隧道內(nèi)高速列車與軌道附加板氣動(dòng)交互特性研究

熊小慧，耿語(yǔ)堂，董天韻，李小白

(1.中南大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，軌道交通安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；2.中南大學(xué)軌道交通安全關(guān)鍵技術(shù)國(guó)際合作聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410075；3.軌道交通列車安全保障技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心，湖南長(zhǎng)沙，410075)

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，列車運(yùn)行所產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題已嚴(yán)重影響沿線居民生活。通過(guò)在無(wú)砟軌道增設(shè)附加板來(lái)降低列車輪軌噪聲是提升高速鐵路環(huán)境的有效方法。雖然在鐵路兩側(cè)安裝聲屏障可切斷噪聲傳播路徑，但聲屏障安裝位置與結(jié)構(gòu)形式限制了其對(duì)噪聲的可控范圍，存在明顯局限性。車底是高速列車運(yùn)行噪聲的關(guān)鍵來(lái)源[1-2]，直接在軌道板上增設(shè)附加板，可對(duì)產(chǎn)生的噪聲在傳播初期進(jìn)行有效吸收[3-5]。然而，增設(shè)軌道附加板會(huì)大幅度縮減車輛底部與線路地面間距，導(dǎo)致車輛與地面之間氣動(dòng)交互作用激化，加劇軌道附加板與車輛底部結(jié)構(gòu)疲勞損傷趨勢(shì)。高速列車在運(yùn)行過(guò)程中，軌道附加板一旦出現(xiàn)破損或脫落，將嚴(yán)重危及行車安全，這種情況在隧道中更加嚴(yán)重。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)地面車底間隙進(jìn)行了相關(guān)研究。易仕和等[6]在實(shí)驗(yàn)中觀察到在不受風(fēng)洞地板附面層影響下，列車模型與地面之間的高度變化會(huì)影響列車氣動(dòng)力。孫振旭等[7-8]采用數(shù)值模擬方法對(duì)地面效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)力受車地間隙影響。車地間隙的變化顯著影響物體底部流動(dòng)并改變周圍流動(dòng)拓?fù)?，進(jìn)一步改變物體受力。當(dāng)列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境導(dǎo)致車體周圍的流動(dòng)更加復(fù)雜。LIU等[9]通過(guò)建立活塞風(fēng)的理論模型，研究了阻塞比、列車長(zhǎng)度、列車速度、隧道長(zhǎng)度和跟蹤距離5個(gè)因素對(duì)活塞風(fēng)速的影響，發(fā)現(xiàn)堵塞比對(duì)活塞風(fēng)量影響最大。王磊等[10]研究了高速列車非對(duì)稱通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)高速鐵路雙線隧道時(shí)引起的列車風(fēng)分布規(guī)律及列車周圍流場(chǎng)分布特性。FU 等[11]通過(guò)數(shù)值計(jì)算方法分析了當(dāng)列車以250 km/h 的速度通過(guò)隧道時(shí)列車風(fēng)速的發(fā)展規(guī)律，可為評(píng)估隧道內(nèi)軌側(cè)工人和設(shè)施所受到的瞬態(tài)陣風(fēng)荷載提供參考。此外，人們對(duì)隧道內(nèi)的壓力波動(dòng)也進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)列車進(jìn)入隧道時(shí)，會(huì)產(chǎn)生壓縮波與膨脹波，這2種波系在隧道內(nèi)相互疊加將會(huì)產(chǎn)生劇烈波動(dòng)。劉峰等[12]研究了8車編組的高速列車以300 km/h 速度通過(guò)帶有套襯結(jié)構(gòu)隧道時(shí)車體表面及隧道壁面的瞬變壓力；韓運(yùn)動(dòng)等[13]探究了運(yùn)行速度、隧道長(zhǎng)度、阻塞比、編組長(zhǎng)度、交會(huì)位置等因素對(duì)隧道壓力波的影響規(guī)律；LU 等[14]采用數(shù)值模擬方法研究了高速列車穿越部分縮小斷面隧道時(shí)壓力瞬變的緩解規(guī)律，并通過(guò)動(dòng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，分析了減縮段長(zhǎng)度和列車編組數(shù)這2個(gè)因素對(duì)減縮效果的影響。列車經(jīng)過(guò)時(shí)產(chǎn)生的壓力和列車風(fēng)與隧道壁面以及隧道內(nèi)附屬設(shè)施的相互耦合，將會(huì)對(duì)列車、隧道以及其附屬設(shè)施產(chǎn)生較大影響。HEINE 等[15]通過(guò)動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)雙管隧道中間位置的孔洞形狀和尺寸對(duì)壓力波以及安全門載荷的影響進(jìn)行了研究；余海洪[16]通過(guò)數(shù)值仿真的方法，對(duì)設(shè)置在隧道口的直立式聲屏障進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)列車單車通過(guò)隧道口聲屏障區(qū)域時(shí)，其表面受到的列車風(fēng)載荷幅值與列車速度、線間距呈二次函數(shù)關(guān)系。當(dāng)在隧道內(nèi)鋪設(shè)軌道附加板時(shí)，車輛與隧道下的地面間隙減小，在高速環(huán)境下，車隧耦合效應(yīng)如何變化、是否加劇交變效應(yīng)等有待研究。

本研究采用三維、可壓縮、非定常的Navier-Stokes 方法對(duì)隧道內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行研究。采用RNGk-ε湍流模型兩方程對(duì)高速列車運(yùn)行工況進(jìn)行數(shù)值模擬，采用商業(yè)CFD 軟件STAR-CCM 分析軌道附加板對(duì)隧道內(nèi)壓力波、隧道內(nèi)列車風(fēng)、高速列車表面壓力、列車氣動(dòng)力的影響，研究高速列車分別以300，350 和400 km/h 通過(guò)隧道時(shí)不同位置軌道附加板的升力特性，研究結(jié)果可為軌道附加板結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)與評(píng)估提供支撐，保障線路增設(shè)降噪輔助設(shè)施后高速列車行車安全。

1 數(shù)值計(jì)算方法

1.1 幾何模型與網(wǎng)格

隧道模型示意圖如圖1(a)所示。計(jì)算隧道為雙線隧道，橫截面積為100 m2。雙線軌道2條中心線間距為5 m[10]。隧道前后采用了總長(zhǎng)為300 m 的空氣域，以模擬列車通過(guò)隧道前后的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)。列車進(jìn)入隧道前采取均勻加速形式，在進(jìn)入隧道前逐步達(dá)到列車設(shè)定運(yùn)行速度。列車距離隧道入口初始距離為100 m。列車在X軸正方向運(yùn)行，隧道長(zhǎng)度采用最不利隧道長(zhǎng)度。最不利隧道長(zhǎng)度是基于當(dāng)列車通過(guò)隧道內(nèi)入口壓力波引起的最大負(fù)壓位置時(shí)，隧道內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓極值而計(jì)算的，入口壓力波效應(yīng)只與隧道長(zhǎng)度相關(guān)，當(dāng)列車長(zhǎng)度和速度一定時(shí)，存在一種隧道長(zhǎng)度使列車通過(guò)隧道時(shí)恰好經(jīng)過(guò)入口壓力波負(fù)壓極值處。最不利隧道長(zhǎng)度采用以下公式計(jì)算[17]：

其中：Ltu,crit為最不利隧道長(zhǎng)度；Ltr為列車長(zhǎng)度；c為聲音傳播速度(取值為340 m/s)；vtr為列車運(yùn)行速度。由于目前隧道所采用的多為雙軌隧道的結(jié)構(gòu)，因此，這里采用雙線最不利隧道長(zhǎng)度進(jìn)行研究。當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速為350 km/h、車長(zhǎng)為78 m 時(shí)，隧道最不利長(zhǎng)度為800 m。

列車模型示意圖如圖1(b)所示，本次計(jì)算所采用的模型為3節(jié)編組動(dòng)車組。列車頭車與尾車形狀相同，頭車與尾車的長(zhǎng)度為27.50 m，中間車每節(jié)車的長(zhǎng)度為25.00 m，列車車寬為3.38 m，車高為3.70 m。列車計(jì)算模型具有大部分形狀特征，包括轉(zhuǎn)向架、風(fēng)擋等。為了獲得更高的網(wǎng)格質(zhì)量，提高計(jì)算效率，計(jì)算模型忽略了受電弓及其他附屬結(jié)構(gòu)等小的特征。本次數(shù)值模擬計(jì)算對(duì)應(yīng)的雷諾數(shù)Re=2.9×107。

圖1 模型示意圖Fig.1 Model diagrams

本研究采用STAR-CCM+14.02 軟件，應(yīng)用基于切割體技術(shù)六面體為主的網(wǎng)格對(duì)整個(gè)計(jì)算域進(jìn)行離散。網(wǎng)格總數(shù)約為3 200萬(wàn)個(gè)。由于列車前端和尾流部分與壓力和風(fēng)速高度相關(guān)，因此，在隧道出入口處以及列車周圍重點(diǎn)位置進(jìn)行網(wǎng)格加密，如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格示意圖Fig.2 Mesh diagrams

1.2 求解參數(shù)設(shè)置

當(dāng)列車高速通過(guò)隧道時(shí)，列車周圍的流動(dòng)呈現(xiàn)出高度的紊流非定常狀態(tài)，雷諾應(yīng)力模型和渦黏性模型中的k-ε兩方程模型在列車周圍空氣流場(chǎng)流動(dòng)的湍流數(shù)值模擬中應(yīng)用最廣泛。考慮到隧道內(nèi)為密閉空間以及馬赫數(shù)大于0.3，本文的湍流模擬采用三維可壓縮的k-ε湍流模型求解隧道內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)。控制方程采用Navier-Stokes 方程和能量方程[18]。

采用STAR-CCM 商業(yè)軟件進(jìn)行求解，控制方程通過(guò)有限體積法進(jìn)行離散求解，采用二階迎風(fēng)格式用于對(duì)流-擴(kuò)散項(xiàng)離散?；赟IMPLE 算法對(duì)速度-壓力的耦合方程求解，采用非定常模擬的二階隱式格式處理時(shí)間項(xiàng)，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為0.008 5 s，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)迭代50 次，設(shè)置原則與LI 等[19]采用的相同。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置

隧道壓力測(cè)點(diǎn)分布在隧道側(cè)壁面、中心頂部，風(fēng)速測(cè)點(diǎn)位于距離雙線各線軌道中心橫向3 m 處，垂向等距布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。列車表面壓力測(cè)點(diǎn)分別位于頭、中、尾車等截面位置，側(cè)面測(cè)點(diǎn)距離軌道1.50 m，同時(shí)在底面中心設(shè)置壓力測(cè)點(diǎn)。安裝軌道附加板的外形參數(shù)如下：高度為0.20 m，A 型附加板寬度為1.11 m，B 型附加板寬度為0.44 m。監(jiān)測(cè)隧道入口處、距離隧道入口260 m 和400 m 以及隧道出口這4 個(gè)位置雙線軌道附加板氣動(dòng)升力。所監(jiān)測(cè)的A型與B型附加板長(zhǎng)度均固定為0.6 m。將3 號(hào)測(cè)點(diǎn)位置軌道附加板命名為B型附加板+，5號(hào)測(cè)點(diǎn)位置軌道附加板命名為B型附加板-。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.3 Arrangements of monitoring points

2 數(shù)值驗(yàn)證

為了驗(yàn)證數(shù)值算法的有效性，建立與動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)相同的數(shù)值計(jì)算工況，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。移動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)依托于中南大學(xué)自主研建的“列車氣動(dòng)性能動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)裝置”。具體的實(shí)驗(yàn)測(cè)試信息見(jiàn)文獻(xiàn)[20]，模型圖如圖4所示。

圖4 動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)Fig.4 Moving model test

測(cè)點(diǎn)位置布置在距隧道入口1.35 m 的橫斷面上，分別設(shè)置列車風(fēng)測(cè)點(diǎn)以及壓力測(cè)點(diǎn)。列車風(fēng)速的測(cè)點(diǎn)位置在距離隧道中心線32 cm、高度10 cm處，壓力的測(cè)點(diǎn)位置在距離隧道中心線32 cm、高度20 cm處。

縱向列車風(fēng)系數(shù)u/v(其中，u為縱向列車風(fēng)速度，v為列車運(yùn)行速度)以及壓力變化的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖5。動(dòng)模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果為3次實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的平均值。從圖5可見(jiàn)：模擬所得的列車風(fēng)系數(shù)和壓力的演化過(guò)程與動(dòng)模型試驗(yàn)結(jié)果基本一致。模型列車風(fēng)系數(shù)及壓力的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1，可見(jiàn)這2個(gè)參數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相對(duì)誤差絕對(duì)值均不大于5.0%，說(shuō)明本研究所采用的算法有效，計(jì)算結(jié)果可靠。

圖5 動(dòng)模型驗(yàn)證圖Fig.5 Validation diagrams of moving model

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of test results

3 結(jié)果和討論

3.1 軌道附加板對(duì)隧道內(nèi)氣動(dòng)載荷的影響

當(dāng)列車高速進(jìn)入隧道時(shí)，受隧道環(huán)狀空間限制，列車對(duì)前方空氣造成壓縮作用，空氣受擠壓形成壓縮波，以聲速向隧道出口傳播。壓縮波傳播到隧道出口后，以膨脹波形式反射回隧道內(nèi)。當(dāng)列車車尾進(jìn)入隧道后，同樣產(chǎn)生膨脹波并在隧道內(nèi)傳播。壓縮波與膨脹波疊加會(huì)產(chǎn)生局部高正壓或負(fù)壓，因此，列車在隧道內(nèi)運(yùn)行時(shí)，處于一種壓縮波與膨脹波疊加的隧道環(huán)境。

在距離隧道入口400 m處，部分隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)瞬態(tài)壓力最大值、最小值以及壓力變化幅值分別見(jiàn)表2～4。測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2位于隧道對(duì)稱位置，因此，壓縮波傳播到此處時(shí)正壓幅值一致。由于列車運(yùn)行于雙線隧道一側(cè)線路，在列車經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致近車體測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)1)負(fù)壓更大，離車體較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)2)負(fù)壓則較小。隧道內(nèi)最大壓力受隧道長(zhǎng)度、阻塞比、列車長(zhǎng)度、外形和運(yùn)行速度等多種因素影響。增加軌道附加板后，隧道凈空面積減小，阻塞比增大了6.6%，隧道內(nèi)壓力幅值相應(yīng)增大。

表2 列車速度為300 km/h時(shí)隧道內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)壓力Table 2 Pressure in tunnel when train's velocity is 300 km/h Pa

表3 列車速度為350 km/h時(shí)隧道內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)壓力Table 3 Pressure in tunnel when train's velocity is 350 km/h Pa

當(dāng)列車以350 km/h 速度通過(guò)隧道時(shí)，位于隧道入口200 m處的測(cè)點(diǎn)4瞬態(tài)壓力變化曲線見(jiàn)圖6。從圖6可見(jiàn)：軌道附加板對(duì)初始?jí)嚎s波的影響雖然不大，但列車經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)位于A型附加板附近的4號(hào)測(cè)點(diǎn)時(shí)，有附加板時(shí)的隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)壓力幅值更高。隧道內(nèi)最大壓力變化幅值受軌道附加板影響如圖7所示。從圖7可見(jiàn)：4號(hào)測(cè)點(diǎn)的壓力幅值變化最大；當(dāng)列車分別以300，350 和400 km/h 通過(guò)安裝了軌道附加板的隧道時(shí)，與未加軌道附加板情況相比，最大壓力幅值分別增大了8.8%，7.7%和2.6%，分別達(dá)4 745，5 173 和6 894 Pa，從圖7(b)可見(jiàn)，對(duì)于隧道側(cè)壁面對(duì)稱的1號(hào)測(cè)點(diǎn)，最大壓力幅值分別增大了2.6%，2.7%和2.5%，達(dá)3 345，4 541 和6 558 Pa。

圖6 隧道內(nèi)4號(hào)測(cè)點(diǎn)的瞬變壓力曲線Fig.6 Transient pressure curves of point 4 in tunnel

圖7 隧道內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)幅值與車速的關(guān)系Fig.7 Relationship between pressure and speed in tunnel

表4 列車速度為400 km/h時(shí)的隧道內(nèi)壓力測(cè)點(diǎn)壓力Table 4 Pressure in tunnel when train's velocity is 400 km/h Pa

隧道內(nèi)壓力波的傳播產(chǎn)生了隧道內(nèi)壓力差，使得隧道內(nèi)空氣沿隧道方向開始運(yùn)動(dòng)形成活塞風(fēng)。隧道入口200 m 處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程曲線見(jiàn)圖8。與隧道內(nèi)初始?jí)嚎s波的傳播類似(見(jiàn)圖8(a))，在列車經(jīng)過(guò)觀測(cè)點(diǎn)前，測(cè)點(diǎn)位置空氣就已經(jīng)在壓力波的作用下向隧道出口方向移動(dòng)；在列車開始經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)，氣流方向出現(xiàn)反轉(zhuǎn)并形成較大列車風(fēng)速度；當(dāng)列車經(jīng)過(guò)測(cè)點(diǎn)后，列車尾流區(qū)氣流呈現(xiàn)較強(qiáng)的跟隨性，氣流方向再次反轉(zhuǎn)，朝向隧道出口運(yùn)動(dòng)，并在慣性和隧道內(nèi)壓力作用下繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。對(duì)于對(duì)稱布置的風(fēng)速測(cè)點(diǎn)，近車體測(cè)點(diǎn)風(fēng)速(正向或反向)均高于遠(yuǎn)車測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速。軌道附加板增加了近車測(cè)點(diǎn)的反向風(fēng)速，但降低了此位置的正向風(fēng)速。從圖8(b)可知軌道附加板對(duì)遠(yuǎn)車測(cè)點(diǎn)風(fēng)速的影響很小。

圖8 隧道入口200 m處測(cè)點(diǎn)風(fēng)速時(shí)程曲線Fig.8 Slipstream time history curves at 200 m from tunnel entrance

列車經(jīng)過(guò)隧道引起的最大列車風(fēng)速如圖9 所示。從圖9 可見(jiàn)：最大正風(fēng)速隨車速增大而增加，增加軌道附加板所造成的列車風(fēng)速差異在列車以350 km/h運(yùn)行時(shí)相對(duì)明顯，無(wú)軌道附加板時(shí)隧道內(nèi)最大風(fēng)速降低了11%；對(duì)于相對(duì)應(yīng)的最大隧道內(nèi)負(fù)風(fēng)速，軌道附加板起到了略微的強(qiáng)化作用，負(fù)風(fēng)速增加了5%；當(dāng)列車以400 km/h通過(guò)隧道時(shí)，最大正向風(fēng)速降低了4%，最大負(fù)向風(fēng)速增加了4%。從隧道內(nèi)最大風(fēng)速可以看出，不論是否安裝軌道附加板，隧道內(nèi)的風(fēng)速均已超過(guò)列車風(fēng)安全限值14 m/s，需要在隧道內(nèi)設(shè)置輔助設(shè)施以保障隧道內(nèi)工作人員安全。

圖9 隧道內(nèi)測(cè)點(diǎn)最大風(fēng)速與車速的關(guān)系Fig.9 Relationship between slipstream peak and speed in tunnel

3.2 軌道附加板對(duì)隧道內(nèi)高速列車氣動(dòng)載荷的影響

高速列車在明線運(yùn)行時(shí)，車身表面壓力較穩(wěn)定，壓力變化主要來(lái)源于車體周圍氣流脈動(dòng)。當(dāng)列車通過(guò)隧道時(shí)，受隧道內(nèi)壓力波系的傳遞與疊加影響，車身表面壓力也會(huì)出現(xiàn)大幅度變化，如圖10(a)所示。列車運(yùn)行至隧道長(zhǎng)度約1/3處的車身壓力達(dá)到最大負(fù)壓，后續(xù)在隧道內(nèi)壓力波影響下繼續(xù)波動(dòng)，但幅值不會(huì)超過(guò)最大負(fù)壓。可見(jiàn)，軌道附加板并不改變列車通過(guò)隧道時(shí)的車身表面壓力波動(dòng)規(guī)律，僅在幅值上有所影響，具體表現(xiàn)為增大了車身表面負(fù)壓。從圖10(b)可見(jiàn)，高速列車通過(guò)隧道的速度越高，車身表面最大負(fù)壓越高，受軌道附加板的影響，在列車速度為300，350 和400 km/h 時(shí)，車身最大負(fù)壓分別增大3.4%，3.5%和3.1%。圖10(c)所示為列車以350 km/h 速度通過(guò)隧道時(shí)，頭車、中間車和尾車表面測(cè)點(diǎn)壓力最大值，可以看出頭車負(fù)壓高于尾車負(fù)壓，中間車負(fù)壓最小。軌道附加板對(duì)所有測(cè)點(diǎn)的影響規(guī)律一致，車身表面負(fù)壓均增大。

圖10 車身表面壓力Fig.10 Body surface pressures

當(dāng)高速列車運(yùn)行于隧道內(nèi)時(shí)，其氣動(dòng)力尤其是氣動(dòng)阻力受隧道內(nèi)壓力變化影響非常大。在頭車受壓縮波影響而尾車受正常壓力或膨脹波影響時(shí)會(huì)出現(xiàn)高阻力情況。列車在隧道內(nèi)的氣動(dòng)阻力特性則受列車運(yùn)行速度、列車外形、隧道斷面面積、隧道長(zhǎng)度、隧道內(nèi)通風(fēng)設(shè)施等多因素影響。圖11 所示為列車運(yùn)行于隧道內(nèi)時(shí)，頭、中、尾車最大阻力和升力情況，其中實(shí)線為無(wú)附加板情況，虛線為有附加板情況。從圖11(a)可以看到：頭、中、尾車阻力隨車速增加而增加，且軌道附加板起到了降低氣動(dòng)阻力的作用，這是由于軌道附加板的存在導(dǎo)致高速列車離地間隙減小，這被DONG等[21]的研究所證明。當(dāng)列車速度為400 km/h 時(shí)，軌道附加板的存在導(dǎo)致頭車、中車和尾車的阻力分別減小3%，7%和9%。圖11(b)所示為列車最大升力情況。從圖11(b)可見(jiàn)：軌道附加板起到了增大頭車負(fù)升力和降低尾車正升力的作用；當(dāng)列車運(yùn)行速度為400 km/h 時(shí)，軌道附加板的存在導(dǎo)致頭車的負(fù)升力增加了4%，中車和尾車的正升力分別減小了6%和7%。

圖11 列車最大氣動(dòng)力Fig.11 The maximum aerodynamic forces of train

3.3 隧道內(nèi)高速列車對(duì)軌道附加板氣動(dòng)載荷的影響

當(dāng)列車承受軌道附加板的作用時(shí)，軌道附加板同樣也受到列車的作用。圖12 所示為距離隧道入口200 m處雙線的軌道附加板升力隨時(shí)間變化情況。列車經(jīng)過(guò)附加板前后的負(fù)升力來(lái)自于隧道內(nèi)壓力波的傳播，附加板高升力僅在列車經(jīng)過(guò)時(shí)出現(xiàn)。位于列車運(yùn)行側(cè)的附加板升力略高于非運(yùn)行側(cè)的附加板升力，且兩側(cè)的B型附加板受到的氣動(dòng)升力基本一致。圖13所示為隧道內(nèi)距離入口400 m處的軌道附加板升力。從圖13 可以看到：所有位置的軌道附加板升力均隨車速提高而增大，A型附加板的氣動(dòng)升力比B型附加板的氣動(dòng)升力大，運(yùn)行側(cè)的升力比非運(yùn)行側(cè)的升力高；實(shí)際運(yùn)行側(cè)的B型附加板的升力最大值也比非運(yùn)行側(cè)的升力最大值高。

圖12 隧道200 m處軌道附加板升力時(shí)程曲線Fig.12 Lift time history curves of track additional plate at 200 m in tunnel

圖13 隧道內(nèi)400 m處軌道附加板最大升力Fig.13 The maximum lift of track additional plate at 400 m in tunnel

列車以不同速度通過(guò)隧道時(shí)，引起的壓力波在隧道內(nèi)傳播時(shí)的疊加狀態(tài)不同，會(huì)引起隧道內(nèi)壓力峰值的位置存在差異。圖14 所示為位于隧道內(nèi)運(yùn)行側(cè)不同縱向位置的附加板升力隨車速的變化。從圖14 可以看到：當(dāng)列車以速度300 km/h 運(yùn)行時(shí)，附加板最大升力出現(xiàn)位置在距離隧道入口260 m處，而當(dāng)列車以速度350 km/h和400 km/h運(yùn)行時(shí)，附加板最大升力位置位于距離隧道入口400 m處。其他位置附加板升力仍隨車速增大而顯著增大。隧道內(nèi)A型和B型軌道附加板最大升力與車速之間的關(guān)系如圖15所示。從圖15可見(jiàn)：軌道附加板所受最大升力隨車速增加而顯著增大；在列車速度為400 km/h 時(shí)，A 型板最大升力Fl_max_A=5.133 kN，B型板最大升力Fl_max_B=2.039 kN。

圖14 隧道內(nèi)運(yùn)行側(cè)軌道附加板最大升力Fig.14 The maximum lift of side track additional plate in operation in tunnel

圖15 隧道內(nèi)400 m處軌道附加板最大升力Fig.15 The maximum lift of track additional plate at 400 m in tunnel

因此，高速列車經(jīng)過(guò)隧道造成的附加板表面瞬態(tài)壓力較大，需要考慮強(qiáng)化隧道內(nèi)軌道附加板的固定設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

1)阻塞比是影響高速列車與隧道耦合效應(yīng)的重要因素之一，而軌道附加板減小了隧道凈空面積，增大了列車通過(guò)隧道時(shí)的阻塞比，造成隧道壓力幅值、列車表面壓力幅值以及隧道內(nèi)列車風(fēng)增大。當(dāng)列車運(yùn)行速度為400 km/h 時(shí)，軌道附加板使隧道側(cè)壁面壓力幅值增大2.5%，列車車體表面壓力幅值增大3.1%，隧道內(nèi)正向風(fēng)速極值降低4%，隧道內(nèi)反向風(fēng)速極值增大4%。此外，軌道附加板使運(yùn)行于隧道內(nèi)的高速列車阻力減??；當(dāng)列車運(yùn)行速度為400 km/h 時(shí)，頭車、中車、尾車阻力分別減小3%，7%和9%，頭車負(fù)升力增大4%，中間車與尾車的正升力分別減小6%與7%。

2)受隧道壁面限制和隧道內(nèi)壓力波系疊加影響，高速列車在隧道內(nèi)通過(guò)軌道附加板造成的附加板升力較大，表明隧道內(nèi)附加板所處的環(huán)境相對(duì)惡劣，在對(duì)隧道區(qū)域鋪設(shè)軌道附加板時(shí)，需根據(jù)實(shí)際隧道情況，穩(wěn)定隧道內(nèi)軌道附加板的固定裝置，保證軌道附加板在服役期間的安全。