高速铁路隧道空气动力学的实验力学方法综述魏隽摘要：全面系统地介绍了国外研究高速铁路隧道内空气动力学效应的各种实验力学方法、适用条件和取得的成果，供高速铁路隧道设计与研究人员使用，进一步完善隧道设计。关键词：高速铁路，隧道，空气动力学，实验力学，方法中图分类号：U453．5文献标识码：A关于高速铁路隧道空气动力学问题的研究，在日本、法国、德国、美国等经济发达国家早已开始了而我国则起步较晚。为了配合我国高速铁路跳跃式快速发展和技术研究的需要，现把国外用实验力学方法研究高速铁路隧道内空气动力学效应的一般和特殊的方法及所取得的成果全面介绍一下。1现场实验实验的主要内容包括：一列车通过隧道内某固定点交会时压力变化的量测；两列车在隧道内某固定点交会时压力变化的量测；客车内外压力变化的量测；在有通风竖井的隧道内固定点的压力变化的量测。1)日本铁路于1985年在东北新干线的大又双线隧道进行了试验，研究由925S2编组的列车在隧道内产生的列车风。试验表明：风压随列车速度的提高而增加；由12辆编组列压时基本相同，碾压温度为110℃～120℃，速度为2 km／h～4 km／h，碾压遍数以4遍～6遍为宜。3)终压。终压的目的是清除复压过程中的轮迹，宜选用钢轮压路机，速度4 krn／h--6 km／h，温度90℃～110℃。5接缝处理的影响因素及措施1)纵向接缝。纵向接缝通常由两幅或多幅摊铺形成，一般为热接缝，只要选择合适的搭接量即可获得良好的质量；若不得不采用冷接缝时，应使用熨平板的平端板或冷却后用切割机切齐，使其形成平接缝，以使后来的搭接容易控制。冷接缝的搭接量为2CITI，最大为3 cm，如果搭接量过大，会造成两方面的影响：一方面，由于碾压会造成沉降，尽管沉降量小于粒料的直径，但搭接过大将导致粒料破碎，并可能使冷层边的组织结构受到干扰，熨平板在这一侧不是由沥青混合料去支撑而是由搭接区域的高度使其抬高，显而易见，即使经过碾压，此区域的密度也必然降低或出现压痕，影响到平整度。2)横向接缝。横向接缝尽可能采用平接缝，摊铺起步时一定要调整好松铺厚度，要及时用3 m直尺检查，如不合格，趁混合料尚未冷却时处理；碾压时要横向碾压，使压路机位于已压实的混合料上，伸入新铺层的宽度为15 cm，每压一遍车以270 km／h的速度运行时产生的风压为4．1Pa。关于列车在隧道内交会时的情况，其最大的风压约为单列车通过时的2倍，即8．5 kPa。2)联邦德国铁路和英国铁路分别在单线和双线隧道中进行了试验，研究了当列车进入隧道时，通风竖井对降低压力变化的影响。理论研究表明：根据隧道长度、列车长度及速度，合理布置通风竖井，可降低50％的瞬变压力。试验结果与理论预测值非常符合。3)意大利国营铁路在蒙特一切奇托(Monte-Cechito)和圣奥里斯特(Sant’orest)隧道进行了试验，它揭示了在不同运行条件下隧道空气动力学现象的特征，并与理论计算结果做了比较。此外对车窗的密封性的要求不同，车内相应的压力变化最大值也不同。2模拟实验向新铺混合料移动15㈨～20 cm；直到全部在新铺层上为止，再改为纵向碾压，如果接缝处理不好，很显然会影响路面的平整度，所以在施工中，对接缝的处理要引起足够的重视。6结语沥青路面平整度涉及的面很广，影响因素很多，关系到路基、路面施工全过程，对于路面不平整的问题进行细致的分析，有针对性的解决并采取有效措施，控制好从施工程序到施工工艺全过程的质量，才能保证路面平整度的施工质量。参考文献：[1]JTJF40—2004，公路沥青路面施工技术规范[s]．[2]沈金安．沥青及沥青混合料路用性能[M]．北京：人民交通出版社．2003．[3]杨文渊，钱绍武．道路施工工程师手册[M]．第2版．北京：人民交通出版社，2002．[4]GB—96，沥青路面施工及验收规范[s]．[5]昊晓东，潘修铭．沥青面层施工中的平整度控制[J]．山西建筑，2008，34(32)：286—287．Study on the caused of the unevenness of asphalt pavement and treatment measuresLINShi·pengAbstract：In view of the importance of smoothness to asphalt pavement the reasons caused the unevenness of asphNt pavement are analyzed，at the same time corresponding preventive measures are proposed combined with working experiences in order to ensure the smoothness and ride comfort of asphalt pavement．Key words：asphalt pavement，unevenness，influencing factor，treatment measure收稿日期：2009—06—17作者简介：魏隽(1964一)，男，高级工程师，中铁上海设计院，上海．302．磊蓄辩，3i膂山西建筑2．1风洞试验风洞按结构区分有开路式风洞和回流式风洞。回流式风洞包括单回流式、双回流式和环状回流式，其中单回流式使用较广泛；按速度范围区分有低速风洞、高亚音速风洞、跨音速风洞、超音速风洞以及高超音速风洞。风洞试验结果表明：为了减少列车受空气动力的负荷，改变列车横断面的形状，例如平滑的车体侧面及头尾形状略呈一定的锥度，可减小空气对车体的抬升力；车顶稍呈圆形，可减小侧向风力；同时圆的车顶与车体的过渡角可减小侧向力，如英国的AFF和德国的ICE／V那样。风洞试验结果还表明：减小侧向大风对列车影响的最有效措施，迄今为止是采用屏蔽围栏。只要使用围栏高度达到列车高度的1／2，即可把侧向大风对列车的不稳定作用减小到未保护的1／3。根据英国铁路的研究，列车被大风掀翻的可能性取决于车辆的重量和列车的速度。他们把车辆单位长度的最小自重作为抗风稳定性的设计标准。在西海岸干线上，在露天条件下，对列车时速为200 km、车辆采用约1．3 t／m作为设计标准，这足可抵挡速度达45 m／S～50 m／s的侧向风。但风洞试验技术也有其局限性。2．2非风洞式的模型试验2．2．1缓解隧道人口压力式模型试验1979年美国加利福尼亚理工学院与英国剑桥大学联合提出了“缓解隧道入口处的压力瞬时变化现象”的试验报告。试验设备主要包括以下部分：1)模型发射装置：它由三根带有涂层织物的橡皮松紧绳与弹射腔底板相连，底板依次推动列车模型底座。调整绳索的初始长度和它们的张力，就可以改变列车模型的发射速度。一电机拉住底板背面，使之处于准备发射状态，速度可达30 m／s。2)隧道模型：它是按1／100的比例模型模拟2000 rn长的隧道，其本身采用内径为5．04 crn的圆管，共分为三段，每段6．5 m，用法兰盘连接，内壁平滑。为便于与各种不同的隧道入口相配合，另有一根2 m长的管段被制作成可拆装式的。隧道入口有两种形式：a．带侧窗式的明洞式隧道人口，孔眼沿隧道管周间隔90。等距离排列，孔眼的总面积与隧道横断面面积成一定比例；b．喇叭口形的，采用1 m长的圆锥式管段，使其最大横断面面积为隧道横断面面积的2．5倍。模型中在距隧道人口2 m处，有一15 cn2长，内径为5CITI的通风竖井。3)列车模型：列车模型由铝制壳体制成，壳体两端设有滑道，它沿发射装置的三根轨道运行，保持在隧道的中心线位置。列车长度分为55 crn和110 crn两种，列车模型的直径可以变化，使其阻塞比分别达到0．25，0．5，0．75三种情况。列车模型射入隧道后，在隧道出口外1 m处，被一缓冲装置所制动。试验结果说明：由列车和隧道基本轮廓确定的阻塞比是十分重要的，特别是当列车头部进入隧道时，，其波阵面幅值在阻塞比为0．25，0．5，0．75时，大约以1：2：8的比例变化。对带通气孔壁的明洞式入口，当列车前部进入隧道时波阵面的特征图像和波的幅度与壁上开孔的隧道入口段的长度基本无关，但压力变化率与长度成反比。这正是我们所希望的隧道人口形式，因为它可导致降低压力梯度和减小压力波动的幅值。喇叭口式的隧道入口，由于环状区域内降低了表面摩擦力与喇叭口的扩散作用，能使峰值压力小于带通气孔式的明洞式人口的降压值。另外，喇叭口式入口对列车尾部进入隧道时产生的波阵面能拉得与头部进入时的波阵面一样。但对这种入口与隧道的连接处，在施工中要处理的很平滑，否则可能出现压力再生现象。2．2．2电机驱动式模型试验美国加州理工学院喷气推进实验室，在公路间断式隧道中，根据车辆行驶而引起的气流特性，进行了小比例的模型试验，并于1982年提出了研究报告。将模型试验情况简要介绍如下：1)驱动方式。汽车模型附在两条由电机驱动的传送带上，各自独立操作，因而可以用不同的速度在同一方向或相反方向行驶。设计速度范围为32 km／h--74 km／h，雷诺数为3×104，调节试验条件，可使之提高到105以上。2)隧道模型。尺寸比例为3／100，设备总长33．5 m，分为7个区段，中间5个区段为水平的(23．75 m)，两端区段有5％的坡度。间隔式隧道模型为一“堑式”路基通道，在其顶部每隔一定距离加覆盖板。在覆盖区段被分成两个封闭、平行的隧道，每个高15．2 cm、宽22．9 cm。3)N试技术。以六氟化硫(SF6)作示踪气体，从隧道入口引进，在隧道模型中适当位置进行空气取样，测定示踪气体浓度的变化，藉以确定由车辆引起的隧道气流特性。2．2．3水槽式模型试验1976年前法国马赛大学的J．Valens等人在研究两地铁车站间由于列车的活塞作用而引起的气流特性时，进行过水槽试验。后来，英国威灵福特水力研究站w．R．怀特和英国大不列颠铁路局C．w．波谱也采用了水槽模型试验，研究火车通过隧道时的空气动力学问题，并于1979年提出了研究报告。这里的模型试验不同于前面介绍的，它是根据模型中水的运动描述原型隧道中的气流和压力，属于一种比拟的试验。下面简单介绍威灵福特水力研究站所做试验的具体情况：1)隧道和列车模型。本模型针对在布里斯托(Brist01)附近伦敦一南威尔市(SouthWales)干线上的帕齐韦·唐(PatchwayDown)单线隧道所做的，隧道长度，列车长100．3 m。模型长度的比例S，=1／30，模型宽度根据阻塞比相等的原则确定，经计算选定：b。=1001Tlrn，B。=275 in／n。隧道模型为一长38 m的矩形露天通道，边墙高200 nqin。隧道与列车模型均为木制结构，它们被置于水槽中部。时间比例：t。／t自=S￡=10。速度比例：以G。e分别表示气体中波速和声速，则：C。／Ca=S。=S／S。=1／300。即C。=ca×S工／St=1．105 m／s。又G。，=／丽i，故h=0．125 m。因此，水槽中水的模型深度要求为125 mIn，模型中轨道采用宽50 inrll，高60 inrn的挤制铝型材，它被置于通道中央。2)驱动装置。列车是由车前水平面下的一条细线牵引，牵引线借助模型两端的滑轮形成一闭合回路，返回线路则在水平面以上。驱动滑轮通过一个固定比例的齿轮箱连接到一个可变速的电动机上，它被放在水槽下游的端部。3)量测仪器。模型试验是想重现在帕齐韦隧道现场所进行的量测结果。模型中双线波高探测器安装在距人口点3．33 m，16．67 m，30．00 in处靠近通道边墙的地方。从探头输出的信号由中央控制台接收，然后经过放大显示在一个记录器上。其电流器的偏转量可达水平面变化的20倍。在隧道模型中每隔放置一J个磁性驱动开关，作为列车车头通过开关时的标志，以测量列车模型的行驶速度。在列车运行中，还采用了小型旋桨式测量仪，以确定水速。综上所述，非风洞试验适用于高速铁路隧道内的空气动力学研究，而风洞试验则适用于一般高速铁路上的空气动力学研究。第35卷第3l期2009年11月山西建筑SHANxIARCHITEcTUREV01．35NO．31Nov．2009·303·文章编号：1009。6825(2009)31—0303—02

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