城際鐵路風(fēng)致效應(yīng)仿真與試驗(yàn)研究

序論：好文章的創(chuàng)作是一個(gè)不斷探索和完善的過(guò)程，我們?yōu)槟扑]一篇城際鐵路風(fēng)致效應(yīng)仿真與試驗(yàn)研究范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來(lái)更深刻的閱讀感受。

1引言：

站臺(tái)門系統(tǒng)作為保障旅客安全出行的關(guān)鍵設(shè)施，廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)多條城際鐵路中，在城際鐵路的安全運(yùn)營(yíng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，而站臺(tái)門自身結(jié)構(gòu)的安全性也受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。為規(guī)范和指引行業(yè)發(fā)展，國(guó)家鐵路局已于2020年12月正式頒布行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T3559-2020《城際鐵路站臺(tái)門系統(tǒng)》，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)城際鐵路站臺(tái)門機(jī)械性能做出明確規(guī)定：門體結(jié)構(gòu)最大載荷下的彈性變摘要：針對(duì)城際鐵路列車高速通過(guò)地下車站時(shí)，站臺(tái)門在列車氣動(dòng)載荷的作用下產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，且難以在運(yùn)營(yíng)線路上進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，文章提出一種將計(jì)算流體力學(xué)、有限元分析和線路試驗(yàn)相結(jié)合的分析方法。該方法采用流體力學(xué)仿真技術(shù)計(jì)算出城際鐵路列車過(guò)站風(fēng)壓，并通過(guò)模擬列車過(guò)站時(shí)的氣動(dòng)載荷，對(duì)站臺(tái)門結(jié)構(gòu)變形開展有限元分析，最后在具備列車160km/h高速過(guò)站工況的線路上進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。將試驗(yàn)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比可得，有限元分析和線路試驗(yàn)兩者得出的應(yīng)力變化趨勢(shì)基本一致，且最大的標(biāo)準(zhǔn)差不超過(guò)0.43，從而驗(yàn)證城際鐵路地下站站臺(tái)門有限元模型加載方法的可行性，為進(jìn)一步研究站臺(tái)門在城際鐵路以及高速鐵路中的應(yīng)用提供依據(jù)。關(guān)鍵詞：城際鐵路列車；站臺(tái)門；氣動(dòng)載荷；有限元分析；建模仿真；線路試驗(yàn)中圖分類號(hào)：U231形量不應(yīng)大于20mm。作為典型的機(jī)電一體化設(shè)備，站臺(tái)門系統(tǒng)由機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)共同構(gòu)成，其機(jī)械結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度會(huì)受到多種因素影響，其中最重要的當(dāng)屬列車風(fēng)致效應(yīng)。由于列車長(zhǎng)期高速通過(guò)站臺(tái)，導(dǎo)致站臺(tái)門的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，當(dāng)站臺(tái)門結(jié)構(gòu)強(qiáng)度減弱到一定程度時(shí)會(huì)對(duì)系統(tǒng)安全造成嚴(yán)重影響，但受限于目前的行業(yè)發(fā)展水平，尚無(wú)法在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)站臺(tái)門結(jié)構(gòu)形變進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，再加之諸多不確定的外界因素，如何確定站臺(tái)門結(jié)構(gòu)性能和安全性已是目前亟待解決的問(wèn)題。有限元分析是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代化結(jié)構(gòu)力學(xué)分析方法，已廣泛應(yīng)用于材料加工、機(jī)械制造、土木建筑等方面。基于有限元分析算法編制的軟件能仿真計(jì)算機(jī)械、氣動(dòng)、液壓、電磁等多學(xué)科交叉領(lǐng)域。目前，采用有限元法分析工程問(wèn)題的重點(diǎn)和難點(diǎn)并不在于方法本身，而在于如何根據(jù)所分析問(wèn)題的特點(diǎn)合理選擇計(jì)算模型和參數(shù)，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行判斷分析。本文針對(duì)國(guó)內(nèi)城際鐵路地下站站臺(tái)門系統(tǒng)受列車高速通過(guò)時(shí)風(fēng)載荷大的特點(diǎn)，提出一種用于城際鐵路地下站站臺(tái)門的有限元載荷分析方法。該方法采用前期仿真計(jì)算、后期試驗(yàn)驗(yàn)證的方式，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比對(duì)結(jié)果對(duì)所采用方法的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)也為城際鐵路站臺(tái)門設(shè)計(jì)方案提供參考和建議。

2仿真分析

2.1仿真分析條件

城際鐵路地下線路往往采用隧道型式進(jìn)行建設(shè)，建成后的地下車站在加裝站臺(tái)門時(shí)，往往采用全封閉型站臺(tái)門，將站臺(tái)候車區(qū)和軌行區(qū)完全隔離，在保障旅客候車安全的同時(shí)，降低列車風(fēng)壓和氣動(dòng)噪聲對(duì)候車乘客的影響，提升出行體驗(yàn)。相較于非完全封閉的工況，列車在通過(guò)全封閉型站臺(tái)門時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)致效應(yīng)更大，對(duì)該工況下的相關(guān)情況展開研究更具實(shí)際意義。本文中仿真工況根據(jù)線路實(shí)際情況設(shè)定，以復(fù)興號(hào)某型列車160km/h速度通過(guò)裝有全高式站臺(tái)門的地下側(cè)式站臺(tái)作為仿真計(jì)算條件，進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的氣動(dòng)效應(yīng)仿真及站臺(tái)門結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算。

2.2站臺(tái)門有限元分析

建立站臺(tái)門機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D模型并對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，是對(duì)站臺(tái)門進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)。本文采用PATRAN進(jìn)行站臺(tái)門有限元建模，該軟件是目前世界上使用最廣泛的有限元分析前/后處理軟件，能夠提供非常豐富的實(shí)體模型、網(wǎng)格劃分、分析設(shè)置和后處理，恰好適用于對(duì)站臺(tái)門進(jìn)行有限元建模和分析。本實(shí)驗(yàn)所構(gòu)建模型由1組滑動(dòng)門、2扇固定門、1組應(yīng)急門以及配套的立柱和門機(jī)梁等部件構(gòu)成，其中鋼結(jié)構(gòu)采用Q235材料、門框采用304L、門體采用鋼化玻璃，各材料的力學(xué)性能如表1所示。

2.3理論分析與數(shù)據(jù)計(jì)算

當(dāng)運(yùn)營(yíng)線路存在列車高速過(guò)站工況時(shí)，列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣流壓力對(duì)列車行駛安全及站臺(tái)周圍環(huán)境造成的影響極其嚴(yán)重，這也是城際鐵路車站在加裝站臺(tái)門時(shí)，其設(shè)計(jì)過(guò)程所必須考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。當(dāng)列車高速駛?cè)胲囌緯r(shí)，其周圍流場(chǎng)邊界會(huì)產(chǎn)生突變，類似活塞效應(yīng)的氣動(dòng)現(xiàn)象會(huì)出現(xiàn)在列車和車站頂棚之間。本文構(gòu)建對(duì)應(yīng)的理論模型，并對(duì)不同速度列車過(guò)站情況下產(chǎn)生的風(fēng)壓進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)站臺(tái)門門體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，施加相應(yīng)約束后，通過(guò)有限元分析方法對(duì)門體在列車風(fēng)壓下的變形情況進(jìn)行研究。

2.3.1理論分析

城際鐵路中列車的運(yùn)行速度通常在150～220km/h當(dāng)前研究的車站站臺(tái)為地下車站，且相對(duì)應(yīng)的馬赫數(shù)滿足理想空氣的要求。經(jīng)研究分析，在大多數(shù)情況下列車附近的空氣處于完全的湍流狀態(tài)，所以本文選用湍流模型進(jìn)行列車周圍空氣流動(dòng)的數(shù)值模擬。本試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，其表達(dá)型式如下：

2.3.2數(shù)據(jù)計(jì)算

本文采用三維數(shù)字建模軟件建立列車和車站模型。由于列車外形極其復(fù)雜，若要求所建模型對(duì)列車實(shí)現(xiàn)1:1完全復(fù)刻，既需耗費(fèi)大量時(shí)間和人力，又對(duì)仿真設(shè)備的計(jì)算能力提出極高要求，故在建模過(guò)程中對(duì)列車外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化，在模型能夠反應(yīng)列車空氣動(dòng)力學(xué)特征的前提下，精簡(jiǎn)建模工作量，提高計(jì)算分析效率。采用有限元計(jì)算軟件ANSYS中的網(wǎng)格劃分模塊（ICEM）對(duì)管道和列車表面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí),為兼顧仿真精度和仿真效率，經(jīng)研究將網(wǎng)格的最大尺寸設(shè)定為500mm，最小尺寸設(shè)定為100mm，將網(wǎng)格總數(shù)控制在2×106～5×106個(gè)之間。采用有限元軟件ANSYS中Fluent（流體計(jì)算模塊）求解非定常不可壓縮流動(dòng)RANS和k-ε兩方程湍流模型，近壁區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法，對(duì)過(guò)站列車風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬。設(shè)定時(shí)間步長(zhǎng)為0.005s，根據(jù)不同運(yùn)動(dòng)速度選擇相應(yīng)的迭代步數(shù)，每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)最大迭代計(jì)算步數(shù)為20步，模擬列車從站臺(tái)一端出發(fā)到通過(guò)整個(gè)站臺(tái)的過(guò)程，仿真計(jì)算設(shè)置如圖1所示。在完成上述模型和設(shè)定后，需要對(duì)列車高速過(guò)站時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓進(jìn)行仿真計(jì)算，本文選用有限元軟件ANSYS中流體計(jì)算模塊（Fluent）進(jìn)行該項(xiàng)工作。仿真計(jì)算結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，在阻塞比不變的前提下，列車運(yùn)行至車站入口時(shí)對(duì)站臺(tái)門施加正向風(fēng)壓，其峰值為921Pa；在列車駛出車站時(shí)，產(chǎn)生負(fù)向風(fēng)壓，峰值為-982Pa。

2.4站臺(tái)門結(jié)構(gòu)分析與仿真計(jì)算

2.4.1載荷和約束

站臺(tái)門一般設(shè)置在站臺(tái)邊緣，與列車軌道大致平行，所以在建模過(guò)程中，將列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)壓，按照均布載荷的形式施加至站臺(tái)門與軌道平行的門體平面。站臺(tái)門在安裝完成后，固定在站臺(tái)結(jié)構(gòu)中，其橫向垂直和平行軌道的2個(gè)方向均被完全約束，同時(shí)也需約束站臺(tái)門縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)

2.4.2有限元計(jì)算結(jié)果

對(duì)列車以160km/h運(yùn)行速度通過(guò)車站時(shí)產(chǎn)生的列車風(fēng)對(duì)站臺(tái)門的影響程度進(jìn)行有限元分析，其分析結(jié)果如圖3所示。由分析結(jié)果可見(jiàn)，固定門的最大變形量出現(xiàn)在固定門玻璃中心處，滑動(dòng)門的最大變形量出現(xiàn)在滑動(dòng)門接縫中上部靠近中心處，應(yīng)急門的最大變形量同樣出現(xiàn)在中上部靠近應(yīng)急門接縫中心處。

2.5有限元仿真結(jié)果分析

通過(guò)有限元仿真分析，能夠得出列車在160km/h高速過(guò)站工況下，站臺(tái)門上布設(shè)的11個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力值。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后的結(jié)果如表2所示。通過(guò)對(duì)表2中仿真結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，在設(shè)定的工況下，站臺(tái)門結(jié)構(gòu)變形符合TB/T3559-2020中關(guān)于城際鐵路站臺(tái)門機(jī)械性能的相關(guān)要求。

3試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1線路試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)條件

本試驗(yàn)車站條件為城際車站中的地下側(cè)式車站，上下行加裝全高式站臺(tái)門，復(fù)興號(hào)某型列車以160km/h通過(guò)該站臺(tái)，車站工況與前文所述仿真條件一致。

3.1.2試驗(yàn)方案

在完成站臺(tái)門仿真研究后，即可得知站臺(tái)門承受的風(fēng)壓，對(duì)應(yīng)仿真過(guò)程中的設(shè)定條件，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)線路中對(duì)站臺(tái)門承受的風(fēng)壓和風(fēng)速的變化規(guī)律以及風(fēng)壓荷載作用下站臺(tái)門的變形規(guī)律展開測(cè)試和研究，并將測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，所得分析結(jié)果可以為城際鐵路站臺(tái)安全防護(hù)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，為城際鐵路站臺(tái)門的設(shè)置方式、位置、工作條件等因素提供參考。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的具體方案和裝置實(shí)物圖如圖4所示

3.1.3試驗(yàn)步驟

（1）測(cè)試斷面選擇。根據(jù)研究需求以及仿真計(jì)算的相關(guān)結(jié)論，選定不同的測(cè)試斷面位置或者氣動(dòng)效應(yīng)最明顯的位置進(jìn)行測(cè)點(diǎn)的布設(shè)（2）測(cè)點(diǎn)選擇。所選測(cè)點(diǎn)可使有限元分析的結(jié)果能夠清楚呈現(xiàn)站臺(tái)門結(jié)構(gòu)載荷的分布特點(diǎn)，以及各個(gè)區(qū)域站臺(tái)門結(jié)構(gòu)在不同工況下承受風(fēng)載荷時(shí)的變形量。如圖5所示，若對(duì)列車過(guò)站時(shí)站臺(tái)門的最大結(jié)構(gòu)變形位置開展分析，需在諸如滑動(dòng)門、固定門等關(guān)鍵部位布設(shè)測(cè)點(diǎn)，得以檢測(cè)其結(jié)構(gòu)變形情況。（3）數(shù)據(jù)采集儀器設(shè)置。根據(jù)采集儀的采集特點(diǎn)、列車過(guò)站間隔以及數(shù)據(jù)需求對(duì)試驗(yàn)基本參數(shù)、采樣頻率、采樣通道等進(jìn)行設(shè)置。根據(jù)選定的傳感器型號(hào)和需要測(cè)定的物理量確定采樣通道的標(biāo)定值。

3.1.4試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)的傳感器輸出的是電壓信號(hào)，通過(guò)公式（4）可將采集到的電壓信號(hào)換算為站臺(tái)門的應(yīng)變量ε：

3.2線路試驗(yàn)結(jié)果分析

表3為列車以160km/h速度通過(guò)站臺(tái)中部時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出的站臺(tái)門不同測(cè)點(diǎn)門體結(jié)構(gòu)變形量數(shù)據(jù)。通過(guò)分析現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，不同測(cè)點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)不同幅度的變形值，同時(shí)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比得出兩者之間變化幅度相似，說(shuō)明測(cè)試所選用的傳感器靈敏度滿足當(dāng)前測(cè)試場(chǎng)景的精度需求。從表2和表3中可知站臺(tái)門變形最大值均出現(xiàn)在在測(cè)點(diǎn)2，分別為9.89mm和8.87mm，表明仿真結(jié)果和測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性，同時(shí)說(shuō)明選定的城際鐵路站臺(tái)門結(jié)構(gòu)符合TB/T3559-2020中關(guān)于城際鐵路站臺(tái)門機(jī)械性能的相關(guān)要求，變形量的最大標(biāo)準(zhǔn)差都能控制在0.43以內(nèi)。對(duì)比2個(gè)表格中的數(shù)據(jù)可知，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)處的試驗(yàn)值均大于預(yù)測(cè)值，主要是因?yàn)榫€路試驗(yàn)過(guò)程中難免受到隧道中自然風(fēng)、列車運(yùn)行引起的振動(dòng)等外部環(huán)境的影響，屬于測(cè)試過(guò)站中發(fā)生的正常現(xiàn)象。

4結(jié)論

針對(duì)城際鐵路地下站站臺(tái)門結(jié)構(gòu)的材料特性，本文提出一套適用于城際鐵路站臺(tái)門結(jié)構(gòu)變形研究的仿真模擬計(jì)算方法，并通過(guò)在門體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位置粘貼傳感器，對(duì)列車以160km/h速度通過(guò)站臺(tái)中部時(shí)站臺(tái)門各個(gè)部位的形變量進(jìn)行測(cè)試。對(duì)比仿真結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，各個(gè)測(cè)點(diǎn)的測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差均控制在0.43以內(nèi)，且應(yīng)力變化趨勢(shì)基本相同，由此證明有限元分析方法的可行性和列車與站臺(tái)門模型的有效性。通過(guò)數(shù)據(jù)仿真預(yù)演和線路測(cè)試驗(yàn)證相互結(jié)合、相互印證的方法，為城際鐵路站臺(tái)門系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)和參考依據(jù)，對(duì)于促進(jìn)城際鐵路站臺(tái)門行業(yè)的發(fā)展，具有積極的推動(dòng)作用。

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作者:周梅 毛良 單位:廣東省鐵路建設(shè)投資集團(tuán)有限公司 廣東珠三角城際軌道交通有限公司