尹 皓，伍向陽(yáng)，劉蘭華，陸維姍

（中國(guó)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(cè)和驗(yàn)收評(píng)判的重要技術(shù)依據(jù)。通過(guò)對(duì)我國(guó)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(dòng)效應(yīng)測(cè)試和評(píng)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(píng)價(jià)方法等提供參考。

1 我國(guó)高速鐵路聲屏障技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

目前,我國(guó)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(duì)聲屏障列車風(fēng)荷載計(jì)算方法(詳見(jiàn)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(dòng)力計(jì)算方法一致。聲屏障氣動(dòng)效應(yīng)的評(píng)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(guó)鐵路聲屏障設(shè)計(jì)、檢測(cè)和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 我國(guó)鐵路聲屏障設(shè)計(jì)、檢測(cè)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(zhǎng)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(guó)現(xiàn)行鐵路工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),對(duì)時(shí)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(wú)時(shí)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(duì)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(shí)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

1.2 檢測(cè)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(yǔ)、定義、技術(shù)性能要求及測(cè)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(duì)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(cè)試方法中,對(duì)前述各項(xiàng)性能要求給出了相應(yīng)的試驗(yàn)室測(cè)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(yǔ)和定義、分類及代號(hào)、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(duì)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(kāi)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(duì)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(yǔ)和定義、分類及代號(hào)、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(guó)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(kāi)展高速鐵路聲屏障氣動(dòng)效應(yīng)評(píng)判時(shí),應(yīng)主要對(duì)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(cè)試、分析和評(píng)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(dòng)(氣動(dòng))風(fēng)壓值、動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)和自振頻率等設(shè)計(jì)參數(shù)?，F(xiàn)以《時(shí)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(shí)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(shuō)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(shí)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(shí),列車氣動(dòng)風(fēng)壓值分別為≤0.45 kN/m2和≤0.90 kN/m2,聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)如表2所示。

表2 動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí),列車氣動(dòng)風(fēng)壓值分別為≤0.35 kN/m2和≤0.56 kN/m2,聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)如表5所示。

表5 動(dòng)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(shí)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(jiàn),列車氣動(dòng)風(fēng)壓值、動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)和聲屏障單元板抗風(fēng)壓性能等與動(dòng)車組運(yùn)行速度密切相關(guān),但目前缺乏時(shí)速300 km和時(shí)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(cè)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(wú)論是時(shí)速300 km高速鐵路還是時(shí)速400 km高速鐵路,聲屏障自振(固有)頻率遠(yuǎn)離動(dòng)車組運(yùn)行速度條件下脈動(dòng)風(fēng)壓的激勵(lì)頻率即可(時(shí)速300~410 km/h時(shí)脈動(dòng)風(fēng)壓激勵(lì)頻率為3.33~4.43 Hz)[2-4]。

無(wú)論是時(shí)速350 km高速鐵路還是時(shí)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(cè)試時(shí)的荷載值均需根據(jù)該運(yùn)行速度條件下的列車氣動(dòng)風(fēng)壓值和動(dòng)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(dòng)變形評(píng)判中,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量中得到的動(dòng)變形測(cè)量值并不是最不利荷載條件下的最大動(dòng)變形值[2-3]。因此,需根據(jù)懸臂梁位移和氣動(dòng)荷載的關(guān)系,對(duì)所獲得的試驗(yàn)結(jié)果通過(guò)公式（1）計(jì)算后再進(jìn)行比較評(píng)判。

式中：Dumulc為最不利荷載條件下動(dòng)變形值,mm；Dmea為動(dòng)變形試驗(yàn)測(cè)量值,mm；Pmea為氣動(dòng)風(fēng)壓試驗(yàn)測(cè)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(dòng)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(cè)量其氣動(dòng)風(fēng)壓、H型鋼立柱和聲屏障單元板動(dòng)變形[5],并根據(jù)公式（1）計(jì)算最不利荷載條件下動(dòng)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(dòng)變形值是動(dòng)變形實(shí)際測(cè)量值的4.7~6.1倍,雖仍低于H型鋼立柱動(dòng)變形值≤L/200(10.75 mm)、聲屏障單元板動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(zhǎng)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(dòng)變形值的設(shè)計(jì)冗余問(wèn)題需在開(kāi)展聲屏障設(shè)計(jì)時(shí)引起足夠重視,應(yīng)充分考慮聲屏障整體結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)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(píng)價(jià)方法。

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

2.2 聲屏障檢測(cè)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(wú)關(guān),因而對(duì)于時(shí)速400 km高速鐵路(客運(yùn)專線鐵路)聲屏障仍基本適用。對(duì)于時(shí)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(kāi)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(kāi)展時(shí)速400 km噪聲特性、非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)對(duì)聲屏障降噪效果的影響、風(fēng)致振動(dòng)及輪軌激勵(lì)振動(dòng)對(duì)聲屏障的影響等研究,在此基礎(chǔ)上最終確定時(shí)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(duì)疲勞試驗(yàn)檢測(cè)平臺(tái)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(shí),服役試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)近10年的運(yùn)營(yíng)后,聲屏障結(jié)構(gòu)應(yīng)力出現(xiàn)不同程度的下降,振動(dòng)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(duì)聲屏障疲勞試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

3 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)我國(guó)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(guó)現(xiàn)行鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)文件,主要包括時(shí)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(wú)時(shí)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(dòng)效應(yīng)測(cè)試和評(píng)判的主要參數(shù)。抗疲勞性能測(cè)試時(shí)的荷載值應(yīng)根據(jù)該運(yùn)行速度條件下的列車氣動(dòng)風(fēng)壓值和動(dòng)力響應(yīng)系數(shù)等分析計(jì)算確定。

（2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量中得到的動(dòng)變形測(cè)量值應(yīng)換算成最不利荷載條件下的最大動(dòng)變形值,才能與聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)變形設(shè)計(jì)限值進(jìn)行對(duì)比分析評(píng)判。開(kāi)展聲屏障設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮聲屏障整體結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期荷載作用下的劣化與控制要求。對(duì)聲屏障疲勞試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)應(yīng)進(jìn)行研究?jī)?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(dòng)效應(yīng)測(cè)試和評(píng)判參數(shù),研究聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞狀態(tài)評(píng)價(jià)方法等。