水春雨，李 鵬，洪 蔚，劉 爍

（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）

鐵路插板式聲屏障單元板在服役期需承受數(shù)百萬次的列車氣動(dòng)風(fēng)壓作用，聲屏障單元板的抗疲勞性能是其力學(xué)性能中的一項(xiàng)重要指標(biāo)?！惰F路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)中規(guī)定：列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度200 km/h以上的鐵路線上的聲屏障聲學(xué)構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行抗疲勞試驗(yàn)；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(dòng)頻率4 Hz、進(jìn)行4×106次疲勞循環(huán)試驗(yàn)[1]。本文分析鐵路插板式聲屏障單元板疲勞試驗(yàn)荷載取值、加載方式等工況。

1 鐵路聲屏障單元板抗疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)和振動(dòng)頻率

鐵路插板式聲屏障單元板抗疲勞性能試樣應(yīng)從吸聲性能、隔聲性能試驗(yàn)合格的試樣中隨機(jī)抽取1塊[2]，聲屏障單元板兩端雙側(cè)板柱間橡膠墊和下部橡膠墊應(yīng)完整。

鐵路聲屏障位于線路側(cè)，列車通過時(shí)，產(chǎn)生的空氣沖擊波作用在鐵路聲屏障表面形成正負(fù)壓力，對(duì)聲屏障單元板產(chǎn)生壓吸作用，每列車通過時(shí)產(chǎn)生2 次壓吸作用(一壓一吸循環(huán)為1 次)，壓力峰值大于吸力峰值。列車氣動(dòng)風(fēng)壓示意[3]如圖1所示。

圖1 列車氣動(dòng)風(fēng)壓示意

《時(shí)速250公里、350公里高速鐵路橋梁插板式聲屏障安裝圖》(通環(huán)(2018)8323)設(shè)計(jì)原則中提出“列車流量不大于210 對(duì)/日”[4]，對(duì)聲屏障氣動(dòng)風(fēng)壓只考慮靠近聲屏障側(cè)的列車，即按每日210列車通過聲屏障，每列車通過時(shí)產(chǎn)生2 次壓吸作用，一壓一吸循環(huán)為1次，25 年使用壽命，每年365 d，合計(jì)383.25 萬次，考慮一定余量，取整為400萬次。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果，動(dòng)車組列車分別以時(shí)速300 km 和350 km 通過聲屏障時(shí)，對(duì)應(yīng)的脈動(dòng)風(fēng)壓頻率分別為3.33 Hz、3.86 Hz[5]；同時(shí)相關(guān)資料顯示[5]，列車脈動(dòng)風(fēng)壓頻率(f)與車廂長度(L)和運(yùn)行速度(v)有相關(guān)性，即f=v/L，當(dāng)車廂長度約25 m，車速300 km/h 和350 km/h 時(shí)，計(jì)算頻率分別為3.33 Hz 和3.89 Hz，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本吻合。因此，根據(jù)公式計(jì)算可得，列車以250～400 km/h通過聲屏障時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)壓頻率為2.8～4.4 Hz。模擬現(xiàn)場列車脈動(dòng)風(fēng)壓頻率實(shí)際工況，并考慮抗疲勞測試時(shí)間，將聲屏障單元板抗疲勞試驗(yàn)振動(dòng)頻率定為4 Hz。

2 鐵路聲屏障單元板抗疲勞試驗(yàn)荷載

聲屏障單元板承受的橫向荷載主要有列車氣動(dòng)力荷載和自然風(fēng)荷載，因自然風(fēng)荷載為偶發(fā)，抗疲勞試驗(yàn)荷載取列車氣動(dòng)力荷載。

列車氣動(dòng)力與列車形狀、運(yùn)行速度、聲屏障距線路中心線的距離和聲屏障結(jié)構(gòu)形式等因素有關(guān)。由于列車氣動(dòng)力可能引起聲屏障自振，因而需考慮動(dòng)力放大系數(shù)即氣動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)，氣動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)與列車車型、車速、聲屏障距線路中心線的距離、聲屏障結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)。

以橋梁直立型插板式金屬聲屏障單元板為例，《時(shí)速250公里、350公里高速鐵路橋梁插板式聲屏障安裝圖》(通環(huán)(2018)8323)設(shè)計(jì)參數(shù)中規(guī)定[4]：設(shè)計(jì)運(yùn)行速度250 km/h，列車氣動(dòng)風(fēng)壓值(正負(fù)壓)小于等于0.45 kN/m2，2.3 m高聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)為1.05、3.3 m高聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)為1.85；設(shè)計(jì)運(yùn)行速度350 km/h，列車氣動(dòng)風(fēng)壓值(正負(fù)壓)小于等于0.90 kN/m2，2.3 m高聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)為1.25、3.3 m高聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)為2.11。從安全性考慮，列車氣動(dòng)風(fēng)壓設(shè)計(jì)值大于實(shí)測的壓力峰值和吸力峰值，正負(fù)壓值取同值。

抗疲勞性能測試荷載幅值F按照公式（1）計(jì)算，即

式中：F為荷載幅值，kN；P為列車氣動(dòng)風(fēng)壓(取值見表1)，kN/m2；a為氣動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)(取值見表1)；S為聲屏障單元板受列車氣動(dòng)風(fēng)壓面積，m2。

表1 橋梁金屬聲屏障單元板抗疲勞性能測試荷載參數(shù)取值

3 鐵路聲屏障抗疲勞試驗(yàn)加載方式

3.1 疲勞試驗(yàn)機(jī)

為模擬聲屏障單元板實(shí)際抗疲勞工況，抗疲勞性能檢驗(yàn)采用電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)主要組成部件有伺服液壓源、伺服作動(dòng)器、試樣卡具、加載夾具、傳感器、控制系統(tǒng)等[6](見圖2)。試驗(yàn)機(jī)通過加載夾具對(duì)聲屏障單元板施加橫向推力和拉力，一推一拉循環(huán)為1 次，模擬聲屏障單元板承受的列車氣動(dòng)壓力和吸力橫向荷載。聲屏障單元板應(yīng)立式放置，模擬承受橫向力的實(shí)際工況。聲屏障單元板立式放置以保證承受試驗(yàn)機(jī)拉力和推力時(shí)不受單元板自重及夾具等自重影響。

圖2 電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)示意

3.2 試樣卡具及加載夾具

聲屏障試樣立式置于底座上，兩端由卡具(卡槽寬度可調(diào))固定，加載夾具的著力板緊貼試樣的面背板。電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)試樣加載夾具用于連接單元板試樣與伺服作動(dòng)器，夾具由試樣壓力板、著力板、固定螺桿等組成，卡具、夾具連接聲屏障板示意如圖3—圖5所示。

圖3 卡具、夾具連接聲屏障板示意(俯視)

圖4 卡具、夾具連接聲屏障板示意(正視)

圖5 卡具、夾具連接聲屏障板示意(側(cè)視)

壓力板與著力板材質(zhì)宜為鋼板，著力板邊緣距單元板上下邊緣宜為30 mm，左右邊緣宜為100 mm。單側(cè)著力板數(shù)量宜為4塊，間距宜為160 mm，對(duì)稱排列。著力板四周圓角，與試樣接觸面采用微弧面[5]。

夾具著力板之間的間距應(yīng)與聲屏障單元板試樣的厚度一致，聲屏障單元板試樣與兩端卡具之間的入槽深度不小于40 mm。對(duì)于金屬聲屏障單元板，兩端卡具的卡槽寬度應(yīng)比聲屏障單元板試樣的厚度大13 mm。

兩端的試樣卡具與鋼立柱安裝參數(shù)一致，加載夾具橫向加力，模擬聲屏障單元板受力實(shí)際工況。

鐵路金屬聲屏障單元板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度有140 mm和117 mm，研究后對(duì)應(yīng)的卡槽寬度、入槽深度、著力板間距如表2所示。

表2 金屬聲屏障單元板工裝參數(shù)取值

鐵路非金屬聲屏障單元板主要標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度為140 mm，研究后對(duì)應(yīng)的卡槽寬度、入槽深度和著力板間距分別為153 mm、≥40 mm和140 mm。對(duì)于其他厚度的聲屏障單元板，試樣卡具的卡槽寬度與聲屏障單元板設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)鋼柱的卡槽寬度一致，并采取一致的安裝固定方式及參數(shù)。

4 結(jié)束語

針對(duì)《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)抗疲勞性能有關(guān)規(guī)定，結(jié)合《時(shí)速250 公里、350 公里高速鐵路橋梁插板式聲屏障安裝圖》(通環(huán)(2018)8323)及《鐵路插板式金屬聲屏障 單元板通用要求》(Q/CR 759—2020)，明確了應(yīng)用于列車設(shè)計(jì)運(yùn)行速度200 km/h以上鐵路線上的插板式金屬聲屏障單元板和非金屬聲屏障單元板均應(yīng)進(jìn)行抗疲勞性能檢驗(yàn)；聲屏障單元板進(jìn)行抗疲勞性能檢驗(yàn)時(shí)，單元板應(yīng)立式放置，橫向加力，一推一拉循環(huán)為1 次，400 萬次正弦循環(huán)加載，荷載幅值取值應(yīng)滿足鐵路現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)及鐵路聲屏障通用參考圖等有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求；聲屏障單元板試樣兩端雙側(cè)板柱間橡膠墊和下部橡膠墊應(yīng)完整，試驗(yàn)機(jī)卡具及夾具涉及的卡槽寬度、入槽深度及著力板間距應(yīng)根據(jù)不同單元板的厚度及對(duì)應(yīng)的鋼立柱規(guī)格進(jìn)行取值。