劉 爍，洪 蔚，李 鵬，董大為

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京100081）

聲屏障在設(shè)計(jì)使用壽命期需承受數(shù)百萬次的列車氣動風(fēng)壓作用，為了聲屏障安全應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室對其進(jìn)行聲學(xué)與力學(xué)性能檢測，其中力學(xué)性能中的抗疲勞性能是一項(xiàng)重要指標(biāo)。

1 聲屏障抗疲勞性能

當(dāng)列車通過聲屏障時，列車氣動風(fēng)壓會對聲屏障產(chǎn)生拉壓作用，列車氣動風(fēng)壓是高速列車運(yùn)行時帶動周圍空氣隨之運(yùn)動形成的“列車風(fēng)”作用在臨近線路的聲屏障等建(構(gòu))筑物上的波動壓力。壓力波呈先正(壓力)后負(fù)(吸力)形式，并且正壓力大于負(fù)壓力[1]。列車氣動力示意如圖1所示。

圖1 列車氣動力示意

為檢驗(yàn)抗疲勞性能，需要在設(shè)計(jì)荷載最不利工況下對鐵路聲屏障進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)。《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)[2]中對抗疲勞性能檢測方法的規(guī)定：按不同材質(zhì)、運(yùn)營流量和運(yùn)行速度計(jì)算疲勞載荷，采用疲勞試驗(yàn)機(jī)在正弦循環(huán)載荷下、振動頻率4 Hz、進(jìn)行4×106次疲勞循環(huán)試驗(yàn)。

抗疲勞性能檢測一般采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)，在4 Hz正弦循環(huán)載荷下進(jìn)行4×106次疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)荷載幅值F按下式計(jì)算，即

式中：F為疲勞試驗(yàn)荷載幅值，kN；P為列車氣動風(fēng)壓，kN/m2；a為結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)系數(shù)；S為金屬聲屏障單元板受列車氣動風(fēng)壓面積，m2。

列車氣動風(fēng)壓P和結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)系數(shù)a的取值，根據(jù)線路設(shè)計(jì)時速、聲屏障材質(zhì)和聲屏障設(shè)計(jì)高度進(jìn)行選取。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 橋梁插板式聲屏障疲勞試驗(yàn)荷載參數(shù)取值

表2 路基插板式聲屏障疲勞試驗(yàn)荷載參數(shù)取值

2 鐵路聲屏障抗疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)背景

現(xiàn)有抗疲勞試驗(yàn)機(jī)為整體式抗疲勞試驗(yàn)機(jī)(見圖2)。該設(shè)備為專有設(shè)備，針對整單元的聲屏障進(jìn)行檢測，工裝較為簡單，但設(shè)備施力方式為壓壓式，不能模擬實(shí)際列車通過時對聲屏障產(chǎn)生的推力和拉力；同時該設(shè)備只適用于固定尺寸的聲屏障，局限性較大、工作效率較低。為此，根據(jù)列車脈動風(fēng)壓作用和鐵路聲屏障特點(diǎn)，設(shè)計(jì)研發(fā)一種適用于鐵路聲屏障疲勞試驗(yàn)的疲勞試驗(yàn)機(jī)，以模擬列車脈動風(fēng)壓對聲屏障單元板產(chǎn)生拉壓循環(huán)作用的工況。

2.2 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)

聲屏障抗疲勞試驗(yàn)機(jī)主要用于聲屏障構(gòu)件的抗疲勞性能試驗(yàn)，即單元板和H型立柱的抗疲勞性能試驗(yàn)。檢測鐵路聲屏障單元板和立柱在列車脈動風(fēng)壓和自然風(fēng)等載荷作用下的變形和破壞情況，研究其抗疲勞性能及疲勞壽命。該抗疲勞試驗(yàn)機(jī)可以進(jìn)行多種材質(zhì)、結(jié)構(gòu)的聲屏障單元板和立柱的靜態(tài)加載試驗(yàn)及動態(tài)疲勞試驗(yàn)，既可以進(jìn)行壓向加載，也可以施加拉壓雙向動態(tài)載荷。

（1）主機(jī)結(jié)構(gòu)。疲勞試驗(yàn)機(jī)主要由伺服作動器、主機(jī)機(jī)架、試件試驗(yàn)夾具及測量控制系統(tǒng)等部分組成，如圖3所示。

（2）試件試驗(yàn)夾具。單元板夾具為組合結(jié)構(gòu)，由上壓板、下夾板和夾具拉桿及螺母等組成，上壓板(下夾板)與試件之間設(shè)計(jì)安裝了4段墊板，將試驗(yàn)載荷分布施加到單元板上，4段墊板的設(shè)計(jì)可以減少單塊平面式著力板對聲屏障試件加力時產(chǎn)生的壓力集中現(xiàn)象，盡可能模擬單元板的真實(shí)受力情況。單元板夾具結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2.3 設(shè)備可靠性

實(shí)驗(yàn)室對相同批次樣品分別使用聲屏障抗疲勞試驗(yàn)機(jī)、整體式抗疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)及第三方委托實(shí)驗(yàn)室疲勞設(shè)備進(jìn)行比對，以驗(yàn)證設(shè)備的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表3所示。

3 應(yīng)用前景

圖3 試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)

圖4 單元板夾具結(jié)構(gòu)

表3 設(shè)備比較

設(shè)計(jì)的聲屏障疲勞試驗(yàn)機(jī)可以滿足正弦循環(huán)拉壓試驗(yàn)的基本要求，并且單元板疲勞試驗(yàn)僅需取樣1塊單元板即可同時進(jìn)行4批不同聲屏障試樣、2根立柱的拉壓疲勞試驗(yàn)，有效提升了試驗(yàn)效率，并且簡化了裝卸試件的過程，操作安全方便，降低了勞動強(qiáng)度。目前已對設(shè)計(jì)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)化，并已建成1套完整的聲屏障疲勞試驗(yàn)機(jī)。鐵路聲屏障疲勞試驗(yàn)機(jī)模擬列車脈動風(fēng)壓對聲屏障試件產(chǎn)生拉壓循環(huán)作用的工況，可以減少單塊平面式著力板對聲屏障試件加力時產(chǎn)生的壓力集中現(xiàn)象，滿足不同長寬的聲屏障試件。