基于實測數(shù)據(jù)的CRH380列車風(fēng)作用下風(fēng)屏障風(fēng)荷載多分辨率分析

鄒云峰，何旭輝，周佳，史康，黃永明

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基于實測數(shù)據(jù)的CRH380列車風(fēng)作用下風(fēng)屏障風(fēng)荷載多分辨率分析

鄒云峰1, 2，何旭輝1, 2，周佳1, 2，史康1, 2，黃永明1, 2

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙，410075；2. 高速鐵路建造技術(shù)國家工程實驗室，湖南 長沙，410075)

基于我國新建南寧—廣州(客貨共線，設(shè)計時速250 km/h)聯(lián)調(diào)聯(lián)試，對CRH380型動車組作用下的某大橋上風(fēng)屏障風(fēng)荷載進(jìn)行實測，并采用基于小波變換的多分辨率分析方法對風(fēng)壓特性進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明：風(fēng)屏障表面平均風(fēng)壓隨時間變化出現(xiàn)2個明顯的波動，具有明顯的非平穩(wěn)特性；低頻部分風(fēng)壓對風(fēng)屏障起控制作用，0~2.44 Hz頻段能量占總能量的94%以上；列車運行速度對風(fēng)壓能量在頻域內(nèi)的分布情況影響不大，僅風(fēng)壓極值隨運行速度的提高略有增加。

風(fēng)屏障; 風(fēng)荷載; 列車風(fēng); 多分辨率

隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，如何保障高速列車在強風(fēng)下的運行安全性和乘坐舒適性成為人們廣泛關(guān)注的焦點[1?2]。MATSCHKE等[3]認(rèn)為提高強風(fēng)下行車安全的措施有優(yōu)化車輛氣動外形、運行管制和設(shè)置風(fēng)屏障3種。然而，車輛氣動外形優(yōu)化不適用于既有車輛，列車限速慢行或停止運行等管制措施會導(dǎo)致列車延誤，影響運送效率，也與高速列車全天候、快速、準(zhǔn)點運行的優(yōu)勢相違背。設(shè)置風(fēng)屏障由于能為列車創(chuàng)造一個風(fēng)速相對較低的風(fēng)環(huán)境，是提高既有線路列車行車安全的有效措施。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對風(fēng)屏障的防風(fēng)效果進(jìn)行了廣泛研究[4?11]，初步建立了防風(fēng)效果與風(fēng)屏障高度、透風(fēng)率等參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系。需要指出的是，為保證防風(fēng)效果以及受線路寬度的限制，風(fēng)屏障通常距軌道較近。以我國高鐵廣泛采用的32 m跨簡支梁橋為例，風(fēng)屏障距車輛近壁面僅1.75 m左右。由于風(fēng)屏障高度通常在3.00 m左右，風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)安全勢必會影響到行車安全。然而，列車運行會帶動其周圍空氣隨之運動(即產(chǎn)生列車風(fēng))，對列車附近的風(fēng)屏障產(chǎn)生巨大沖擊作用(實測表明[12]，列車風(fēng)引起的壓力波幅值可超過1 kPa，遠(yuǎn)大于風(fēng)屏障受到的其他荷載)，危及風(fēng)屏障結(jié)構(gòu)安全。事實上，國外已發(fā)現(xiàn)因高速列車導(dǎo)致聲屏障發(fā)生開裂、疲勞破壞等現(xiàn)象，并指出列車風(fēng)導(dǎo)致的脈動力是此類線路附屬構(gòu)件動力設(shè)計的控制因素[13]。由于列車風(fēng)效應(yīng)與列車運行速度平方呈正比，而我國高速列車運行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過當(dāng)今世界高速列車240 km/h的平均運營速度和320 km/h的最高運營速度[14]，為此，我國亟需對高速列車風(fēng)作用下風(fēng)屏障風(fēng)荷載進(jìn)行研究，為風(fēng)屏障的抗風(fēng)設(shè)計提供輸入?yún)?shù)。由于列車風(fēng)為復(fù)雜的三維非定常繞流，現(xiàn)有風(fēng)洞試驗技術(shù)通常無法準(zhǔn)確模擬，而現(xiàn)場實測周期長、難度大、成本高，目前，有關(guān)風(fēng)屏障在列車風(fēng)作用下的風(fēng)荷載研究大多是通過數(shù)值模擬進(jìn)行的[4, 15]，但限于當(dāng)前計算機計算精度，計算結(jié)果(尤其是風(fēng)荷載脈動特性)可靠性有待于進(jìn)一步驗證。為此，本文作者基于我國某新建高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試，對不同速度運行的CRH380A型動車組作用下的某大橋上風(fēng)屏障風(fēng)荷載進(jìn)行實測，利用基于小波變換的多分辨率分析方法對風(fēng)屏障風(fēng)壓特性進(jìn)行分析，以便為風(fēng)屏障抗風(fēng)動力設(shè)計提供依據(jù)，為此類數(shù)值模擬及風(fēng)洞試驗結(jié)果的驗證提供參考。

1 現(xiàn)場測試

1.1 工程背景

我國某新建高速鐵路為設(shè)計時速250 km/h的雙線電氣化國家Ⅰ級鐵路，于2014?11?08開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試(所用試驗列車為CRH380A型動車組，每列8節(jié)編組)，于2014?12?26正式開通運營。由于風(fēng)屏障通常設(shè)置在橋梁上，因此，在該高速鐵路某大橋上安裝風(fēng)屏障模型，對聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間試驗列車風(fēng)作用下風(fēng)屏障風(fēng)荷載進(jìn)行測試。依托大橋進(jìn)行試驗。

圖1所示為主跨450 m的中承式鋼箱拱橋，矢跨比為1/4，橋面距拱頂和設(shè)計水位分別約為74 m和 50 m，主跨吊桿間距為12 m。為盡量減少拱肋等大橋附屬結(jié)構(gòu)對測試結(jié)果的干擾，以及考慮到線路和行車的對稱性，僅在大橋中跨上游一側(cè)安裝模型。

1.2 模型及測點布置

對于非風(fēng)沙地區(qū)，通常采用透風(fēng)式風(fēng)屏障[16]，即風(fēng)屏障上開有均勻分布的孔洞以實現(xiàn)一定的透風(fēng)率(孔洞面積占風(fēng)屏障總面積的比例)，因此，影響風(fēng)屏障風(fēng)荷載的因素除風(fēng)參數(shù)外還有風(fēng)屏障高度、透風(fēng)率及開孔形狀等。由于透風(fēng)率、高度等風(fēng)屏障參數(shù)通常需要根據(jù)具體環(huán)境優(yōu)化，不同環(huán)境下風(fēng)屏障參數(shù)取值略有不同。為保證測試結(jié)果的普遍性，本文風(fēng)屏障透風(fēng)率為0，風(fēng)屏障高度參考現(xiàn)有研究成果建議值[16]，即距軌面高度約為3.0 m。為消除端部效應(yīng)，風(fēng)屏障模型布置為“補償段(長3.0 m)+測試段(長0.2 m)+補償段(長3.0 m)”，其中補償段采用2.0 cm厚優(yōu)質(zhì)木板，風(fēng)荷載測試段則為有機玻璃夾層模型。根據(jù)現(xiàn)場測試情況，風(fēng)屏障安裝位置距列車近壁面約1.8 m。模型在主梁上安裝位置示意圖如圖2(a)所示。風(fēng)屏障風(fēng)荷載采用測壓方法得到，共布置16個風(fēng)壓測點，其中靠列車側(cè)布設(shè)10個測點(測點間距約為30.0 cm)，另一側(cè)6個測點，具體布置情況及其編號如圖2(b)所示，其中9號和15號測點高度與軌面標(biāo)高相當(dāng)。

1.3 數(shù)據(jù)采集

風(fēng)屏障表面風(fēng)壓經(jīng)PVC測壓管傳至壓力掃描閥(本文采用美國Scannivalve公司的高頻壓力掃描閥，采樣頻率為625 Hz)后，可由人工控制成熟的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和保存。但脈動風(fēng)壓在由模型表面?zhèn)鬟f至壓力掃描閥這一過程中會發(fā)生畸變(幅值發(fā)生變化、相位滯后)[17]，為保證測試結(jié)果精度，應(yīng)盡可能減短傳壓管路長度，即要求數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)應(yīng)設(shè)在模型附近。然而，高速鐵路運行管理規(guī)定列車運行時線上不得有任何人作業(yè)，即要求列車運行時不得有人在模型附近控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。若在天窗時間將數(shù)據(jù)采集參數(shù)設(shè)置好開始持續(xù)采樣，直至24 h后的下一個天窗時間，則該方法既由于保存大量不需要的數(shù)據(jù)而浪費計算機資源，又由于長時間采樣，溫度升高、零漂等會影響測試精度，也無法及時對采集參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。此外，由于不能實時查看測試結(jié)果，無法對測試結(jié)果的準(zhǔn)確性作出及時判斷?，F(xiàn)有數(shù)據(jù)采集方法不能滿足鐵路上現(xiàn)場測試需求，為此，開發(fā)一套遠(yuǎn)程控制方法對橋上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和保存，并通過無線傳輸至PC端，應(yīng)用編制的專用數(shù)據(jù)處理程序，由風(fēng)壓數(shù)據(jù)獲得風(fēng)屏障風(fēng)荷載，對數(shù)據(jù)結(jié)果可靠性進(jìn)行判斷，進(jìn)而對采集參數(shù)實時調(diào)整[18]。該方法由于現(xiàn)場無需人工值守，可滿足高速鐵路運行管理規(guī)定要求。

數(shù)據(jù)單位：mm。

(a) 風(fēng)屏障模型安裝位置示意圖；(b) 測壓點位置及編號

1.4 測試工況

測試工況取決于聯(lián)調(diào)聯(lián)試計劃。聯(lián)調(diào)聯(lián)試時，試驗列車在180~270 km/h范圍內(nèi)以10 km/h為步長進(jìn)行逐級提速，最高試驗速度達(dá)275 km/h。由于只有1列試驗列車，整個試驗過程中僅有單線行車，但同一速度、線路進(jìn)行多次行車。本次試驗共進(jìn)行約80個測試工況。由于風(fēng)屏障受到的風(fēng)荷載以列車靠近風(fēng)屏障側(cè)(上游線路)運行時較大，因此，本文僅對列車在上游線路運行時的結(jié)果進(jìn)行分析。

1.5 其他測試要點

由于測試采用的Scannivalve壓力掃描閥為壓差傳感器，為保證測試精度，需要為之提供1個穩(wěn)定可靠的參考壓力。然而，受列車風(fēng)及自然風(fēng)隨時變化的影響，現(xiàn)場測試環(huán)境中的大氣壓力不可能像室內(nèi)試驗?zāi)菢泳S持穩(wěn)定狀態(tài)。為此，將一密封玻璃瓶內(nèi)空氣壓力(與環(huán)境壓力相同)作為參考壓，由于玻璃瓶是密封的，瓶內(nèi)空氣壓力受外界環(huán)境變化影響較小。為減小環(huán)境溫度變化對瓶內(nèi)壓力的影響，將該玻璃瓶浸泡在盛有冰水混合物的保溫桶內(nèi)[19]。

直接測試得到的風(fēng)屏障風(fēng)荷載通常是列車風(fēng)與自然風(fēng)共同作用的結(jié)果，為分析列車運行速度與風(fēng)屏障風(fēng)荷載之間的關(guān)系，需要準(zhǔn)確確定測試時列車運行速度和自然風(fēng)速。為此，在橋面跨中上、下游兩側(cè)各裝1臺風(fēng)速儀監(jiān)測自然風(fēng)風(fēng)速。盡管聯(lián)調(diào)聯(lián)試計劃對試驗列車運行速度進(jìn)行大概規(guī)定，但試驗列車需根據(jù)運行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，因此，在大橋兩端(主拱肋)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)兩視頻監(jiān)控間的距離及列車過橋時間可較精確確定列車運行速度。同時，該系統(tǒng)也可為數(shù)據(jù)采集的開始和結(jié)束時間提供參考。

另外，由于現(xiàn)場測試時的傳壓管路長度較常規(guī)室內(nèi)試驗時的長，應(yīng)加強測壓管的漏氣和氣流順暢性檢驗，尤其注意管內(nèi)是否有水汽。

在教學(xué)中首先應(yīng)該注意的就是要轉(zhuǎn)變幼兒的學(xué)習(xí)方式。聲勢教學(xué)能夠打破傳統(tǒng)的教學(xué)觀念，避免幼兒在學(xué)習(xí)中感到枯燥，讓幼兒以一種輕松的心情去學(xué)習(xí)，不會感到累，也不會有負(fù)擔(dān)，這樣才能夠讓幼兒愿意學(xué)、喜歡學(xué)，同時也保證教師完成自己的教學(xué)內(nèi)容。

2 數(shù)據(jù)處理方法

2.1 畸變脈動風(fēng)壓反演修正

在測壓試驗中，結(jié)構(gòu)物表面的風(fēng)壓通常由一定長度的測壓管道傳輸至壓力傳感器，在這一傳輸過程中，傳感器測得的脈動壓力信號實際上是模型表面真實風(fēng)壓發(fā)生畸變(幅值變化、相位滯后等)后的信號。由于脈動壓力畸變效應(yīng)與管路長度密切相關(guān)，而實測時采用的管路較長，為保證脈動風(fēng)壓測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用反演修正方法對實測信號進(jìn)行修正，其基本原理如下[17]：

式中：()為結(jié)構(gòu)物表面的真實風(fēng)壓()的傅里葉變換；()為壓力傳感器測得的壓力信號()的傅里葉變換；()為管路系統(tǒng)的頻響函數(shù)，可通過試驗或理論計算得到。

由式(1)可知，對(ω)進(jìn)行傅里葉逆變換便可還原真實壓力信號的時間序列。由于頻響函數(shù)(ω)為復(fù)數(shù)，包含了幅值和相位信息，因此，反演修正不僅能夠?qū)Ψ颠M(jìn)行修正，而且能對相位進(jìn)行修正。

2.2 小波分析

圖3所示為測得典型風(fēng)壓曲線與現(xiàn)有結(jié)果對比，可看出本文測試結(jié)果與已有研究結(jié)果基本一致，表明本文測試結(jié)果可靠。從圖3還可以看出：列車風(fēng)導(dǎo)致風(fēng)屏障表面的風(fēng)荷載相當(dāng)于脈沖效應(yīng)，風(fēng)荷載時程曲線出現(xiàn)2個明顯波動(呈“正—負(fù)—負(fù)—正”的變化規(guī)律)，具有明顯的瞬態(tài)和時變特性，而小波變換是分析此類非平穩(wěn)信號的有效方法。

(a) 本文測試結(jié)果；(b) 風(fēng)屏障阻力系數(shù)數(shù)值模擬結(jié)果[4]；(c) 聲屏障風(fēng)壓實測結(jié)果[15]

時，稱()為1個基本小波或母小波。將母小波函數(shù)()經(jīng)伸縮和平移后可得到1個小波序列：

式中：為伸縮因子；為平移因子。

對于任意的函數(shù)()∈2()，有將連續(xù)小波變換定義為與ψ()的內(nèi)積，即

在實際應(yīng)用中，常常對尺度因子和平移因子進(jìn)行離散化來提高計算效率，工程上，一般取=2，=2k，此時稱為離散小波變換，其重構(gòu)公式為

(a) 低頻壓力分量；(b) 高頻壓力分量

圖4 各分解級的壓力分量

Fig. 4 Pressure components of different decomposition layers

3 測試結(jié)果與分析

圖4所示為風(fēng)壓時程經(jīng)過分解重構(gòu)后，部分代表性分解級的壓力分量。從圖4可以看出：風(fēng)壓原始信號的分解過程是不斷分解低頻的過程，每一次分解分別代表不同頻段上的風(fēng)壓分量；當(dāng)分解級數(shù)較低時，由于頻率較高，此時包含大量的風(fēng)壓脈動信息，尤其是高頻部分重構(gòu)曲線波動迅速，但高頻部分壓力基本在0 Pa附近波動，表明風(fēng)壓時程在這個頻段范圍內(nèi)分量微??；隨著分解級數(shù)增大，頻段范圍不斷減小，風(fēng)壓脈動信息逐漸消失，壓力信號光滑度增加，相對低頻部分風(fēng)壓分量逐漸減小，而相對高頻部分風(fēng)壓分量緩慢增大；當(dāng)分解級達(dá)到8級時，高頻風(fēng)壓極值發(fā)生突變，此時低頻段為8[0，1.22] Hz，高頻段為8[1.22，2.44] Hz，兩部分風(fēng)壓分量都較大，表明此時已經(jīng)達(dá)到風(fēng)壓分量頻率分布的上限，即頻率上限為2.44 Hz。為進(jìn)一步探究分量分布頻率的下限，繼續(xù)進(jìn)行分解，直到分解等級達(dá)到10級，低頻段10[0，0.31] Hz風(fēng)壓基本穩(wěn)定在0 Pa附近，而高頻段10[0.31，0.62] Hz風(fēng)壓也急劇降低，這說明風(fēng)壓分量已經(jīng)達(dá)到頻率下限，此時頻率為0.31Hz。此外，從圖4(a)中每一分解層上的低頻部分可以看出平均風(fēng)壓隨時間變化明顯。這是因為在列車頭部達(dá)到測點前一段時間，壓力開始增加；隨著列車鼻尖與測點接近，壓力迅速增大，并在鼻尖抵達(dá)測點時達(dá)到正壓極值；當(dāng)列車通過測點時，壓力瞬間下降至負(fù)壓極值，但隨著列車通過，負(fù)壓立即上升并趨于平緩；當(dāng)尾車鼻尖接近測點時，壓力迅速下降至負(fù)壓極值，但尾車通過測點后，壓力瞬間增大到正壓極值，隨后壓力下降，出現(xiàn)略微波動后信號逐漸消失，正、負(fù)壓極值間的時間間隔約為0.2 s。

瞬態(tài)壓力波風(fēng)壓極值是衡量壓力分量的重要指標(biāo)。圖5所示為風(fēng)壓時程各分解級低頻部分與高頻部分風(fēng)壓極值柱狀圖。結(jié)合圖5(a)中前7個低頻部分分解級壓力極值與圖5(b)中相同分解級的高頻信息變化情況可以看出：風(fēng)壓分布頻段絕大部分處于低頻，但第8個分解級低頻與高頻風(fēng)壓極值均較大，尤其是高頻風(fēng)壓極值增大了485%，這說明風(fēng)壓信息大部分處在這個頻段，且一直持續(xù)到第10級；低頻風(fēng)壓極值驟減70%，表明以后的分解級中已經(jīng)包含非常少的風(fēng)壓信息。因此，風(fēng)壓信息大都處于低頻段[0，2.44] Hz，尤其處在頻率[0.31，2.44] Hz段，同時也表明列車風(fēng)作用下的瞬態(tài)壓力波受低頻段風(fēng)壓時程變化的影響占主導(dǎo)作用，即列車風(fēng)在風(fēng)屏障表面產(chǎn)生的壓力極值受平均風(fēng)速變化的影響較大，壓力時程的非平穩(wěn)現(xiàn)象主要是由平均風(fēng)隨時間變化所引起的脈動效應(yīng)，而并非真正的脈動風(fēng)所致。

(a) 低頻部分；(b) 高頻部分

對不同運行速度下9號測點風(fēng)壓時程進(jìn)行分解重構(gòu)，得到不同尺度下風(fēng)壓極值比較如圖6所示。由圖6可知：各列車速度下的風(fēng)壓分量在不同尺度下的頻段分布基本一致，分界點均處于8，9和10分解級，即風(fēng)壓分量絕大部分均處于低頻段[0.31，2.44] Hz。這說明列車行駛速度并不能改變列車風(fēng)的風(fēng)場特性和風(fēng)壓分量在頻域范圍內(nèi)的分布情況，改變的僅僅是風(fēng)壓極值，平均風(fēng)隨時間變化的影響仍然主導(dǎo)著風(fēng)壓的時程信息。

圖7所示為9號測點風(fēng)壓典型功率譜密度。從圖7可以看出：功率譜密度第1~6峰值分別出現(xiàn)在0.61，0.92，1.37，1.68，2.14和2.44 Hz，此后功率譜密度急劇下降，且與上一個峰值相差1個數(shù)量級，并趨近于0，說明壓力波能量主要分布在低頻段[0，2.44] Hz。圖8所示為各測試工況下9號測點脈動風(fēng)壓2.44 Hz以下的低頻能量占總能量的百分比。從圖8可以看出：低頻能量密度隨列車速度的提高略有增加，且不同速度列車風(fēng)下作用在風(fēng)屏障表面的低頻能量占總能量的比例均超過94%，進(jìn)一步從能量的角度驗證了風(fēng)壓頻率分布情況。

(a) 低頻部分；(b) 高頻部分

圖7 風(fēng)壓時程的功率譜密度

圖8 低頻能量占總能量的比例

4 結(jié)論

1) 受列車風(fēng)的脈沖影響，風(fēng)屏障表面平均風(fēng)壓隨時間變化，在頭車和尾車經(jīng)過時分別出現(xiàn)“正壓極值—負(fù)壓極值”和“負(fù)壓極值—正壓極值”波動，且正、負(fù)壓極值間的時間間隔約為0.2 s。

2) 列車風(fēng)作用下風(fēng)屏障表面脈動風(fēng)壓能量主要分布在低頻段0~2.44 Hz，該頻段的能量占總能量比例均超過94%，風(fēng)壓低頻部分對風(fēng)屏障的影響起控制 作用。

3) 風(fēng)屏障風(fēng)壓時程的非平穩(wěn)現(xiàn)象主要是由列車風(fēng)平均速度隨時間變化所引起的脈動效應(yīng)，而并非真正的脈動風(fēng)所致。列車運行速度不改變列車風(fēng)的風(fēng)場特性和風(fēng)屏障風(fēng)壓分量在頻域范圍內(nèi)的分布情況，僅風(fēng)壓極值隨運行速度的提高略有增加。

4) 基于小波變換的多分辨率分析方法適用于研究列車風(fēng)及其導(dǎo)致風(fēng)荷載的瞬態(tài)特性和脈動特性，該方法在鐵路上的工程應(yīng)用需進(jìn)一步研究。

[1] 夏禾, 張楠, 郭薇薇, 等. 車橋耦合振動工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2014: 6?10. XIA He, ZHANG Nan, GUO Weiwei, et al. Coupling vibrations of train-bridge system[M]. Beijing: Science Press, 2014: 6?10.

[2] 何旭輝, 鄒云峰, 周佳, 等. 運行車輛風(fēng)環(huán)境參數(shù)對其氣動特性與臨界風(fēng)速的影響[J]. 鐵道學(xué)報, 2015, 37(5): 1?6. HE Xuhui, ZOU Yunfeng, ZHOU Jia, et al. Effect of wind environment parameters on aerodynamic characteristics and critical wind velocity of vehicle operation[J]. Journal of the China Railway Society, 2015, 37(5): 1?6.

[3] MATSCHKE G, SCHULTE W B. Measures and strategies to minimize the effect of strong cross winds on high speed trains[C]//The Proceedings of the World Congress of Railway Research. Milan: The Italian Organisming Committee, 1997: 178?255.

[4] 向活躍. 高速鐵路風(fēng)屏障防風(fēng)效果及其自身風(fēng)荷載研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 2013: 15?18. XIANG Huoyue. Protection effect of wind barrier on high speed railway and its wind loads[D]. Chengdou: Southwest Jiaotong University. School of Civil Engineering, 2013: 15?18.

[5] 姜翠香, 梁習(xí)鋒.擋風(fēng)墻高度和設(shè)置位置對車輛氣動性能的影響[J]. 中國鐵道科學(xué), 2006, 27(2): 66?70. JIANG Cuixiang, LIANG Xifeng. Effect of the vehicle aerodynamic performance caused by the height and position of wind-break wall[J]. China Railway Science, 2006, 27(2): 66?70.

[6] COLEMAN S A, BAKER C J. The reduction of accident risk for high sided road vehicles in cross winds[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1992, 43: 2685?2695.

[7] KWON S D, KIM D H, LEE S H, et al. Design criteria of wind barriers for traffic. Part1: wind barrier performance[J]. Wind and Structures, 2011, 14(1): 55?70.

[8] KOZMAR H, PROCINO L, BORSANI A, et al. Sheltering efficiency of wind barriers on bridges[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2012, 108: 274?284.

[9] 何旭輝, 鄒云峰, 杜風(fēng)宇. 風(fēng)屏障對高架橋上列車氣動特性影響機理分析[J]. 振動與沖擊, 2015, 34(3): 66?71. HE Xuhui, ZOU Yunfeng, DU Fengyu. Mechanism analysis of wind barrier’s effects on aerodynamic characteristics of a train on viaduct[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(3): 66?71.

[10] HE Xuhui, ZOU Yunfeng, WANG Hanteng, et al. Aerodynamic characteristics of a trailing rail vehicles on viaduct based on still wind tunnel experiments[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2014, 135: 22?33.

[11] 劉慶寬. 強風(fēng)環(huán)境下列車運行安全保障體系的初步研究[J]. 工程力學(xué), 2010, 27(S1): 305?310. LIU Qingkuan. Study on the system to ensure train operation safety under strong wind[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(S1): 305?310.

[12] 田紅旗. 列車空氣動力學(xué)[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2007: 6?8. TIAN Hongqi. Train aerodynamics[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2007: 6?8.

[13] 焦長洲, 高波, 王廣地. 聲屏障結(jié)構(gòu)的列車脈動風(fēng)致振動分析[J]. 西南交通大學(xué)學(xué)報, 2007, 42(5): 531?536. JIAO Changzhou, GAO Bo, WANG Guangdi. Vibration analysis of noise barrier structures subjected to train induced impulsive wind pressure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2007, 42(5): 531?536.

[14] 張曙光. 高速列車設(shè)計方法研究[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2009: 1?10. ZHANG Shuguang. Research on design method of high speed train[M]. Beijing: China Railway Publishing House, 2009: 1?10.

[15] 龍麗平, 趙麗濱, 劉立東. 列車致聲屏障結(jié)構(gòu)的空氣脈動力研究[J]. 工程力學(xué), 2010, 27(3): 246?250. LONG Liping, ZHAO Libin, LIU Lidong. Research on the air turbulence force loaded on noise barrier caused by train[J]. Engineering Mechanics, 2010, 27(3): 246?250.

[16] 張健. 鐵路防風(fēng)柵抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗研究與分析[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報, 2007, 4(1): 13?17. ZHANG Jian. Wind-tunnel test investigations and analysis on wind break performances of wind fences on railway[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2007, 4(1): 13?17.

[17] 鄒云峰. 巨型冷卻塔群的風(fēng)效應(yīng)及其風(fēng)洞試驗方法研究[D]. 長沙: 湖南大學(xué)土木工程學(xué)院, 2013: 29?34. ZOU Yunfeng. Study on wind effects and wind-tunnel test method for super large cooling towers group[D]. Changsha: Hunan University. College of Civil Engineering, 2013: 29?34.

[18] 何旭輝, 周佳, 鄒云峰, 等. 一種高速鐵路風(fēng)屏障風(fēng)荷載現(xiàn)場測試機構(gòu): 中國, CN201520215126.0[P]. 2015?07?15. HE Xuhui, ZHOU Jia, ZOU Yunfeng, et al. A device of testing wind loads on wind barrier of high speed railway: China, CN201520215126.0[P]. 2015?07?15.

[19] 梁習(xí)鋒. 實車表面空氣壓力分布試驗技術(shù)研究[J]. 鐵道學(xué)報, 2002, 24(3): 95?98. LIANG Xifeng. Research on test technique to measure air pressure distribution on external surface of real train[J]. Journal of the China Railway Society, 2002, 24(3): 95?98.

[20] 張建, 楊娜, 鄭修凱, 等. 高速列車經(jīng)過時跨線天橋表面風(fēng)壓小波分析[J]. 振動與沖擊, 2015, 34(4): 53?58. ZHANG Jian, YANG Na, ZHENG Xiukai, et al. Wavelet analysis for surface wind pressure of an over-line bridge during high-speed train passage[J]. Journal of Vibration and Shock, 2015, 34(4): 53?58.

(編輯 陳燦華)

Multi-resolution analysis of wind loads characteristics on wind barrier caused by CRH380 train based on field measurement data

ZOU Yunfeng1, 2, HE Xuhui1, 2, ZHOU Jia1, 2, SHI Kang1, 2, HUANG Yongming1, 2

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. National Engineering Laboratory for High Speed Railway Construction, Changsha 410075, China)

The wind loads on wind barrier were measured by wind pressure test during the railway combined test of the Nanning—Guangzhou Railway (a mixture of passenger and freight at speeds up to 250 km/h). Then multi-resolution analysis based on wavelet transform was applied to analyze the field measurement to reveal the characteristics of wind pressure. The results show that averaged wind pressure exhibits two significant fluctuations over time, which means the pressure has obvious non-stationary characteristics. Furthermore, the energy in 0 to 2.44 Hz frequency bands accounts for 94% of total energy, which indicates wind pressure components in lower frequency bands play a dominant role in the wind barrier design. In addition, the train operating speed has negligible effect on the energy distribution of wind pressure in frequency domain, while extreme pressure increases slightly with the increase of running speed.

wind barrier; wind loads; train induced wind; multi-resolution

10.11817/j.issn.1672?7207.2018.02.020

U271 91；U216 9

A

1672?7207(2018)02?0407?08

2017?02?10；

2017?03?27

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508580，U1534206)；中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2015G002-C)；中國博士后科學(xué)基金資助項目(2014M562133)(Projects(51508580, U1534206) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2015G002-C) supported by the China Railway Corporation; Project (2014M562133) supported by the Chinese Postdoctoral Science Foundation)

何旭輝，博士，從事橋梁與抗風(fēng)評研究；E-mail：xuhuihe@csu.edu.cn