[发明专利]一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法

说明书

本发明提供了一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，设置斜切型缓冲结构后，初始压缩波的波前厚度显著加大，从而延长了压缩波的上升时间，降低了初始压缩波的压力梯度，减缓隧道出口处的微气压波，可以有效缓解隧道内、外的气动效应，斜切型缓冲结构的设计优化方法，具体有以下步骤：一、计算模型；二、基于气动声学求解隧道气动效应；三、缓冲结构优化。本发明可推广应用在高速铁路建设领域，对隧道入口处进行改造优化，结构设计科学合理，设计优化准确易操作。

技术领域

本发明属于隧道设计技术领域，具体涉及一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法。

背景技术

通常，当高速列车进入隧道时，车头压缩隧道内空气形成压缩波。这种压缩波以声速沿隧道传播，并以微压波的形式通过隧道出口向外发射。由于微压波导致对周边私人住宅的脉冲噪声和低频振动，在设计高速铁路隧道入口时减小气动效应是非常重要的。

针对高速铁路隧道气动效应，通常在隧道入口设置缓冲结构，其中喇叭型缓冲结构的缓冲效果最好。但喇叭型缓冲结构浇筑施工时，模板需要按一定的曲线或角度展开，施工难度较大，质量难以控制，费工、不便制作，为了方便施工，节约造价，可优化设计成斜切型隧道入口。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，该设计能使隧道的初始压缩波的波前厚度显著加大，从而延长了压缩波的上升时间，降低了初始压缩波的压力梯度，减缓隧道出口处的微气压波，可以有效缓解隧道内、外的气动效应，斜切型隧道入口施工简单，外型美观，成本可控。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种斜切型隧道入口缓冲结构的设计优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算模型：

所述斜切型隧道入口缓冲结构是在常规隧道的入口处，通过一个与缓冲结构或隧道轴线成一定角度的斜平面切割形成的结构，设坐标原点在缓冲结构入口处O点，列车及隧道的对称轴与x轴重合，列车沿x轴负向以一定速度U进入隧道，假设列车头部长度L范围内符合理想地流线型设计，车头横断面积A_T逐渐变大，列车车身高度为h，横断面积保持定值A₀；隧道截面为半径R的半圆形，横断面积为A；隧道入口处的斜切型缓冲结构，长度l_h，且l_h＞＞R，缓冲结构的横断面积函数为A_h(x)，斜切角为α，入口高度为a，忽略地面摩擦的影响，将列车和隧道沿着地面作镜像，并对镜像进行分区，分为隧道内远离入口的区域隧道与斜切型缓冲结构的连接部区域切型缓冲结构的斜切开口区域斜切型缓冲结构区域斜切型缓冲结构入口区域和斜切型缓冲结构外部的自由空间区域

S2、基于气动声学求解隧道气动效应：

首先借助势流函数求出相应的广义Green函数；然后求解气动声学方程，根据气动声学方程得出气动“活塞效应”压力p_T和斜切开口喷射出流压力接着求斜切型缓冲结构的隧道内初始压缩波，得到初始压缩波波前的压力梯度；最后根据实际数据对斜切型缓冲结构的缓冲效果进行计算验证；

S3、对斜切型缓冲结构进行优化：具体优化内容为对缓冲结构长度一定时的斜切角的优化，最后验证优化结果。

优选的，所述广义Green函数的具体计算方法为：

S201、求斜切型缓冲结构入口处势流函数：

缓冲结构入口范围内和区域即x＝0的势流函数

式中l′≈0.3R+a，A_h0表示缓冲结构入口处横断面积；