反比关系,与裂缝顶端宽度二次方大致成反比......

列车高速通过隧道时产生的车体气动荷载与列车整体金属结构、车窗、风挡及空调通风装置等部件的疲劳寿命密切相关,是保证行车安全的重要考量因素之一。采用一维可压缩非定常不等熵流动模型和广义黎曼变量特征线法,研究了列车气密性能、列车长度、阻塞比和隧道长度对高速铁路隧道内列车运行时(400 km/h)车体气动荷载的影响。结果表明列车密封性能越好、编组越长、阻塞比越大,则气动荷载幅值越大、作用时间越长;随着隧道长度的增加,气动荷载幅值呈现先增大、后减小的趋势,存在“隧道不利长度”;车体气动荷载幅值可保守地通过计算车体表面压力幅值进行估算。

通过现场测试高速铁路列车引起的隧道气动效应,分析列车速度、列车编组、隧道长度等因素对气动荷载、振动加速度和微气压波的影响。结果表明列车通过隧道时,隧道壁面及附属设施表面气动荷载峰值与列车速度近似呈2次方关系;8编组列车通过较短隧道时气动荷载峰值大于通过较长隧道时,16编组列车则相反;控制箱左右两侧气动荷载峰值相差较小,顶底部气动荷载峰值相差明显;在隧道防护门中部气动荷载峰值大于上部和下部,上部和下部气动荷载峰值接近;隧道壁面无显著振动,隧道附属设施表面振动明显;在距隧道入口200 m处压力梯度峰值与列车速度呈3次方关系,列车运行速度超过一定值后,出口附近压力梯度峰值高于入口附近;隧道出口20 m处微气压波峰值与列车速度近似呈6次方关系。

为提高铁路沿线居民的生活幸福指数和旅客乘坐的舒适度,应用数值模拟的方法计算了高速动车组动力转向架和无动力转向架分别在有碴轨道和无碴轨道上运行时的气动噪声幅值,分析了列车速度、转向架类型和轨道类型对高速动车组气动噪声幅值的影响。

为了掌握我国高速铁路长期运营后声屏障结构动力响应性能变化情况,更好地进行运营期声屏障的安全评估和高速铁路桥梁声屏障设计,通过现场试验及与运营初期的数据对比,得到运营期动车组高速通过时桥梁声屏障气动荷载及结构动力响应的变化规律。结果表明动车组高速通过时声屏障结构表面承受气动荷载显著;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,单元板位移大于立柱,立柱应力大于单元板;高速铁路运营10年后,单元板和立柱最大位移增大而最大应力减小,表明声屏障结构长期承受交变荷载后可能出现承载能力下降问题。建议设计时考虑运营期声屏障疲劳劣化所带来的影响,优化结构疲劳设计指标。