铁路插板式声屏障单元板抗疲劳性能检验方法解析

水春雨，李 鹏，洪 蔚，刘 烁

（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）

铁路插板式声屏障单元板在服役期需承受数百万次的列车气动风压作用，声屏障单元板的抗疲劳性能是其力学性能中的一项重要指标。《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)中规定：列车设计运行速度200 km/h以上的铁路线上的声屏障声学构件应进行抗疲劳试验；按不同材质、运营流量和运行速度计算疲劳载荷，采用疲劳试验机在正弦循环载荷下、振动频率4 Hz、进行4×106次疲劳循环试验[1]。本文分析铁路插板式声屏障单元板疲劳试验荷载取值、加载方式等工况。

1 铁路声屏障单元板抗疲劳试验循环次数和振动频率

铁路插板式声屏障单元板抗疲劳性能试样应从吸声性能、隔声性能试验合格的试样中随机抽取1块[2]，声屏障单元板两端双侧板柱间橡胶垫和下部橡胶垫应完整。

铁路声屏障位于线路侧，列车通过时，产生的空气冲击波作用在铁路声屏障表面形成正负压力，对声屏障单元板产生压吸作用，每列车通过时产生2 次压吸作用(一压一吸循环为1 次)，压力峰值大于吸力峰值。列车气动风压示意[3]如图1所示。

图1 列车气动风压示意

《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)设计原则中提出“列车流量不大于210 对/日”[4]，对声屏障气动风压只考虑靠近声屏障侧的列车，即按每日210列车通过声屏障，每列车通过时产生2 次压吸作用，一压一吸循环为1次，25 年使用寿命，每年365 d，合计383.25 万次，考虑一定余量，取整为400万次。

根据现场实测结果，动车组列车分别以时速300 km 和350 km 通过声屏障时，对应的脉动风压频率分别为3.33 Hz、3.86 Hz[5]；同时相关资料显示[5]，列车脉动风压频率(f)与车厢长度(L)和运行速度(v)有相关性，即f=v/L，当车厢长度约25 m，车速300 km/h 和350 km/h 时，计算频率分别为3.33 Hz 和3.89 Hz，与现场实测结果基本吻合。因此，根据公式计算可得，列车以250～400 km/h通过声屏障时，脉动风压频率为2.8～4.4 Hz。模拟现场列车脉动风压频率实际工况，并考虑抗疲劳测试时间，将声屏障单元板抗疲劳试验振动频率定为4 Hz。

2 铁路声屏障单元板抗疲劳试验荷载

声屏障单元板承受的横向荷载主要有列车气动力荷载和自然风荷载，因自然风荷载为偶发，抗疲劳试验荷载取列车气动力荷载。

列车气动力与列车形状、运行速度、声屏障距线路中心线的距离和声屏障结构形式等因素有关。由于列车气动力可能引起声屏障自振，因而需考虑动力放大系数即气动力响应系数，气动力响应系数与列车车型、车速、声屏障距线路中心线的距离、声屏障结构形式等有关。

以桥梁直立型插板式金属声屏障单元板为例，《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)设计参数中规定[4]：设计运行速度250 km/h，列车气动风压值(正负压)小于等于0.45 kN/m2，2.3 m高声屏障结构动力响应系数为1.05、3.3 m高声屏障结构动力响应系数为1.85；设计运行速度350 km/h，列车气动风压值(正负压)小于等于0.90 kN/m2，2.3 m高声屏障结构动力响应系数为1.25、3.3 m高声屏障结构动力响应系数为2.11。从安全性考虑，列车气动风压设计值大于实测的压力峰值和吸力峰值，正负压值取同值。

抗疲劳性能测试荷载幅值F按照公式（1）计算，即

式中：F为荷载幅值，kN；P为列车气动风压(取值见表1)，kN/m2；a为气动力响应系数(取值见表1)；S为声屏障单元板受列车气动风压面积，m2。

表1 桥梁金属声屏障单元板抗疲劳性能测试荷载参数取值

3 铁路声屏障抗疲劳试验加载方式

3.1 疲劳试验机

为模拟声屏障单元板实际抗疲劳工况，抗疲劳性能检验采用电液伺服疲劳试验机。试验机主要组成部件有伺服液压源、伺服作动器、试样卡具、加载夹具、传感器、控制系统等[6](见图2)。试验机通过加载夹具对声屏障单元板施加横向推力和拉力，一推一拉循环为1 次，模拟声屏障单元板承受的列车气动压力和吸力横向荷载。声屏障单元板应立式放置，模拟承受横向力的实际工况。声屏障单元板立式放置以保证承受试验机拉力和推力时不受单元板自重及夹具等自重影响。

图2 电液伺服疲劳试验机示意

3.2 试样卡具及加载夹具

声屏障试样立式置于底座上，两端由卡具(卡槽宽度可调)固定，加载夹具的着力板紧贴试样的面背板。电液伺服疲劳试验机试样加载夹具用于连接单元板试样与伺服作动器，夹具由试样压力板、着力板、固定螺杆等组成，卡具、夹具连接声屏障板示意如图3—图5所示。

图3 卡具、夹具连接声屏障板示意(俯视)

图4 卡具、夹具连接声屏障板示意(正视)

图5 卡具、夹具连接声屏障板示意(侧视)

压力板与着力板材质宜为钢板，着力板边缘距单元板上下边缘宜为30 mm，左右边缘宜为100 mm。单侧着力板数量宜为4块，间距宜为160 mm，对称排列。着力板四周圆角，与试样接触面采用微弧面[5]。

夹具着力板之间的间距应与声屏障单元板试样的厚度一致，声屏障单元板试样与两端卡具之间的入槽深度不小于40 mm。对于金属声屏障单元板，两端卡具的卡槽宽度应比声屏障单元板试样的厚度大13 mm。

两端的试样卡具与钢立柱安装参数一致，加载夹具横向加力，模拟声屏障单元板受力实际工况。

铁路金属声屏障单元板标准规格厚度有140 mm和117 mm，研究后对应的卡槽宽度、入槽深度、着力板间距如表2所示。

表2 金属声屏障单元板工装参数取值

铁路非金属声屏障单元板主要标准规格厚度为140 mm，研究后对应的卡槽宽度、入槽深度和着力板间距分别为153 mm、≥40 mm和140 mm。对于其他厚度的声屏障单元板，试样卡具的卡槽宽度与声屏障单元板设计对应钢柱的卡槽宽度一致，并采取一致的安装固定方式及参数。

4 结束语

针对《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)抗疲劳性能有关规定，结合《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)及《铁路插板式金属声屏障 单元板通用要求》(Q/CR 759—2020)，明确了应用于列车设计运行速度200 km/h以上铁路线上的插板式金属声屏障单元板和非金属声屏障单元板均应进行抗疲劳性能检验；声屏障单元板进行抗疲劳性能检验时，单元板应立式放置，横向加力，一推一拉循环为1 次，400 万次正弦循环加载，荷载幅值取值应满足铁路现行标准及铁路声屏障通用参考图等有关技术规范要求；声屏障单元板试样两端双侧板柱间橡胶垫和下部橡胶垫应完整，试验机卡具及夹具涉及的卡槽宽度、入槽深度及着力板间距应根据不同单元板的厚度及对应的钢立柱规格进行取值。