高速铁路声屏障标准及其适用性分析

尹 皓，伍向阳，刘兰华，陆维姗

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京100081）

声屏障是减少高速铁路噪声影响的重要措施之一。高速铁路声屏障标准是高速铁路声屏障设计、检测和验收评判的重要技术依据。通过对我国现行高速铁路声屏障技术标准及其相关技术条件适用性进行总结分析,旨在为进一步完善铁路声屏障标准化体系、优化声屏障气动效应测试和评判参数及声屏障疲劳试验参数、研究声屏障结构疲劳状态评价方法等提供参考。

1 我国高速铁路声屏障技术标准

目前,我国现行的铁路声屏障相关标准规范主要包括《铁路声屏障工程设计规范》(TB 10505—2019)、《高速铁路(客运专线铁路)声屏障通用参考图》《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)和《铁路声屏障工程施工质量验收标准》(TB 10428—2012)等。

这些标准规范从铁路声屏障的设计,铁路声屏障声学构件的设计、制造及产品检验,声屏障工程施工的质量保证措施、验收方法、验收程序和质量标准等方面提出了明确的要求。其中,《铁路声屏障工程设计规范》(TB 10505—2019)对声屏障列车风荷载计算方法(详见规范5.2.4节)进行了相应规定,其规定的计算方法与《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)7.2.3节中规定的气动力计算方法一致。声屏障气动效应的评判主要依据是《高速铁路(客运专线铁路)声屏障通用参考图》等标准规范中的相关规定。目前我国铁路声屏障设计、检测和验收标准如表1所示。

表1 我国铁路声屏障设计、检测及验收标准

1.1 设计标准

《铁路声屏障工程设计规范》(TB 10505—2019)主要规定了适用范围、声屏障设计使用年限；声屏障设置位置、结构选型、基础类型等要求；声源等效频率、声源等效高度、声屏障设计目标值,以及声屏障设置长度、高度与插入损失等计算方法；声屏障声学构件、结构构件、连接构件的性能要求,统一了声屏障荷载及荷载组合计算公式,提出了相关参数取值,明确了声屏障结构计算、构造要求等技术规定；声屏障排水、安全疏散、综合接地等附属设施的技术要求；声屏障与路基、桥梁、接触网等接口设计要求。

我国现行铁路工程建设标准设计,对时速200 km、250 km和350 km高速铁路(客运专线铁路)发布了声屏障安装图(通用参考图),但尚无时速300 km和400 km高速铁路(客运专线铁路)声屏障安装图(通用参考图)。在声屏障安装图(通用参考图)中,对铁路声屏障所采用的混凝土,钢筋,H型钢,金属声屏障单元板,通透隔声板,螺栓、螺母和垫圈,橡胶垫、橡胶条、铝合金框内橡胶条、解耦装置(橡胶棒),吸音毡垫等提出了明确的性能要求；同时要求焊接材料应与主体金属力学性能相适应并应符合现行国家标准的规定。

1.2 检测标准

《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)规定了铁路声屏障声学构件术语、定义、技术性能要求及测试方法；适用于铁路声屏障声学构件的设计、制造及产品检验。在技术性能要求中,对铁路声屏障声学构件的声学性能、抗风压性能、抗疲劳性能、抗冲击性能、防火性能、防腐蚀性能、防水性能、外观及有机合成透明板性能等提出了要求。测试方法中,对前述各项性能要求给出了相应的试验室测试方法。

《铁路插板式金属声屏障单元板通用要求》(Q/CR 759—2020)规定了铁路插板式金属声屏障单元板的术语和定义、分类及代号、技术要求,适用于铁路插板式金属声屏障单元板。在技术要求相关条款中,5.1~5.9条对铁路插板式金属声屏障单元板设计使用年限、规格尺寸及极限偏差、预留接地等接口及安装互换性、上下左右侧板和支撑型材材质、单元板板材材质、单元板面板开孔率、面密度、单元板表面颜色及外观等做了规定；5.10~5.15条对铁路声屏障声学构件的声学性能、抗风压性能、抗疲劳性能、抗冲击性能、防腐蚀性能、防水性能等做了规定,与《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)中的相关规定基本一致。

《铁路插板式金属声屏障I型单元板》(Q/CR 760—2020)规定了铁路插板式金属声屏障I型单元板的术语和定义、分类及代号、一般要求、产品结构和尺寸偏差、主要部件及要求、性能要求、检验方法、检验规则、标志、包装、贮存和运输,适用于铁路插板式金属声屏障I型单元板。性能要求与《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)中的相关规定基本一致。

2 我国现行声屏障标准(规范)中相关技术条件适用性分析

2.1 声屏障设计标准(规范)

根据相关技术标准规定[1],开展高速铁路声屏障气动效应评判时,应主要对声屏障结构的最大变形(最大挠度)、共振效应(自振频率)和疲劳强度进行测试、分析和评判。在高速铁路声屏障安装图(通用参考图)中,一般给出了列车脉动(气动)风压值、动力响应系数和自振频率等设计参数。现以《时速250公里、350公里高速铁路桥梁插板式声屏障安装图》(通环(2018)8323)、《时速250公里、350公里高速铁路路基插板式声屏障安装图》(通环(2018)8325)为例予以说明。

2.1.1 声屏障主要设计参数和控制指标

2.1.1 .1桥梁声屏障

《时速250公里、350公里高速铁路桥梁插板式声屏障安装图》(通环(2018)8323)中给出的桥梁声屏障主要设计参数和控制指标如下。

（1）主要设计参数。设计运行速度为250 km/h和350 km/h时,列车气动风压值分别为≤0.45 kN/m2和≤0.90 kN/m2,声屏障结构动力响应系数如表2所示。

表2 动力响应系数

（2）声屏障主要控制指标。声屏障自振频率如表3所示；当结构高度或材料等发生改变时应重新计算。声屏障其他主要控制指标如表4所示。

表3 声屏障自振频率

表4 声屏障其他主要控制指标

2.1.1.2路基声屏障

《时速250公里、350公里高速铁路路基插板式声屏障安装图》(通环(2018)8325)中给出了路基声屏障主要设计参数和控制指标如下。

（1）主要设计参数。设计运行速度为250 km/h和350 km/h时,列车气动风压值分别为≤0.35 kN/m2和≤0.56 kN/m2,声屏障结构动力响应系数如表5所示。

表5 动力响应系数

（2）声屏障主要控制指标。声屏障自振频率如表6所示；当自振频率发生改变时应重新计算。声屏障其他主要控制指标如表7所示。

表6 声屏障自振频率

表7 声屏障其他主要控制指标

2.1.2 主要设计参数和控制指标适用性分析及注意事项

2.1.2 .1适用性分析

由上述声屏障主要设计参数和控制指标可见,列车气动风压值、动力响应系数和声屏障单元板抗风压性能等与动车组运行速度密切相关,但目前缺乏时速300 km和时速400 km高速铁路的设计参数和控制指标,需在相关测试分析成果的基础上尽快研究制定。

声屏障自振频率的相关规定和要求主要是为了防止声屏障发生共振现象。因此,无论是时速300 km高速铁路还是时速400 km高速铁路,声屏障自振(固有)频率远离动车组运行速度条件下脉动风压的激励频率即可(时速300~410 km/h时脉动风压激励频率为3.33~4.43 Hz)[2-4]。

无论是时速350 km高速铁路还是时速400 km高速铁路,均需满足声屏障单元板疲劳荷载和挠度的相关规定和要求,进行抗疲劳性能测试时的荷载值均需根据该运行速度条件下的列车气动风压值和动力响应系数等分析计算确定。

2.1.2 .2注意事项

需要特别注意的是,在高速铁路声屏障动变形评判中,现场试验测量中得到的动变形测量值并不是最不利荷载条件下的最大动变形值[2-3]。因此,需根据悬臂梁位移和气动荷载的关系,对所获得的试验结果通过公式（1）计算后再进行比较评判。

式中：Dumulc为最不利荷载条件下动变形值,mm；Dmea为动变形试验测量值,mm；Pmea为气动风压试验测量值,Pa；Pall为声屏障单元板抗风压性能限值要求,Pa；α为动力响应系数。α和Pall的具体数值根据声屏障高度和线路设计速度在相应的声屏障通用参考图确定。

以某高速铁路2.15 m高桥梁金属声屏障为例,测量其气动风压、H型钢立柱和声屏障单元板动变形[5],并根据公式（1）计算最不利荷载条件下动变形值,详细数据如表8所示。

由表8可知,最不利荷载条件下H型钢立柱和声屏障单元板动变形值是动变形实际测量值的4.7~6.1倍,虽仍低于H型钢立柱动变形值≤L/200(10.75 mm)、声屏障单元板动变形值≤L/100(19.60 mm)的设计限值要求,但最不利荷载条件下H型钢立柱最大动变形值已占设计限值要求的49.2%、声屏障单元板最大动变形值已占设计限值要求的64.5%。进一步考虑高速铁路声屏障结构在长期荷载作用下的劣化影响,其受力部件及约束部件承载能力将出现一定程度的下降[6],声屏障主要控制指标——最大动变形值的设计冗余问题需在开展声屏障设计时引起足够重视,应充分考虑声屏障整体结构在长期荷载作用下的劣化与控制要求,并在相关研究成果的基础上,研究声屏障结构疲劳状态评价方法。

表8 某高速铁路桥梁声屏障最不利荷载条件下动变形值计算结果

2.2 声屏障检测标准

《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)中的技术性能指标要求大多与高速铁路(客运专线铁路)设计速度无关,因而对于时速400 km高速铁路(客运专线铁路)声屏障仍基本适用。对于时速400 km声屏障构件(单元板)抗冲击性能、防火性能、防腐蚀性能、防水性能、有机合成透明板性能可大体参照《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)执行,但部分技术条件需加强,声学性能、抗风压性能、抗疲劳性能需开展相关研究后进行补充修改和完善。

（1）声学性能。需补充声屏障插入损失值相关规定和要求。结合相关课题开展时速400 km噪声特性、非稳态流场对声屏障降噪效果的影响、风致振动及轮轨激励振动对声屏障的影响等研究,在此基础上最终确定时速400 km高速铁路声屏障插入损失值。

（2）抗风压性能。需补充H型钢立柱抗风压性能要求。

（3）抗疲劳性能。需对疲劳试验检测平台和方法、声屏障疲劳试验的相关参数等进行修订完善。同时,服役试验测试结果表明：经过近10年的运营后,声屏障结构应力出现不同程度的下降,振动位移出现不同程度的增加,表明高速铁路声屏障受力部件和约束部件承载能力均出现不同程度的下降。因此,需对声屏障疲劳试验的相关参数进行进一步研究优化。

3 结论与建议

通过对我国高速铁路声屏障技术标准及其相关技术条件适用性的分析研究,得到以下结论。

（1）我国现行铁路声屏障工程设计文件,主要包括时速200 km、250 km和350 km高速铁路(客运专线铁路)声屏障通用参考图,目前无时速300 km、400 km高速铁路(客运专线铁路)声屏障通用参考图。声屏障结构的最大变形(最大挠度)、共振效应(自振频率)和疲劳强度是进行声屏障气动效应测试和评判的主要参数。抗疲劳性能测试时的荷载值应根据该运行速度条件下的列车气动风压值和动力响应系数等分析计算确定。

（2）现场试验测量中得到的动变形测量值应换算成最不利荷载条件下的最大动变形值,才能与声屏障结构动变形设计限值进行对比分析评判。开展声屏障设计时应充分考虑声屏障整体结构在长期荷载作用下的劣化与控制要求。对声屏障疲劳试验的相关参数应进行研究优化。

（3）建议进一步完善铁路声屏障标准化体系,优化声屏障气动效应测试和评判参数,研究声屏障结构疲劳状态评价方法等。