高速鐵路聲屏障標(biāo)準(zhǔn)及其適用性分析

尹 皓，伍向陽，劉蘭華，陸維姍

（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）

聲屏障是減少高速鐵路噪聲影響的重要措施之一。高速鐵路聲屏障標(biāo)準(zhǔn)是高速鐵路聲屏障設(shè)計(jì)、檢測和驗(yàn)收評判的重要技術(shù)依據(jù)。通過對我國現(xiàn)行高速鐵路聲屏障技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)技術(shù)條件適用性進(jìn)行總結(jié)分析,旨在為進(jìn)一步完善鐵路聲屏障標(biāo)準(zhǔn)化體系、優(yōu)化聲屏障氣動效應(yīng)測試和評判參數(shù)及聲屏障疲勞試驗(yàn)參數(shù)、研究聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)評價方法等提供參考。

1 我國高速鐵路聲屏障技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前,我國現(xiàn)行的鐵路聲屏障相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范主要包括《鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10505—2019)、《高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障通用參考圖》《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)和《鐵路聲屏障工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》(TB 10428—2012)等。

這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范從鐵路聲屏障的設(shè)計(jì),鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造及產(chǎn)品檢驗(yàn),聲屏障工程施工的質(zhì)量保證措施、驗(yàn)收方法、驗(yàn)收程序和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等方面提出了明確的要求。其中,《鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10505—2019)對聲屏障列車風(fēng)荷載計(jì)算方法(詳見規(guī)范5.2.4節(jié))進(jìn)行了相應(yīng)規(guī)定,其規(guī)定的計(jì)算方法與《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10621—2014)7.2.3節(jié)中規(guī)定的氣動力計(jì)算方法一致。聲屏障氣動效應(yīng)的評判主要依據(jù)是《高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障通用參考圖》等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定。目前我國鐵路聲屏障設(shè)計(jì)、檢測和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 我國鐵路聲屏障設(shè)計(jì)、檢測及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

1.1 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10505—2019)主要規(guī)定了適用范圍、聲屏障設(shè)計(jì)使用年限；聲屏障設(shè)置位置、結(jié)構(gòu)選型、基礎(chǔ)類型等要求；聲源等效頻率、聲源等效高度、聲屏障設(shè)計(jì)目標(biāo)值,以及聲屏障設(shè)置長度、高度與插入損失等計(jì)算方法；聲屏障聲學(xué)構(gòu)件、結(jié)構(gòu)構(gòu)件、連接構(gòu)件的性能要求,統(tǒng)一了聲屏障荷載及荷載組合計(jì)算公式,提出了相關(guān)參數(shù)取值,明確了聲屏障結(jié)構(gòu)計(jì)算、構(gòu)造要求等技術(shù)規(guī)定；聲屏障排水、安全疏散、綜合接地等附屬設(shè)施的技術(shù)要求；聲屏障與路基、橋梁、接觸網(wǎng)等接口設(shè)計(jì)要求。

我國現(xiàn)行鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),對時速200 km、250 km和350 km高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)發(fā)布了聲屏障安裝圖(通用參考圖),但尚無時速300 km和400 km高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障安裝圖(通用參考圖)。在聲屏障安裝圖(通用參考圖)中,對鐵路聲屏障所采用的混凝土,鋼筋,H型鋼,金屬聲屏障單元板,通透隔聲板,螺栓、螺母和墊圈,橡膠墊、橡膠條、鋁合金框內(nèi)橡膠條、解耦裝置(橡膠棒),吸音氈墊等提出了明確的性能要求；同時要求焊接材料應(yīng)與主體金屬力學(xué)性能相適應(yīng)并應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1.2 檢測標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)規(guī)定了鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件術(shù)語、定義、技術(shù)性能要求及測試方法；適用于鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的設(shè)計(jì)、制造及產(chǎn)品檢驗(yàn)。在技術(shù)性能要求中,對鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的聲學(xué)性能、抗風(fēng)壓性能、抗疲勞性能、抗沖擊性能、防火性能、防腐蝕性能、防水性能、外觀及有機(jī)合成透明板性能等提出了要求。測試方法中,對前述各項(xiàng)性能要求給出了相應(yīng)的試驗(yàn)室測試方法。

《鐵路插板式金屬聲屏障單元板通用要求》(Q/CR 759—2020)規(guī)定了鐵路插板式金屬聲屏障單元板的術(shù)語和定義、分類及代號、技術(shù)要求,適用于鐵路插板式金屬聲屏障單元板。在技術(shù)要求相關(guān)條款中,5.1~5.9條對鐵路插板式金屬聲屏障單元板設(shè)計(jì)使用年限、規(guī)格尺寸及極限偏差、預(yù)留接地等接口及安裝互換性、上下左右側(cè)板和支撐型材材質(zhì)、單元板板材材質(zhì)、單元板面板開孔率、面密度、單元板表面顏色及外觀等做了規(guī)定；5.10~5.15條對鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件的聲學(xué)性能、抗風(fēng)壓性能、抗疲勞性能、抗沖擊性能、防腐蝕性能、防水性能等做了規(guī)定,與《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)中的相關(guān)規(guī)定基本一致。

《鐵路插板式金屬聲屏障I型單元板》(Q/CR 760—2020)規(guī)定了鐵路插板式金屬聲屏障I型單元板的術(shù)語和定義、分類及代號、一般要求、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和尺寸偏差、主要部件及要求、性能要求、檢驗(yàn)方法、檢驗(yàn)規(guī)則、標(biāo)志、包裝、貯存和運(yùn)輸,適用于鐵路插板式金屬聲屏障I型單元板。性能要求與《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)中的相關(guān)規(guī)定基本一致。

2 我國現(xiàn)行聲屏障標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范)中相關(guān)技術(shù)條件適用性分析

2.1 聲屏障設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)(規(guī)范)

根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1],開展高速鐵路聲屏障氣動效應(yīng)評判時,應(yīng)主要對聲屏障結(jié)構(gòu)的最大變形(最大撓度)、共振效應(yīng)(自振頻率)和疲勞強(qiáng)度進(jìn)行測試、分析和評判。在高速鐵路聲屏障安裝圖(通用參考圖)中,一般給出了列車脈動(氣動)風(fēng)壓值、動力響應(yīng)系數(shù)和自振頻率等設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)以《時速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)、《時速250公里、350公里高速鐵路路基插板式聲屏障安裝圖》(通環(huán)(2018)8325)為例予以說明。

2.1.1 聲屏障主要設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo)

2.1.1 .1橋梁聲屏障

《時速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)中給出的橋梁聲屏障主要設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo)如下。

（1）主要設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為250 km/h和350 km/h時,列車氣動風(fēng)壓值分別為≤0.45 kN/m2和≤0.90 kN/m2,聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)系數(shù)如表2所示。

表2 動力響應(yīng)系數(shù)

（2）聲屏障主要控制指標(biāo)。聲屏障自振頻率如表3所示；當(dāng)結(jié)構(gòu)高度或材料等發(fā)生改變時應(yīng)重新計(jì)算。聲屏障其他主要控制指標(biāo)如表4所示。

表3 聲屏障自振頻率

表4 聲屏障其他主要控制指標(biāo)

2.1.1.2路基聲屏障

《時速250公里、350公里高速鐵路路基插板式聲屏障安裝圖》(通環(huán)(2018)8325)中給出了路基聲屏障主要設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo)如下。

（1）主要設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)運(yùn)行速度為250 km/h和350 km/h時,列車氣動風(fēng)壓值分別為≤0.35 kN/m2和≤0.56 kN/m2,聲屏障結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)系數(shù)如表5所示。

表5 動力響應(yīng)系數(shù)

（2）聲屏障主要控制指標(biāo)。聲屏障自振頻率如表6所示；當(dāng)自振頻率發(fā)生改變時應(yīng)重新計(jì)算。聲屏障其他主要控制指標(biāo)如表7所示。

表6 聲屏障自振頻率

表7 聲屏障其他主要控制指標(biāo)

2.1.2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo)適用性分析及注意事項(xiàng)

2.1.2 .1適用性分析

由上述聲屏障主要設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo)可見,列車氣動風(fēng)壓值、動力響應(yīng)系數(shù)和聲屏障單元板抗風(fēng)壓性能等與動車組運(yùn)行速度密切相關(guān),但目前缺乏時速300 km和時速400 km高速鐵路的設(shè)計(jì)參數(shù)和控制指標(biāo),需在相關(guān)測試分析成果的基礎(chǔ)上盡快研究制定。

聲屏障自振頻率的相關(guān)規(guī)定和要求主要是為了防止聲屏障發(fā)生共振現(xiàn)象。因此,無論是時速300 km高速鐵路還是時速400 km高速鐵路,聲屏障自振(固有)頻率遠(yuǎn)離動車組運(yùn)行速度條件下脈動風(fēng)壓的激勵頻率即可(時速300~410 km/h時脈動風(fēng)壓激勵頻率為3.33~4.43 Hz)[2-4]。

無論是時速350 km高速鐵路還是時速400 km高速鐵路,均需滿足聲屏障單元板疲勞荷載和撓度的相關(guān)規(guī)定和要求,進(jìn)行抗疲勞性能測試時的荷載值均需根據(jù)該運(yùn)行速度條件下的列車氣動風(fēng)壓值和動力響應(yīng)系數(shù)等分析計(jì)算確定。

2.1.2 .2注意事項(xiàng)

需要特別注意的是,在高速鐵路聲屏障動變形評判中,現(xiàn)場試驗(yàn)測量中得到的動變形測量值并不是最不利荷載條件下的最大動變形值[2-3]。因此,需根據(jù)懸臂梁位移和氣動荷載的關(guān)系,對所獲得的試驗(yàn)結(jié)果通過公式（1）計(jì)算后再進(jìn)行比較評判。

式中：Dumulc為最不利荷載條件下動變形值,mm；Dmea為動變形試驗(yàn)測量值,mm；Pmea為氣動風(fēng)壓試驗(yàn)測量值,Pa；Pall為聲屏障單元板抗風(fēng)壓性能限值要求,Pa；α為動力響應(yīng)系數(shù)。α和Pall的具體數(shù)值根據(jù)聲屏障高度和線路設(shè)計(jì)速度在相應(yīng)的聲屏障通用參考圖確定。

以某高速鐵路2.15 m高橋梁金屬聲屏障為例,測量其氣動風(fēng)壓、H型鋼立柱和聲屏障單元板動變形[5],并根據(jù)公式（1）計(jì)算最不利荷載條件下動變形值,詳細(xì)數(shù)據(jù)如表8所示。

由表8可知,最不利荷載條件下H型鋼立柱和聲屏障單元板動變形值是動變形實(shí)際測量值的4.7~6.1倍,雖仍低于H型鋼立柱動變形值≤L/200(10.75 mm)、聲屏障單元板動變形值≤L/100(19.60 mm)的設(shè)計(jì)限值要求,但最不利荷載條件下H型鋼立柱最大動變形值已占設(shè)計(jì)限值要求的49.2%、聲屏障單元板最大動變形值已占設(shè)計(jì)限值要求的64.5%。進(jìn)一步考慮高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的劣化影響,其受力部件及約束部件承載能力將出現(xiàn)一定程度的下降[6],聲屏障主要控制指標(biāo)——最大動變形值的設(shè)計(jì)冗余問題需在開展聲屏障設(shè)計(jì)時引起足夠重視,應(yīng)充分考慮聲屏障整體結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的劣化與控制要求,并在相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,研究聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)評價方法。

表8 某高速鐵路橋梁聲屏障最不利荷載條件下動變形值計(jì)算結(jié)果

2.2 聲屏障檢測標(biāo)準(zhǔn)

《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)中的技術(shù)性能指標(biāo)要求大多與高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)設(shè)計(jì)速度無關(guān),因而對于時速400 km高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障仍基本適用。對于時速400 km聲屏障構(gòu)件(單元板)抗沖擊性能、防火性能、防腐蝕性能、防水性能、有機(jī)合成透明板性能可大體參照《鐵路聲屏障聲學(xué)構(gòu)件》(TB/T 3122—2019)執(zhí)行,但部分技術(shù)條件需加強(qiáng),聲學(xué)性能、抗風(fēng)壓性能、抗疲勞性能需開展相關(guān)研究后進(jìn)行補(bǔ)充修改和完善。

（1）聲學(xué)性能。需補(bǔ)充聲屏障插入損失值相關(guān)規(guī)定和要求。結(jié)合相關(guān)課題開展時速400 km噪聲特性、非穩(wěn)態(tài)流場對聲屏障降噪效果的影響、風(fēng)致振動及輪軌激勵振動對聲屏障的影響等研究,在此基礎(chǔ)上最終確定時速400 km高速鐵路聲屏障插入損失值。

（2）抗風(fēng)壓性能。需補(bǔ)充H型鋼立柱抗風(fēng)壓性能要求。

（3）抗疲勞性能。需對疲勞試驗(yàn)檢測平臺和方法、聲屏障疲勞試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行修訂完善。同時,服役試驗(yàn)測試結(jié)果表明：經(jīng)過近10年的運(yùn)營后,聲屏障結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的下降,振動位移出現(xiàn)不同程度的增加,表明高速鐵路聲屏障受力部件和約束部件承載能力均出現(xiàn)不同程度的下降。因此,需對聲屏障疲勞試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究優(yōu)化。

3 結(jié)論與建議

通過對我國高速鐵路聲屏障技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)技術(shù)條件適用性的分析研究,得到以下結(jié)論。

（1）我國現(xiàn)行鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)文件,主要包括時速200 km、250 km和350 km高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障通用參考圖,目前無時速300 km、400 km高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障通用參考圖。聲屏障結(jié)構(gòu)的最大變形(最大撓度)、共振效應(yīng)(自振頻率)和疲勞強(qiáng)度是進(jìn)行聲屏障氣動效應(yīng)測試和評判的主要參數(shù)?？蛊谛阅軠y試時的荷載值應(yīng)根據(jù)該運(yùn)行速度條件下的列車氣動風(fēng)壓值和動力響應(yīng)系數(shù)等分析計(jì)算確定。

（2）現(xiàn)場試驗(yàn)測量中得到的動變形測量值應(yīng)換算成最不利荷載條件下的最大動變形值,才能與聲屏障結(jié)構(gòu)動變形設(shè)計(jì)限值進(jìn)行對比分析評判。開展聲屏障設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮聲屏障整體結(jié)構(gòu)在長期荷載作用下的劣化與控制要求。對聲屏障疲勞試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行研究優(yōu)化。

（3）建議進(jìn)一步完善鐵路聲屏障標(biāo)準(zhǔn)化體系,優(yōu)化聲屏障氣動效應(yīng)測試和評判參數(shù),研究聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)評價方法等。