刘 烁，洪 蔚，李 鹏，董大为

（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）

声屏障在设计使用寿命期需承受数百万次的列车气动风压作用，为了声屏障安全应用，实验室对其进行声学与力学性能检测，其中力学性能中的抗疲劳性能是一项重要指标。

1 声屏障抗疲劳性能

当列车通过声屏障时，列车气动风压会对声屏障产生拉压作用，列车气动风压是高速列车运行时带动周围空气随之运动形成的“列车风”作用在临近线路的声屏障等建(构)筑物上的波动压力。压力波呈先正(压力)后负(吸力)形式，并且正压力大于负压力[1]。列车气动力示意如图1所示。

图1 列车气动力示意

为检验抗疲劳性能，需要在设计荷载最不利工况下对铁路声屏障进行抗疲劳试验。《铁路声屏障声学构件》(TB/T 3122—2019)[2]中对抗疲劳性能检测方法的规定：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。

抗疲劳性能检测一般采用电液伺服疲劳试验机，在4 Hz正弦循环载荷下进行4×106次疲劳试验。疲劳试验荷载幅值F按下式计算，即

式中：F为疲劳试验荷载幅值，kN；P为列车气动风压，kN/m2；a为结构动力响应系数；S为金属声屏障单元板受列车气动风压面积，m2。

列车气动风压P和结构动力响应系数a的取值，根据线路设计时速、声屏障材质和声屏障设计高度进行选取。详细数据如表1和表2所示。

表1 桥梁插板式声屏障疲劳试验荷载参数取值

表2 路基插板式声屏障疲劳试验荷载参数取值

2 铁路声屏障抗疲劳试验机设计

2.1 设计背景

现有抗疲劳试验机为整体式抗疲劳试验机(见图2)。该设备为专有设备，针对整单元的声屏障进行检测，工装较为简单，但设备施力方式为压压式，不能模拟实际列车通过时对声屏障产生的推力和拉力；同时该设备只适用于固定尺寸的声屏障，局限性较大、工作效率较低。为此，根据列车脉动风压作用和铁路声屏障特点，设计研发一种适用于铁路声屏障疲劳试验的疲劳试验机，以模拟列车脉动风压对声屏障单元板产生拉压循环作用的工况。

2.2 试验机结构

声屏障抗疲劳试验机主要用于声屏障构件的抗疲劳性能试验，即单元板和H型立柱的抗疲劳性能试验。检测铁路声屏障单元板和立柱在列车脉动风压和自然风等载荷作用下的变形和破坏情况，研究其抗疲劳性能及疲劳寿命。该抗疲劳试验机可以进行多种材质、结构的声屏障单元板和立柱的静态加载试验及动态疲劳试验，既可以进行压向加载，也可以施加拉压双向动态载荷。

（1）主机结构。疲劳试验机主要由伺服作动器、主机机架、试件试验夹具及测量控制系统等部分组成，如图3所示。

（2）试件试验夹具。单元板夹具为组合结构，由上压板、下夹板和夹具拉杆及螺母等组成，上压板(下夹板)与试件之间设计安装了4段垫板，将试验载荷分布施加到单元板上，4段垫板的设计可以减少单块平面式着力板对声屏障试件加力时产生的压力集中现象，尽可能模拟单元板的真实受力情况。单元板夹具结构如图4所示。

2.3 设备可靠性

实验室对相同批次样品分别使用声屏障抗疲劳试验机、整体式抗疲劳实验机及第三方委托实验室疲劳设备进行比对，以验证设备的准确性与稳定性。详细数据如表3所示。

3 应用前景

图3 试验机主机结构

图4 单元板夹具结构

表3 设备比较

设计的声屏障疲劳试验机可以满足正弦循环拉压试验的基本要求，并且单元板疲劳试验仅需取样1块单元板即可同时进行4批不同声屏障试样、2根立柱的拉压疲劳试验，有效提升了试验效率，并且简化了装卸试件的过程，操作安全方便，降低了劳动强度。目前已对设计进行了进一步优化，并已建成1套完整的声屏障疲劳试验机。铁路声屏障疲劳试验机模拟列车脉动风压对声屏障试件产生拉压循环作用的工况，可以减少单块平面式着力板对声屏障试件加力时产生的压力集中现象，满足不同长宽的声屏障试件。