高速鐵路聲屏障抗風(fēng)壓性能測(cè)試系統(tǒng)研究

郭懷勇

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

隨著我國(guó)高速鐵路客運(yùn)專線的快速發(fā)展和環(huán)保要求的提高，聲屏障的使用量逐年增加，高速鐵路列車行駛速度快，對(duì)相關(guān)設(shè)施也提出了更高的要求。聲屏障除了具有隔吸聲功能外，對(duì)其安全性能應(yīng)加以關(guān)注，聲屏障的安全使用直接影響客運(yùn)專線的運(yùn)行安全。目前，鐵道部在設(shè)計(jì)方面，從技術(shù)先進(jìn)、安全可靠、簡(jiǎn)潔美觀、易于實(shí)施和提高結(jié)構(gòu)使用壽命等方面提出了時(shí)速250、350 km客運(yùn)專線路基及橋梁插板式聲屏障吸隔聲和安全性能要求。但是，對(duì)于聲屏障抗風(fēng)壓性能、抗沖擊性、抗疲勞性等涉及安全性能指標(biāo)，雖然《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件技術(shù)要求及測(cè)試方法》中已經(jīng)提出了相應(yīng)的試驗(yàn)檢測(cè)方法，但是在聲屏障單元和批量檢測(cè)中還不具體和規(guī)范，而目前上述指標(biāo)的檢測(cè)方法和儀器基本依照建材檢測(cè)方法和儀器，在實(shí)際檢測(cè)中與鐵路聲屏障有一定差異，需要建立適合于客運(yùn)專線聲屏障抗風(fēng)壓系統(tǒng)裝置及試件安裝方法。

1 抗風(fēng)壓性能測(cè)試系統(tǒng)裝置

聲屏障抗風(fēng)壓性能測(cè)試系統(tǒng)裝置包括動(dòng)力系統(tǒng)、自動(dòng)壓力控制裝置、靜壓箱、數(shù)據(jù)采集、分級(jí)指標(biāo)計(jì)算及軟件、控制柜、壓力和位移傳感器等。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮如下幾個(gè)方面的問(wèn)題:

(1)被測(cè)試件聲屏障單元的自重及尺寸大小、位移傳感器的位移均勻度、聲屏障單元板承受正反方向壓差、高速鐵路聲屏障實(shí)際脈動(dòng)風(fēng)壓及位移等。

(2)靜壓箱要滿足聲屏障整單元測(cè)試的要求。

(3)系統(tǒng)控制軟件既要符合聲屏障構(gòu)件基本參數(shù)要求，也要滿足測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求。

聲屏障構(gòu)件抗風(fēng)壓性能的測(cè)試裝置采用自動(dòng)或手動(dòng)兩種操作方式。當(dāng)選擇自動(dòng)控制方式時(shí)，壓力控制、數(shù)據(jù)采集、分級(jí)指標(biāo)計(jì)算、生成檢測(cè)報(bào)告和記錄過(guò)程。當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)，檢測(cè)人員根據(jù)檢測(cè)需要靈活控制。

2 主要技術(shù)參數(shù)

聲屏障的荷載主要有自重、列車脈動(dòng)荷載、風(fēng)荷載以及地震荷載。其中，列車的脈動(dòng)荷載影響顯著，列車經(jīng)過(guò)時(shí)聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)荷載會(huì)上升。由于聲屏障距離軌道較近(距線路中心線3 423 mm)，會(huì)承受很大的列車脈動(dòng)風(fēng)荷載?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，350 km/h高鐵聲屏障所承受的脈動(dòng)風(fēng)壓最大值不超過(guò)700 N/m2，平均位移在1.27 mm范圍內(nèi)，動(dòng)車組以300 km/h和350 km/h速度通過(guò)聲屏障時(shí)，脈動(dòng)風(fēng)壓主頻為3.33～3.85 Hz，隨速度的增加而變高。

《時(shí)速350 km客運(yùn)專線鐵路橋梁插板式金屬聲屏障》通環(huán)(2009)8323聲屏障設(shè)計(jì)荷載中，荷載組合:恒載 +列車脈動(dòng)力 +風(fēng)荷載，實(shí)際350 km/h高鐵聲屏障荷載組合要遠(yuǎn)小于4 000 Pa。時(shí)速250 km、350 km客運(yùn)專線鐵路橋梁、路基插板式金屬、非金屬聲屏障設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和聲屏障聲學(xué)構(gòu)件技術(shù)要求規(guī)定的抗風(fēng)壓性能測(cè)試風(fēng)壓±4 000 Pa，最大彈性撓度金屬聲屏障≤LA/100，非金屬聲屏障≤L/200，殘余變形≤LA/500，能夠確保聲屏障安全使用。檢測(cè)設(shè)備在考慮一定余量的基礎(chǔ)上，主要技術(shù)參數(shù)如下:

風(fēng)壓控制范圍:±7 000 Pa

風(fēng)壓測(cè)試精度:0.25%

風(fēng)壓控制精度:≤控制目標(biāo)壓力的±5%

試驗(yàn)機(jī)占地面積40 m2，工裝高度4 m。

3 測(cè)試系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

研究改進(jìn)的聲屏障抗風(fēng)壓測(cè)試系統(tǒng)由動(dòng)力系統(tǒng)、靜壓箱、測(cè)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集(傳感器)等構(gòu)成。

3.1 動(dòng)力系統(tǒng)

供壓裝置采用1臺(tái)GTC-1型離心機(jī)，此外還包括氣動(dòng)切換閥和漏氣閥。

離心機(jī):功率18.5 kW，全壓10 000 Pa，轉(zhuǎn)速2 970 r/min。

氣動(dòng)切換閥:當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，通過(guò)控制兩個(gè)氣動(dòng)切換閥的開關(guān)狀態(tài)，形成所需的壓力脈沖。

漏氣閥:用于穩(wěn)定靜壓箱中的壓力。

3.2 靜壓箱

靜壓箱:3030型:3 606 mm×1 040 mm× 3 550 mm(長(zhǎng) ×寬 ×高)。箱體大小可調(diào)方便試件裝卡，同時(shí)保證整個(gè)箱體及箱體和試件之間連接部分的密封性能。見(jiàn)圖1。

3.3 測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試系統(tǒng)包括差壓傳感器和測(cè)量控制軟件，差壓傳感器用于測(cè)量靜壓箱內(nèi)外壓差，差壓傳感器量程為－12 000 Pa，精度2.5級(jí)。數(shù)據(jù)采集卡插在計(jì)算機(jī)箱內(nèi)，作用是采集各個(gè)傳感器的電壓信號(hào)，輸出數(shù)字量信號(hào)控制強(qiáng)電繼電器，輸出模擬信號(hào)控制調(diào)壓四聯(lián)閥的開度。

測(cè)量控制軟件通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡和整個(gè)設(shè)備進(jìn)行交互，可以采集處理數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，后期進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和檢驗(yàn)報(bào)告、原始記錄的編寫、打印。

圖1 抗風(fēng)壓靜壓箱

軟件部分主要實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的自動(dòng)控制、檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等功能。軟件界面由菜單欄、工具欄、控制板、檢測(cè)窗口、檢測(cè)設(shè)定窗口、狀態(tài)欄、結(jié)果評(píng)定窗口等組成，操作簡(jiǎn)單、方便，符合常規(guī)。為了滿足聲屏障產(chǎn)品檢測(cè)的要求，測(cè)量控制軟件增加了軟件高級(jí)功能:

(1)傳感器標(biāo)定

為了使檢測(cè)設(shè)備始終處于良好狀態(tài)，滿足計(jì)量檢定要求，增加了傳感器標(biāo)定功能?？墒褂昧繅K、標(biāo)準(zhǔn)壓力源或標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速源在傳感器端施加標(biāo)準(zhǔn)物理量，通過(guò)系統(tǒng)控制步驟進(jìn)行標(biāo)定，系統(tǒng)自動(dòng)選擇標(biāo)定點(diǎn)，直到所有使用量程內(nèi)達(dá)到精度要求。

(2)原始記錄模板制作

軟件提供了一種格式的原始記錄，根據(jù)檢測(cè)內(nèi)容對(duì)格式的特殊要求可自行制作。見(jiàn)表1。

(3)窗體布局

此功能可以根據(jù)不同檢測(cè)產(chǎn)品的實(shí)際需求，設(shè)定＜檢測(cè)設(shè)定＞窗口的布局、文本框或列表框轉(zhuǎn)換、標(biāo)題及文本顏色等。見(jiàn)圖2。

(4)手動(dòng)控制

使用手動(dòng)控制面板可以控制全部外部設(shè)備的動(dòng)作，使用本窗口可以進(jìn)行非標(biāo)試驗(yàn)，還可以檢測(cè)外部設(shè)備是否正常。

4 試件的安裝

4.1 傳感器安裝

位移傳感器宜安裝在構(gòu)件的支撐處和較大位移處，測(cè)點(diǎn)布置注意中間位移傳感器應(yīng)在兩端位移傳感器的中點(diǎn)。見(jiàn)圖3，位移傳感器應(yīng)裝在單元板垂直方向中間位置。兩端的位移傳感器應(yīng)靠近支承點(diǎn)L=(1 630±5)mm。

表1 抗風(fēng)壓性能檢測(cè)原始記錄

圖2 測(cè)試窗體

圖3 聲屏障測(cè)點(diǎn)分布示意圖

4.2 試件的安裝

聲屏障抗風(fēng)壓測(cè)試是以現(xiàn)場(chǎng)一個(gè)聲屏障單元進(jìn)行整體測(cè)試，這樣更符合客運(yùn)專線的實(shí)際抗風(fēng)壓情況。在測(cè)試設(shè)備上組裝聲屏障單元板，安裝方向和受力狀況和實(shí)際相符。但是為了保證更好的氣密性，上下單元板可面板向外安裝，這也符合《建筑幕墻氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測(cè)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求。聲屏障單元板的安裝數(shù)量與現(xiàn)場(chǎng)聲屏障單元的數(shù)量相一致，安裝方式也與實(shí)際相同。試件安裝完畢，通過(guò)頂部和正面固定夾具使聲屏障單元與箱體緊密結(jié)合，通過(guò)檢查門檢測(cè)各部位氣密性，檢測(cè)前應(yīng)將安裝試件進(jìn)行密封處理，保證氣密性良好，確保箱體壓力達(dá)到±4 000 Pa。

5 抗風(fēng)壓試驗(yàn)檢測(cè)方法

聲屏障抗風(fēng)壓性能測(cè)試，按照 GB/T3122—2010《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件技術(shù)要求及測(cè)試方法》，主要參照 GB/T15227—2007《建筑幕墻氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測(cè)方法》。但在具體測(cè)試中又有一定區(qū)別，主要有:

(1)建筑幕墻為整件測(cè)試，聲屏障為單元板組裝測(cè)試。

(2)建筑幕墻氣密、水密、抗風(fēng)壓性能同時(shí)測(cè)試，聲屏障只測(cè)抗風(fēng)壓性能。

(3)建筑幕墻結(jié)構(gòu)、材質(zhì)固定，聲屏障結(jié)構(gòu)、材質(zhì)不固定(金屬、非金屬)。

(4)風(fēng)壓強(qiáng)度、位移傳感器設(shè)置等也有一定的差別。

由于上述差異，聲屏障抗風(fēng)壓性能測(cè)試系統(tǒng)的靜壓箱、系統(tǒng)測(cè)試軟件、傳感器設(shè)置、試件安裝要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)整，滿足聲屏障抗風(fēng)壓性能檢測(cè)需要。

編制完成了《KBX－LH型聲屏障抗風(fēng)壓機(jī)操作規(guī)程》。使聲屏障安全性能試驗(yàn)檢測(cè)更加規(guī)范，滿足試驗(yàn)檢測(cè)的要求。

6 結(jié)論

按照研究建立的高速鐵路聲屏障抗風(fēng)壓性能系統(tǒng)裝置及試件安裝方法，對(duì)不同型號(hào)、不同批次的金屬、非金屬聲屏障的大量試驗(yàn)測(cè)試，表明測(cè)試系統(tǒng)在抗風(fēng)壓性能測(cè)試中適用于時(shí)速 250、350 km路基、橋梁插板式聲屏障檢測(cè)要求，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證聲屏障單元測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。