高速铁路声屏障抗风压性能测试系统研究

郭怀勇

(中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

随着我国高速铁路客运专线的快速发展和环保要求的提高，声屏障的使用量逐年增加，高速铁路列车行驶速度快，对相关设施也提出了更高的要求。声屏障除了具有隔吸声功能外，对其安全性能应加以关注，声屏障的安全使用直接影响客运专线的运行安全。目前，铁道部在设计方面，从技术先进、安全可靠、简洁美观、易于实施和提高结构使用寿命等方面提出了时速250、350 km客运专线路基及桥梁插板式声屏障吸隔声和安全性能要求。但是，对于声屏障抗风压性能、抗冲击性、抗疲劳性等涉及安全性能指标，虽然《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》中已经提出了相应的试验检测方法，但是在声屏障单元和批量检测中还不具体和规范，而目前上述指标的检测方法和仪器基本依照建材检测方法和仪器，在实际检测中与铁路声屏障有一定差异，需要建立适合于客运专线声屏障抗风压系统装置及试件安装方法。

1 抗风压性能测试系统装置

声屏障抗风压性能测试系统装置包括动力系统、自动压力控制装置、静压箱、数据采集、分级指标计算及软件、控制柜、压力和位移传感器等。

在系统设计中重点考虑如下几个方面的问题:

(1)被测试件声屏障单元的自重及尺寸大小、位移传感器的位移均匀度、声屏障单元板承受正反方向压差、高速铁路声屏障实际脉动风压及位移等。

(2)静压箱要满足声屏障整单元测试的要求。

(3)系统控制软件既要符合声屏障构件基本参数要求，也要满足测试标准要求。

声屏障构件抗风压性能的测试装置采用自动或手动两种操作方式。当选择自动控制方式时，压力控制、数据采集、分级指标计算、生成检测报告和记录过程。当选择手动控制时，检测人员根据检测需要灵活控制。

2 主要技术参数

声屏障的荷载主要有自重、列车脉动荷载、风荷载以及地震荷载。其中，列车的脉动荷载影响显著，列车经过时声屏障的脉动风荷载会上升。由于声屏障距离轨道较近(距线路中心线3 423 mm)，会承受很大的列车脉动风荷载。现场试验表明，350 km/h高铁声屏障所承受的脉动风压最大值不超过700 N/m2，平均位移在1.27 mm范围内，动车组以300 km/h和350 km/h速度通过声屏障时，脉动风压主频为3.33～3.85 Hz，随速度的增加而变高。

《时速350 km客运专线铁路桥梁插板式金属声屏障》通环(2009)8323声屏障设计荷载中，荷载组合:恒载 +列车脉动力 +风荷载，实际350 km/h高铁声屏障荷载组合要远小于4 000 Pa。时速250 km、350 km客运专线铁路桥梁、路基插板式金属、非金属声屏障设计标准和声屏障声学构件技术要求规定的抗风压性能测试风压±4 000 Pa，最大弹性挠度金属声屏障≤LA/100，非金属声屏障≤L/200，残余变形≤LA/500，能够确保声屏障安全使用。检测设备在考虑一定余量的基础上，主要技术参数如下:

风压控制范围:±7 000 Pa

风压测试精度:0.25%

风压控制精度:≤控制目标压力的±5%

试验机占地面积40 m2，工装高度4 m。

3 测试系统组成及特点

研究改进的声屏障抗风压测试系统由动力系统、静压箱、测控系统、数据采集(传感器)等构成。

3.1 动力系统

供压装置采用1台GTC-1型离心机，此外还包括气动切换阀和漏气阀。

离心机:功率18.5 kW，全压10 000 Pa，转速2 970 r/min。

气动切换阀:当系统压力达到设定值时，通过控制两个气动切换阀的开关状态，形成所需的压力脉冲。

漏气阀:用于稳定静压箱中的压力。

3.2 静压箱

静压箱:3030型:3 606 mm×1 040 mm× 3 550 mm(长 ×宽 ×高)。箱体大小可调方便试件装卡，同时保证整个箱体及箱体和试件之间连接部分的密封性能。见图1。

3.3 测试系统

测试系统包括差压传感器和测量控制软件，差压传感器用于测量静压箱内外压差，差压传感器量程为－12 000 Pa，精度2.5级。数据采集卡插在计算机箱内，作用是采集各个传感器的电压信号，输出数字量信号控制强电继电器，输出模拟信号控制调压四联阀的开度。

测量控制软件通过数据采集卡和整个设备进行交互，可以采集处理数据，根据数据进行控制，后期进行数据处理和检验报告、原始记录的编写、打印。

图1 抗风压静压箱

软件部分主要实现外围设备的自动控制、检测、数据采集、数据处理等功能。软件界面由菜单栏、工具栏、控制板、检测窗口、检测设定窗口、状态栏、结果评定窗口等组成，操作简单、方便，符合常规。为了满足声屏障产品检测的要求，测量控制软件增加了软件高级功能:

(1)传感器标定

为了使检测设备始终处于良好状态，满足计量检定要求，增加了传感器标定功能。可使用量块、标准压力源或标准风速源在传感器端施加标准物理量，通过系统控制步骤进行标定，系统自动选择标定点，直到所有使用量程内达到精度要求。

(2)原始记录模板制作

软件提供了一种格式的原始记录，根据检测内容对格式的特殊要求可自行制作。见表1。

(3)窗体布局

此功能可以根据不同检测产品的实际需求，设定＜检测设定＞窗口的布局、文本框或列表框转换、标题及文本颜色等。见图2。

(4)手动控制

使用手动控制面板可以控制全部外部设备的动作，使用本窗口可以进行非标试验，还可以检测外部设备是否正常。

4 试件的安装

4.1 传感器安装

位移传感器宜安装在构件的支撑处和较大位移处，测点布置注意中间位移传感器应在两端位移传感器的中点。见图3，位移传感器应装在单元板垂直方向中间位置。两端的位移传感器应靠近支承点L=(1 630±5)mm。

表1 抗风压性能检测原始记录

图2 测试窗体

图3 声屏障测点分布示意图

4.2 试件的安装

声屏障抗风压测试是以现场一个声屏障单元进行整体测试，这样更符合客运专线的实际抗风压情况。在测试设备上组装声屏障单元板，安装方向和受力状况和实际相符。但是为了保证更好的气密性，上下单元板可面板向外安装，这也符合《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》标准要求。声屏障单元板的安装数量与现场声屏障单元的数量相一致，安装方式也与实际相同。试件安装完毕，通过顶部和正面固定夹具使声屏障单元与箱体紧密结合，通过检查门检测各部位气密性，检测前应将安装试件进行密封处理，保证气密性良好，确保箱体压力达到±4 000 Pa。

5 抗风压试验检测方法

声屏障抗风压性能测试，按照 GB/T3122—2010《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》，主要参照 GB/T15227—2007《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》。但在具体测试中又有一定区别，主要有:

(1)建筑幕墙为整件测试，声屏障为单元板组装测试。

(2)建筑幕墙气密、水密、抗风压性能同时测试，声屏障只测抗风压性能。

(3)建筑幕墙结构、材质固定，声屏障结构、材质不固定(金属、非金属)。

(4)风压强度、位移传感器设置等也有一定的差别。

由于上述差异，声屏障抗风压性能测试系统的静压箱、系统测试软件、传感器设置、试件安装要根据实际情况进行设计和调整，满足声屏障抗风压性能检测需要。

编制完成了《KBX－LH型声屏障抗风压机操作规程》。使声屏障安全性能试验检测更加规范，满足试验检测的要求。

6 结论

按照研究建立的高速铁路声屏障抗风压性能系统装置及试件安装方法，对不同型号、不同批次的金属、非金属声屏障的大量试验测试，表明测试系统在抗风压性能测试中适用于时速 250、350 km路基、桥梁插板式声屏障检测要求，经试验验证声屏障单元测试结果的准确性达到标准要求。