輪軌振動(dòng)與氣動(dòng)荷載耦合作用下輕質(zhì)裝配式明洞動(dòng)力學(xué)特性

付兵先 馬偉斌 鄒文浩 趙鵬

中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 鐵道建筑研究所， 北京 100081

鐵路隧道洞口常用的防危巖落石結(jié)構(gòu)有鋼筋混凝土明洞或棚洞、防護(hù)網(wǎng)、柔性鋼結(jié)構(gòu)棚洞等［1-3］。鋼筋混凝土明洞或棚洞防護(hù)性能好，但其重量、尺寸大，可實(shí)施性較差，因而輕質(zhì)高強(qiáng)的鋼結(jié)構(gòu)明洞或棚洞越來越受到工程界的青睞，但是一些問題也逐漸被顯露出來。隧道洞口增設(shè)明洞或棚洞后有效凈空面積增大且突變，隨著列車速度的提高，對(duì)列車通過隧道、兩車在隧道內(nèi)交會(huì)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)有影響，使車體表面和隧道內(nèi)的氣動(dòng)特性發(fā)生變化，進(jìn)而影響旅客舒適度和列車運(yùn)行安全。此外，列車通過時(shí)所產(chǎn)生的列車風(fēng)對(duì)明洞或棚洞的氣動(dòng)作用也有影響，該作用力的強(qiáng)弱取決于列車行駛速度、外形以及明洞或棚洞距列車的距離等，加之輪軌振動(dòng)作用，可能對(duì)明洞或棚洞的結(jié)構(gòu)安全有影響。因此，有必要對(duì)高速列車通過時(shí)明洞或棚洞結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)效應(yīng)進(jìn)行研究。

國內(nèi)就不同車速、隧道長度［4］、落石緩沖結(jié)構(gòu)［5-8］等因素對(duì)隧道空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的影響有大量研究，尚缺乏對(duì)隧道增設(shè)明洞或棚洞后的空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)的研究。靳寶成［9］通過流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件模擬風(fēng)洞模型試驗(yàn)，得出作用在防風(fēng)明洞表面的風(fēng)荷載隨風(fēng)速增大而增大，且迎風(fēng)側(cè)為正壓，背風(fēng)側(cè)及拱頂為負(fù)壓。孫建成［10］分析了防風(fēng)明洞內(nèi)外流場(chǎng)的變化規(guī)律，對(duì)比不同路段、風(fēng)速工況下，開孔及不開孔防風(fēng)明洞的風(fēng)荷載。楚琦星［11］導(dǎo)入氣動(dòng)載荷數(shù)據(jù)，分析動(dòng)車組進(jìn)出明洞和隧道時(shí)的穩(wěn)定性，得出側(cè)向風(fēng)力對(duì)列車動(dòng)力學(xué)性能有影響。羅勇［12］分析裝配式防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)形式與受力，提出明洞設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了戈壁大風(fēng)區(qū)防風(fēng)明洞結(jié)構(gòu)體系。

本文采用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，建立高速列車通過輕質(zhì)裝配式明洞（簡(jiǎn)稱明洞）時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬高速列車通過時(shí)明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。

1 明洞結(jié)構(gòu)

明洞結(jié)構(gòu)由正交各向異性的壓型鋼板和條形基礎(chǔ)組成。壓型鋼板的波高、波距、壁厚分別為300、110、8 mm，鋼材材質(zhì)為Q345B。條形基礎(chǔ)深度不小于1.5 m，截面尺寸為1.5 m × 1.5 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35。明洞結(jié)構(gòu)外側(cè)鋪設(shè)防水層，背后回填緩沖材料，如圖1所示。

圖1 明洞結(jié)構(gòu)斷面

2 輪軌振動(dòng)與氣動(dòng)荷載耦合模型

2.1 計(jì)算模型

本文以8節(jié)編組復(fù)興號(hào)動(dòng)車組為原型建立列車模型，如圖2 所示。動(dòng)車組全長203.80 m，車體寬、高分別為3.38、4.05 m，車身斷面面積為12.50 m2。

圖2 計(jì)算模型

2.2 計(jì)算參數(shù)

采用中國高速譜模擬軌道不平順，列車速度為350 km/ h 時(shí)輪軌力見圖3?？芍?，最大垂向、橫向輪軌力分別為90.265、4.389 kN。

圖3 列車速度為350 km/ h時(shí)的輪軌力

壓型鋼板力學(xué)參數(shù)參考文獻(xiàn)［13］取值，見表1。當(dāng)壓型鋼板進(jìn)入塑性階段后，采用雙線性塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。

表1 壓型鋼板力學(xué)參數(shù)

另外，還需定義隧道入口流場(chǎng)的密度、初始速度、溫度、壓力等參數(shù)。

2.3 邊界條件

計(jì)算涉及到的邊界條件有：壓力邊界、壁面邊界、交互邊界等。

1）壓力邊界。根據(jù)列車的行駛方向，定義列車后側(cè)邊界為壓力進(jìn)口邊界，前側(cè)邊界為壓力出口邊界。

2）壁面邊界。近壁面的流場(chǎng)流動(dòng)滿足高雷諾數(shù)流動(dòng)，需采用壁面函數(shù)法模擬。本文選取標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)來模擬。

3）交互邊界。通過定義不同單元區(qū)域的分界面，模擬各區(qū)域分界面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。將列車與列車之間、列車與隧道之間的分界面設(shè)定為交互邊界，不同計(jì)算區(qū)域的數(shù)據(jù)通過分界面來傳遞和交換。

2.4 列車交會(huì)

選取最不利工況進(jìn)行分析，列車分別在明洞中心和隧道與明洞中心進(jìn)行交會(huì)，如圖4 所示。其中：L1為接長明洞長度（既有隧道增設(shè)明洞的長度），L2為隧道長度，L2= 731 m。

圖4 列車交會(huì)位置

2.5 計(jì)算結(jié)果

2.5.1 不同接長明洞長度下明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)

接長明洞長度分別為10、50、150、250 m，高速列車以速度350 km/ h 在隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)見圖5。其中：列車前方的壓力為正壓，后方的壓力為負(fù)壓。

圖5 不同接長明洞長度下明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)

由圖5（a）可知：隨著接長明洞長度的增加，正、負(fù)壓引起的明洞應(yīng)力均減小。接長明洞長度小于50 m時(shí)正壓引起的明洞應(yīng)力降速較大，大于50 m 時(shí)負(fù)壓引起的明洞應(yīng)力降速較大，負(fù)壓引起的明洞應(yīng)力比正壓引起的大13.1% ～ 17.2%。因此，接長明洞長度越短越接近最不利交會(huì)臨界長度，氣動(dòng)響應(yīng)值也越大。

由圖5（b）可知：正、負(fù)壓引起的明洞最大動(dòng)變形均隨接長明洞長度的增加而遞減，與圖5（a）相似。接長明洞長度小于50 m 時(shí)正壓引起的明洞動(dòng)變形降速較大，大于50 m 時(shí)負(fù)壓引起的明洞動(dòng)變形降速較大，負(fù)壓引起的明洞動(dòng)變形比正壓引起的大16.1% ～18.6%。

由圖5（c）可知：正、負(fù)壓引起的明洞振動(dòng)加速度呈非線性遞減趨勢(shì)。當(dāng)接長明洞長度小于20 m 時(shí)，高速列車通過時(shí)正壓產(chǎn)生的振動(dòng)加速度大于負(fù)壓產(chǎn)生的振動(dòng)加速度，大于20 m 后則相反。接長明洞長度小于50 m 時(shí)，正、負(fù)壓引起的明洞振動(dòng)加速度降速較大?？紤]振動(dòng)加速度較小，正、負(fù)壓對(duì)明洞結(jié)構(gòu)的影響較弱。

2.5.2 明洞不同部位的結(jié)構(gòu)響應(yīng)

高速列車以速度350 km/ h 在隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)距軌面高度1.2、6.5、8.4 m明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)見圖6。

圖6 距離軌面不同高度下明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)

由圖6（a）可知：接長明洞長度一定時(shí)，隨著距離軌面高度的增加，明洞應(yīng)力逐漸增加。當(dāng)距離軌面高度小于6.5 m 時(shí)應(yīng)力呈線性增大趨勢(shì)，大于6.5 m 后增速變大，呈非線性增大趨勢(shì)。主要原因?yàn)槊鞫床捎脳l形基礎(chǔ)，底部為固定約束，距離軌道越近基礎(chǔ)的約束越強(qiáng)，高速列車通過時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、氣動(dòng)荷載對(duì)明洞影響較弱。超過一定高度后基礎(chǔ)的約束降低，明洞響應(yīng)增大。另外，接長明洞長度越短，結(jié)構(gòu)的縱向剛度越弱，明洞應(yīng)力越大。

由圖6（b）可知：在接長明洞長度一定時(shí)，隨著距離軌面高度的增加，明洞動(dòng)變形逐漸增加，與應(yīng)力變化規(guī)律相似。當(dāng)距離軌面高度小于6.5 m 時(shí)動(dòng)變形呈現(xiàn)線性增大趨勢(shì)，大于6.5 m 后呈非線性增大趨勢(shì)，且增速變大。明洞最大動(dòng)變形出現(xiàn)在明洞頂部，主要原因是明洞頂部比底部剛度小，而明洞底部受條形基礎(chǔ)的約束，剛度較大，動(dòng)變形相對(duì)較小。

由圖6（c）可知：不同接長明洞長度下，明洞距離軌面不同位置的振動(dòng)加速度均較小。接長明洞長度為10 m 時(shí)隨著距離軌面高度的增加，明洞振動(dòng)加速度逐漸增加，當(dāng)距離軌面高度大于6.5 m 后振動(dòng)加速度增速變大。接長明洞長度為50、150、250 m 時(shí)，隨著距離軌面高度的增加明洞振動(dòng)加速度逐漸遞減，當(dāng)距離軌面高度大于6.5 m后振動(dòng)加速度降速變大。

2.5.3 不同交匯位置下明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)

高速列車以速度350 km/ h 分別在明洞中心、隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)見圖7。

圖7 不同交會(huì)位置明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)

由圖7（a）可知：接長明洞長度一定時(shí)，高速列車在隧道與明洞中心交會(huì)比在明洞中心交會(huì)對(duì)明洞應(yīng)力的影響大。隨著接長明洞長度的增加，高速列車在明洞中心交會(huì)時(shí)明洞應(yīng)力近似呈指數(shù)遞減，在隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)明洞應(yīng)力近似呈線性遞減。高速列車分別在隧道與明洞中心、明洞中心交會(huì)時(shí)明洞應(yīng)力差在13.5% ～ 40.9%。

由圖7（b）可知：接長明洞長度一定時(shí)，高速列車在隧道與明洞中心交會(huì)比在明洞中心交會(huì)對(duì)明洞動(dòng)變形的影響大。隨著接長明洞長度的增加，高速列車在明洞中心交會(huì)時(shí)明洞動(dòng)變形近似呈指數(shù)遞減，高速列車在隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)明洞動(dòng)變形近似呈線性遞減。高速列車分別在隧道與明洞中心、明洞中心交會(huì)時(shí)明洞動(dòng)變形差在16.3% ～ 39.1%。

由圖7（c）可知：隨著接長明洞長度的增加，高速列車分別在明洞中心、隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)明洞振動(dòng)加速度均減小。當(dāng)接長明洞長度小于20 m 時(shí)，高速列車在明洞中心交會(huì)產(chǎn)生的振動(dòng)加速度大于在隧道與明洞中心交會(huì)時(shí)的振動(dòng)加速度，當(dāng)接長明洞長度大于20 m后則相反。

3 結(jié)論

根據(jù)鐵路隧道洞口地形特征，設(shè)計(jì)了一種輕質(zhì)裝配式鋼結(jié)構(gòu)明洞。通過數(shù)值模擬，得到了高速列車通過時(shí)明洞結(jié)構(gòu)響應(yīng)情況。相關(guān)成果可為鐵路隧道的防護(hù)設(shè)計(jì)提供參考，研究方法也可為類似工程提供借鑒。主要結(jié)論如下：

1）隨著接長明洞長度的增加明洞應(yīng)力、動(dòng)變形和振動(dòng)加速度均減小，在接長明洞長度小于50 m 時(shí)應(yīng)力、動(dòng)變形、振動(dòng)加速度降速較大。負(fù)壓引起的明洞應(yīng)力比正壓引起的大13.1% ～ 17.2%、動(dòng)變形大16.1%～18.6%。正、負(fù)壓引起的明洞振動(dòng)加速度較小，對(duì)明洞結(jié)構(gòu)的影響較弱。

2）隨著距離軌面高度的增加，明洞的應(yīng)力和動(dòng)變形增大。當(dāng)距離軌面高度小于6.5 m 時(shí)應(yīng)力和動(dòng)變呈線性增大趨勢(shì)，大于6.5 m 后增速變大，呈非線性增大趨勢(shì)。不同接長明洞長度、距離軌面不同位置，明洞的振動(dòng)加速度均較小。

3）列車交會(huì)位置對(duì)明洞應(yīng)力和動(dòng)變形有影響，高速列車在隧道與明洞中心、明洞中心交會(huì)時(shí)明洞應(yīng)力差在13.5% ～ 40.9%、動(dòng)變形差在16.3% ～ 39.1%。不同交會(huì)位置下明洞振動(dòng)加速度較小。

4）在高速列車輪軌振動(dòng)與氣動(dòng)荷載耦合作用下，明洞應(yīng)力、動(dòng)變形及振動(dòng)加速度均較小，結(jié)構(gòu)安全。