高速铁路半封闭防风走廊结构动模型试验研究

叶彩娟

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

我国新疆烟墩风区、百里风区、三十里风区及达坂城是我国乃至世界上铁路风灾最严重的地区之一[1]，其中百里风区、三十里风区的风力最为强劲，多次威胁既有兰新铁路、南疆铁路的行车安全[2]。高速铁路穿越大风区地段时，列车运营面临车体倾覆[3]、轨道积沙、沙石击碎玻璃、接触网受流不稳、列车停运、限速天数多等问题，路基防风工程作为国内外铁路建设工程领域的课题，对区域内高速铁路项目的建设有着重大的意义[4]。

在强大的横风作用下，列车存在倾覆的风险，有可能发生翻车事故[5]。通过大风区资料分析，在无防风措施的情况下列车可能出现停运的天数为25～77 d，可能限速的天数为70～127 d。当风速达到一定值时，地表将会失稳，大量小沙粒及碎石开始飞跃，造成较强的风沙流，轨道积沙及沙石击打玻璃容易造成安全事故，必须采取有效的路基防风措施才能保证列车安全运营[6-7]。

1 半封闭防风走廊结构动模型试验

本次高速铁路半封闭防风走廊结构动模型试验利用中南大学的列车气动性能模拟试验系统，模拟试验与列车实际运行时的空气流动状态必须满足相似条件，以保证试验结果的正确性[8-10]。

1.1 结构动模型及工况

动模型试验采用1∶20缩比模型,CRH3动车组模型采用头车+尾车的两车编组，车体全尺寸高3.89 m，长51.7 m；半封闭防风走廊长500 m，轨道线间距 5 m。按1∶20缩比后，动车组模型长 2 585 mm，高194.5 mm；半封闭防风走廊模型长25 m，线间距0.25 m。防风走廊结构动模型试验各工况下参数见表1。

表1 防风走廊结构动模型试验工况

图1 CRH3动车组模型测点布置示意(单位：cm)

1.2 试验模型布置

CRH3动车组(2车编组)模型共布置了3个测点，其中车头布置1个测点、中间车身两侧布置2个对称测点，见图1。半封闭防风走廊模型结构内侧布置了18个测点，外侧布置了9个测点，合计27个测点，见图2。

图2 半封闭防风走廊模型测点布置示意(单位：mm)

2 半封闭防风走廊模型试验结果

2.1 动车组单车通过半封闭防风走廊模型

2.1.1 半封闭防风走廊模型表面压力变化

CRH3动车组以200～350 km/h速度通过时，半封闭防风走廊模型内侧和外侧测点表面压力分别见表2、表3。其中,Pmax,Pmin,ΔP分别为压力最大值、压力最小值，压力变化值。

由表2可知：半封闭防风走廊模型内侧测点Pmax,Pmin,ΔP的绝对值沿半封闭防风走廊自内壁向开口方向降低。单车车速为350 km/h时，内侧测点Pmax,Pmin,ΔP的极值分别为394，-423，817 Pa；单车车速为300 km/h时，内侧测点Pmax,Pmin,ΔP的极值分别为284，-295，579 Pa。列车运行速度越高，半封闭防风走廊模型内侧测点压力变化越大。

表2 半封闭防风走廊模型内侧测点表面压力 Pa

表3 半封闭防风走廊模型外侧测点表面压力 Pa

由表3可知：对同一高度的外侧测点而言，其压力变化值近似与列车运行速度的平方成正比，变化规律与内侧测点相同，但与内侧对应测点压力值相比，外侧测点压力值较小。与内侧测点变化情况相反，模型外侧面同一截面上其测点压力值(Pmax,Pmin,ΔP)沿模型底部向开口方向有所增加。

此外，试验还测得了防风走廊模型内侧及外侧测点压力变化时程曲线，动车组通过防风走廊模型时侧面测点会存在与前类似的空气压力波，即列车头部通过会产生头波和列车尾部通过产生尾波，但不同测点波形变化较大，规律较复杂。

半封闭防风走廊内侧测点12#的压力变化值ΔP与车速的关系曲线见图3。可知，压力变化值(ΔP)近似与列车运行速度的平方成正比。

图3 测点12#压力变化值ΔP与车速的关系曲线

单车车速350 km/h、测点高度75 mm时半封闭防风走廊模型内侧不同测点压力变化曲线见图4。可知，半封闭防风走廊模型内侧测点压力最大值(Pmax)、压力最小值(Pmin)和压力变化值(ΔP)的绝对值在模型入口处略大，中间各截面测点压力随测点水平位置变动很小。外侧测点压力变化及其随水平位置的变化规律与内侧测点相似。

图4 同一高度下防风走廊内侧不同测点压力

2.1.2 动车组模型表面压力变化

动车组通过防风走廊模型时，CRH3动车组模型车体表面测点压力见表4。

表4 CRH3动车组模型车体表面测点压力 Pa

由表4可知：对于车体左右两侧对称测点的压力变化值，靠近防风走廊内侧稍大于另一侧，车速越高测点压力变化值越大，动车组模型同一高度的测点压力变化值近似与列车运行速度的平方成正比。

2.2 动车组在半封闭防风走廊中间交会

2.2.1 半封闭防风走廊模型表面压力变化

CRH3动车组以350～300 km/h速度在防风走廊模型中间交会时，半封闭防风走廊模型内侧测点表面压力见表5。

表5 半封闭防风走廊模型内侧测点表面压力 Pa

由表5可知:在模型内侧测点Pmax,Pmin,ΔP的绝对值沿半封闭防风走廊自内壁向开口方向降低，动车组交会350 km/h对350 km/h测点Pmax,Pmin,ΔP极值分别为528,-630,1 158 Pa,动车组交会300 km/h对300 km/h测点Pmax,Pmin,ΔP的极值分别为330，-449，779 Pa，车速越高其压力变化越大。

图5为动车组交会350 km/h对350 km/h测点高度75 mm时半封闭防风走廊模型内侧测点压力与水平位置关系曲线。可知，半封闭防风走廊模型内侧测点压力最大值、最小值和变化值的绝对值在防风走廊中间交会处最大。外侧测点压力变化及其随水平位置的变化规律与内侧测点相似。

图5 动车组交会350 km·h-1对350 km·h-1同一高度下 防风走廊内侧测点压力与水平位置关系曲线

CRH3动车组以350～300 km/h速度在防风走廊模型中间交会时，防风走廊模型外侧测点表面压力见表6。

表6 半封闭防风走廊模型外侧测点表面压力 Pa

由表6可知：与内侧测点相似，防风走廊模型外侧测点压力最大值、最小值和变化值的绝对值在防风走廊中间交会处最大；与内侧对应测点相比，外侧测点压力值较小。与内侧测点变化情况相反，在半封闭防风走廊模型外侧同一截面上测点压力值(Pmax,Pmin,ΔP)沿模型底部向开口方向有所增加。

另外，试验还测得了动车组交会防风走廊模型内侧及外侧测点压力变化时程曲线，由于离防风走廊近的一线动车组先通过防风走廊测点，该测点先受到该动车组通过产生的空气压力波(头波与尾波)，之后从离防风走廊远的二线反向运行的动车组通过该测点，又使其受到一个压力变化较小的与前相似的空气压力波。当防风走廊测点离动车组中间交会处越近，这2个空气压力波在时间上相隔越短，甚至可重叠。防风走廊模型外侧测点压力波的变化与其内侧测点相似。

2.2.2 动车组模型表面压力变化

动车组交会350 km/h对350 km/h与动车组交会300 km/h对300 km/h时，CRH3动车组模型车体表面测点压力见表7。

表7 CRH3动车组模型车体表面测点压力 Pa

由表7可知：对于车体左右两侧对称测点的压力变化值，靠近交会侧大于另一侧;动车组交会350 km/h 对350 km/h测点Pmax,Pmin,ΔP的极值分别为485，-1 228，1 713 Pa，动车组交会300 km/h对300 km/h 测点Pmax,Pmin,ΔP的极值分别为306，-930，1 235 Pa，列车速度越高其交会压力变化越大。

3 结论

通过在不同模型试验工况下列车动模型试验，研究半封闭防风走廊与动车组模型表面空气压力波传播规律、出口压力波变化，并进行分析，得出列车高速运行与半封闭防风走廊的气动力特性。

1)对同一高度的内外侧测点压力变化值(ΔP)近似与动车组运行速度的平方成正比，且外侧测点压力变化值一般比对称的内侧测点小较多，综合考虑其结构受力影响时，可主要考虑其内侧测点压力变化。

2)动车组单车通过时，半封闭防风走廊模型内外侧测点压力值(Pmax，Pmin，ΔP)的绝对值在模型入口处略大，中间各截面测点压力值随测点水平位置变动很小。动车组在半封闭防风走廊交会时，半封闭防风走廊内外侧测点压力最大值、最小值和变化值的绝对值在防风走廊中间交会处最大。

3)动车组单车通过和交会时，在同一横截面上半封闭防风走廊模型内侧测点压力值(Pmax，Pmin，ΔP)的绝对值沿模型内壁向开口方向降低。与内侧测点变化情况相反，其模型外侧测点压力值的绝对值沿模型底部向开口方向有所增加。