高速铁路声屏障通透隔声板选型设计研究

周继超 郑博文

(中国铁路设计集团有限公司,天津 300308)

声屏障作为一种高速铁路噪声治理最常用的技术,已被广泛应用于高速铁路建造中。随着材料科学发展,声屏障的形式也越来越丰富。选择合适的声屏障形式是声屏障设计的关键,声屏障整体选型要综合考虑降噪功能、材料性能、景观需求、经济合理等因素[1],声屏障几何形状对高速铁路噪声控制有较大影响,如半圆形声屏障拥有比直立式声屏障更好的降噪效果[2]。复杂的声屏障形式需要复杂安装工艺和结构,对工程设计人员提出更高的要求。

声屏障设计主要分为结构设计、工艺设计和附属设计[3]。TB10505—2019《铁路声屏障工程设计规范》对声屏障结构设计规定较为详细,近些年围绕气动力取值方面研究较多,刘功玉等提出直立声屏障自振频率建议值,还分别对速度、中心距和高度等因素对动力相应进行分析[4-5];施洲等对列车气动荷载进行研究,并拟合出350～400 km/h列车气动荷载取值[6];龙丽平等通过理论计算和实测数据的对比,给出350 km/h高速铁路列车气动荷载极值[7];朴爱玲等通过对运营期列车气动荷载的测试,给出运营10年后气动荷载、立柱位移和立柱应力的变化规律[8]。以上研究成果不仅给声屏障结构设计提供依据,也为声学构件抗荷能力提供理论支撑。

工艺设计主要指声学构件选型与安装,高速铁路声屏障主要采用插板式安装工艺[9],这种工法中,将声屏障声学构件依次插入H形钢立柱槽中,极大提升安装效率。声学构件选型一般采用具有吸、隔声功能的声屏障单元板,当声屏障高度超过列车车窗高度时,为防止声屏障遮挡旅客视线,多采用通透隔声板来保证旅客乘车时观光需求,见图1。此外,部分站区内,为了整体景观效果也会采用全通透声屏障,见图2。

图1 京津城际铁路通透声屏障Fig.1 Sound barrier for intercity railway communication between Beijing and Tianjin

图2 全通透声屏障Fig.2 Fully transparent sound barrier

声学构件选型设计主要包括明确性能技术要求和工程技术要求两部分。

关于声学构件的性能技术要求和检验方法,在TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》中有相关规定。对于通透隔声板性能技术要求,主要包括计权隔声量、抗风压性能、抗冲击性能、抗疲劳性能和防火性能和有机合成材料技术要求等。有机合成材料技术要求包括透光率、性能保留率、断裂伸长率、拉伸强度、弹性模量、线性热膨胀系数和软化温度。

由于通透隔声板并没有像金属声屏障单元板有较为完善的铁路行业的通用要求和产品标准[10],需要设计人员根据项目情况进行确定。工程技术要求主要包括通透隔声板规格、材质、抗荷载指标、通透材料厚度和构造要求。

现阶段通透隔声板产品实施是基于设计选型设计提出的性能技术要求和工程技术要求,确定通透材料具体构造和加工方法,并通过产品检验确保产品的安全性和可靠性。

鉴于此,主要研究解决规范中未明确的通透材料材质、抗荷指标、规格尺寸和通透材料厚度等工程技术要求,为声屏障通透单元板产品选型设计和产品检验标准提供理论支持。

声屏障通透隔声板由铝型材边框和通透隔声板两部分组成,通透隔声板镶嵌于铝合金边框的安装槽内,通过密封胶或者胶条进行装配。

1.1 铝型材边框

铝型材边框是声屏障通透隔声板的主要受力结构,其强度和刚度直接影响整体性能,应根据其外荷载特点进行产品设计。铝合金边框一般采用6061或6063铝型材。防腐工艺一般选择粉末喷涂或者氟碳漆喷涂,根据其使用年限确定其涂层厚度,但不应小于40 μm。

铝型材边框一般采用角码进行固定连接。主流的角码主要有3类,锯切铝型材角码、铸铝角码和活动角码。锯切铝型材角码使用最广泛性价比较高,铸铝角码可以有效控制注胶,同时组角强度也得到进一步提升,但铸铝角码本身的成本相对较高。活动角码需要通过螺栓固定,当承受震动荷载时,其可靠性不易保证。

先将铝型材制作成矩形框架,首先要根据设计尺寸将铝型材下料切割成特定长度(且左右两侧均为45゜的切角),然后借助角码将框架相邻两边的型材进行90゜组角。机械组角方式分为挤角组角和销钉组角。挤角组角时,通过组角机刀头将铝型材顶破,卡到型材腔体内角码的相应位置实现型材角部连接固定;销钉组角时,将销钉经型材上的开孔楔入角码上相应销钉位,使两侧型材45゜角切面贴合夹紧。仅需销钉枪即可完成。

注胶是在角码与型材之间注入组角胶,将角码和铝合金型材永久性粘接在一起,以阻止铝型材和角码发生松动错位。注胶一方面使组角更加牢固,即使受到撞击也不易松动;另一方面对型材组角部位的孔缝进行填充,增强角部密封性能。因此,高速铁路通透隔声板型材连接建议采用角码注胶工艺,以保证其整体性。

1.2 通透隔声板

通透声屏障是一种反射型声屏障,构造简单,这种声屏障常用的通透材料有玻璃、聚碳酸酯板(PC板)和聚甲基丙烯酸甲酯板(亚克力PMMA板)。上述通透材料性能均应参照相关的国家规范,设计时只需对其尺寸和厚度进行规定,其他要求可按照规范执行。通透隔声板尺寸一般按照边框尺寸确定,其厚度根据隔声量、抗冲击性能和外部荷载确定。通透隔声板厚度需要保证在外部荷载作用下强度和刚度满足设计要求。

2.1 隔声量性能指标分析

高铁列车产生的噪声大且频率范围广、传播机理复杂[11],相对于建筑幕墙[12]、建筑门窗[13-14]等民用建筑领域,高铁领域对列车车窗[15]、声学构件的隔声要求更高,声学构件计权隔声量要求达到30 dB。

通透声屏障隔声性能主要决定于通透材料的厚度。根据研究[16],通透材料隔声性能一般可采用实验室测试确定。5,6,8 mm厚的PC板实测计权隔声量分别为29,29,32 dB。12,15 mm厚的PMMA板实测计权隔声量分布为32 dB和34 dB。

由于通透声屏障无隔热要求,夹层玻璃具有较好的抗冲击性能,夹层玻璃是玻璃材质通透声屏障首选。3,4,6,8 mm厚玻璃实测的平均隔声量分别为26,27,30,31 dB。因此,对于隔声特性来说,把比较薄的玻璃利用透明胶片黏合成较厚的夹层玻璃,其隔声性能要优于同样厚度的单层玻璃和多层叠合玻璃,2片3 mm厚的玻璃与透明胶片黏合的夹层玻璃的计权隔声量为35 dB。

2.2 燃烧性能指标分析

GB/T51335—2018《声屏障结构技术标准》中,对玻璃、亚克力板、PC板燃烧性能按照GB8624—2012《建筑材料及制品燃烧性能分级》,分别为A级、B2级和B1级。玻璃为A级不燃材料,PC板为B1难燃材料、亚克力板为B2可燃材料。在车站范围应考虑防火要求,尽量选择燃烧性能A级通透材料。并结合项目情况控制通透材料使用面积或采取增加阻燃剂等阻燃措施。

2.3 抗荷性能指标分析

高速铁路声屏障通透隔声板可以按照列车运行、列车停运两种工况进行研究[17]。列车运行工况声屏障通透隔声板由列车气动荷载和限制性风速荷载组成,列车气动荷载按250 km/h、350 km/h两个速度进行研究,列车气动荷载通常用基本列车气动荷载标准值与气动力响应系数乘积来表示。根据TB10505—2019《铁路声屏障工程设计规范》,列车气动荷载标准值按照高铁桥梁地段取值,250 km/h取0.45 kN/m2;350 km/h取0.9 kN/m2,动力放大系数取2.3,限制性风速荷载按20 m/s和25 m/s考虑。一般地区列车停运工况声屏障通透隔声板承受荷载均小于列车运行工况所承受的荷载。因此,无车工况仅按台风地区基本风压(风速为48 m/s)进行讨论,对应的风压值取1.44 kN/m2。声屏障结构设计一般采用基本组合和标准组合两种组合,组合值系数均取1.0,荷载分项系数取1.5。限制性风速荷载和台风荷载等自然风荷载均按照TB10505—2019《铁路声屏障工程设计规范》,有

wK=βgzμslμzw0

(1)

式中,wK为自然风荷载;βgz为高度Z处阵风系数;μsl为局部风载体形系数;μz为风压高度变化系数;w0为基本风压值。

台风地区声屏障离地高度对风荷载取值影响较大,路基和桥梁地段风荷载有明显的区别,本次研究桥梁地段高度取30 m,路基地段10 m。

声屏障通透隔声板抗荷性能应根据其使用功能和使用工况确定,可分为变形抗荷指标、断裂抗荷指标和疲劳抗荷指标。产品性能检验应根据其使用受荷条件确定其抗荷指标,抗荷指标即检验所施加的荷载。

变形抗荷指标是指声屏障通透隔声板在承受外荷载作用下不超过允许变形对应的检验荷载。该检验荷载按照荷载标准组合确定,具体数值见表1。

表1 声屏障通透隔声板荷载标准组合和变形抗荷试验指标 kN/m2

断裂抗荷指标是指声屏障通透隔声板在承受外荷载作用下临界发生结构破坏对应的荷载。该检验荷载按照荷载基本组合确定,具体数值见表2。

表2 声屏障通透隔声板荷载基本组合和断裂抗荷试验指标 kN/m2

疲劳抗荷指标是指声屏障通透隔声板在承受疲劳荷载作用下发生结构破坏对应的荷载。抗疲劳试验要求可按照TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》,一般取400万次。该检验荷载按照列车气动荷载标准值确定,具体数值见表3。

表3 声屏障通透隔声板列车气动荷载和疲劳抗荷试验指标 kN/m2

2.4 抗冲击性能分析

TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》中,规定声学构件应能承受(30±1)J能量冲击,试验方法采用落锤法,该方法冲击能量采用落锤高度与重量的乘积确定。高速铁路常用通透隔声板材料为亚克力,玻璃仅用于站区范围。对两种材料抗冲击性能进行分析。

为了确定亚克力厚度和抗冲击性能关系,对不同厚度的亚克力进行试验。样品边长取10 cm,厚度取10,12,15,20 mm,试验落锤质量选取3 kg,冲击破碎时的冲击能量作为每种厚度破碎等效冲击能量,试验结果见表4。

表4 亚克力厚度与破碎等效冲击能量关系

由表4可知,亚克力破碎等效冲击能量随着材料厚度增加而增大。厚度为12 mm时,最高冲击强度为30 J,与规范规定数值相当。厚度为15 mm和20 mm时,破碎等效冲击能量分别是规范规定的1.47倍和1.7倍。考虑加工误差等因素影响,铁路用隔声亚克力板厚度不宜小于15 mm。

玻璃属于脆性材料,普通钢化玻璃一般难以满足30 J抗冲击性能,夹层玻璃中间层粘结材料能起到吸收冲击能量的作用,还能吸附碎片保持玻璃完整性。夹层玻璃还可作为通透隔声板的材料。

夹层玻璃厚度、玻璃材质、中间层厚度、中间层材质均对夹层玻璃抗冲击性有影响。

张治权从玻璃制作工艺、夹层厚度、玻璃厚度等方面对夹层玻璃落球冲击玻璃性能进行研究,并给出破碎时平均下落高度[18]。试验落球质量为1 040 g,夹层厚度研究中,分别对钢化玻璃厚度为4,5,6 mm,夹层采用0.76 mm PVB材质,得出破碎平均下落高度。基于试验数据,通过计算和拟合,得出不同厚度破碎等效冲击能量,并和TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》规定30 J进行对比,给出安全系数。夹层玻璃厚度与破碎等效冲击能量关系见表5。

表5 夹层玻璃厚度与破碎等效冲击能量关系

通过分析可以得出,夹层玻璃破碎等效冲击能量随着材料厚度增大而增加。厚度为(8+0.76+8) mm时,最高冲击强度为29.78 J,与规范规定数值相当。厚度为(10+0.76+10) mm和(12+0.76+12) mm破碎等效冲击能量分别为规范规定的1.16倍和1.33倍。考虑加工误差等因素影响,铁路用夹层玻璃厚度建议采用≮(10+0.76+10) mm。

2.5 透光率

衡量通透材料通透效果指标主要有透光率和透光率性能保留率2个指标。透光率是光透过介质的能力,根据GB/T51335—2018《声屏障结构技术标准》的规定玻璃透光率为70%～85%,PMMA材料透光率是≥90%,PC材料透光率为≥80%。从规范给出的要求看,透光率最高的是PMMA材料。

透光率性能保留率是衡量通透材料使用一段时间后透光率变化的指标,一般采用420 nm光谱通带波长在氙弧灯照射一定时间后透光率变化率来表示。GB/T51335—2018《声屏障结构技术标准》给出420 nm透光率在氙弧灯照射6 000 h后透光率降低率要求,玻璃、亚克力、PC分别不应小于3%、8%、10%,从规范上给出的要求看,透光率降低最少的是玻璃材料,亚克力性能保留率要好于PC材料。

TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》规定,有机合成透明板性能在1 000 h人工模拟耐候性能保留率≥95%。以亚克力材料为例,按照GB/T 7134—2008《浇铸型工业有机玻璃板材》规定,氙灯照射前后3 mm厚度为420nm 透光率变化要求分析,氙灯照射前透光率≥90%,氙灯照射1 000 h后≥88%,可以看出变化率为2%,满足铁路TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》的要求。

通透材料的通透效果直接影响后期使用效果,当有更高透光率要求时,可以通过原材料控制和镀膜进一步提高[19-21]。因此,通透声屏障透光效果应结合需求和经济性综合确定。

声屏障通透隔声板规格尺寸主要根据钢立柱间距、钢立柱尺寸和车窗范围来确定。高铁声屏障钢立柱标准间距为2 m,根据安全搭接量,考虑施工误差等因素影响,声屏障通透隔声板长度一般为1960 mm;其型材厚度按照钢立柱翼缘内净空扣除单管胶条伸缩量确定,插板式声屏障通透板一般采用H175型钢,其垂直线路铝合金边框厚度按照140 mm控制。高铁车窗下沿一般距轨面2.1 m,通透隔声板总高度按照声屏障总高减车窗高度确定,常用高度为1 000 mm,采用500,2 000 mm较少。

声屏障通透隔声板刚度可按TB/T3122—2019《铁路声屏障声学构件》中允许挠度确定,抗风压性能规定最大弹性挠度不应超过f=LA/100(LA为声屏障构件最大自由长度)取值。最大弹性挠度由边框铝型材挠度和通透板挠度两部分组成。铝合金边框至关重要,采用“强边框”理念,其变形按照整体允许挠度的1/5控制,通透材料变形按照整体允许挠度4/5控制。通透材料双向板板挠度可通过弹性薄板小挠度理论,按照《建筑结构静力手册》,有

BC=Eh3/[12(1-μ2)]

(2)

式中,E为弹性模量;h为板厚;μ为泊松比。

挠度=f×ql4/BC

(3)

式中,f为挠度系数;q为均布荷载;l为板高度。

通透单向板可按照结构力学公式计算;铝型材挠度按两端简支梁进行计算。

3.1 型材规格

通透板铝型材边框一般为矩形截面,其内侧设置固定通透板的槽口,由于槽口型式多样且提供刚度有限,故不考虑槽口部分铝型材对刚度的贡献。铝型材边框厚度按照140 mm控制,其刚度可通过面内型材高度和型材壁厚调节。TB10505—2019《铁路声屏障工程设计规范》规定铝材厚度不宜小于1.5 mm。根据其受力工况本文给出适用2 m立柱间距,按照整体允许挠度的1/5控制下,3种常用规格为2 000 mm×1 960 mm、1 000 mm×1 960 mm、500 mm×1 960 mm,不同工况下铝型材边框建议尺寸见表6。

表6 不同工况下铝型材边框建议尺寸 mm

3.2 玻璃材料厚度

由于夹层玻璃在抗冲击和冲击后完整性比单层玻璃有明显优势,故通透声屏障通透材料宜采用夹层玻璃。控制夹层玻璃厚度影响因素有抗冲击性能、隔声量和弹性挠度。

夹层玻璃由两层钢化玻璃和中间层组合而成,影响夹层玻璃性能主要是两层钢化玻璃的厚度,为了方便讨论,夹层均按照0.76 mm PVB材质考虑。通过分析,满足抗冲击性能夹层玻璃最小建议厚度为(10+0.76+10) mm;通过隔声量分析,单层玻璃单片厚度不宜小于3 mm,即总厚度≮(3+0.76+3) mm。

弹性挠度也是控制玻璃厚度主要因素,根据其主要受力工况,通过计算可以得出每种工况下夹层玻璃理论厚度,夹层玻璃理论厚度是双层玻璃总厚度,考虑实际双层玻璃由两片玻璃和夹层组成,夹层按照0.76 mm考虑,实际夹层玻璃建议厚度见表7。

表7 不同工况挠度控制下夹层玻璃材料厚度 mm

综合考虑,规格1 000 mm×1 960 mm、500 mm×1 960 mm的夹层玻璃按照弹性挠度计算厚度均小于抗冲击性能要求的厚度,应按照抗冲击要求的厚度为(10+0.76+10) mm采用。规格为2 000 mm×1 960 mm时,除了桥梁台风工况由挠度控制,厚度选用(11+0.76+11) mm,其余工况均抗冲击性能控制,应按照(10+0.76+10) mm采用。

3.3 亚克力材料

控制亚克力材料厚度影响因素主要有抗冲击性能、隔声量和弹性挠度。通过分析,满足抗冲击性能亚克力材料最小厚度为15 mm。通过隔声量分析,单层亚克力厚度不宜小于12 mm。弹性挠度也是控制亚克力材料厚度主要因素,根据其主要受力工况,通过计算可以得出每种工况下亚克力材料理论厚度,再考虑加工误差结合常用厚度模数给出具体建议厚度,见表8。

表8 不同工况挠度控制下亚克力材料最小厚度 mm

综合考虑,规格500 mm×1 960 mm的亚克力材料按照挠度计算,均小于抗冲击性能要求的厚度,应按照抗冲击要求取15 mm。

规格为1 000 mm×1 960 mm、2 000 mm×1 960 mm时,按照弹性难度计算厚度均大于抗冲击性能要求的厚度,按照挠度控制厚度。

3.4 封闭式声屏障通透隔声板选用建议

高速列车经过封闭式声屏障气动荷载传播规律复杂[22],气动荷载纵向分布不均[23],气动荷载环向分布也不均[24],而且气动荷载工况多[25],其数值多通过数值仿真和试验确定。封闭式声屏障形式有圆形门型等多种样式,体型系数与直立式声屏障差异较大[26]。此外,高速铁路封闭式声屏障,通透隔声板位于金属单元板中部,当承受上部金属单元板荷载时,应增加根据上部单元板荷载进行竖向抗压检测,其抗荷性能应进一步提高。

3.5 小结

对通透隔声板的铝合金型材边框规格和通透材料的厚度进行研究。基于“强边框”理念,给出常用规格型材建议尺寸,确保边框处于小变形小应力状态,避免边框过变形过大或出现疲劳破坏。影响通透材料厚度主要有抗冲击性能、隔声量和弹性挠度3个因素。

由于玻璃密度是亚克力材料密度的2倍以上,玻璃材料声屏障通透隔声板要比亚克力通透材料声屏障单元板重。从运输方面考虑,亚克力材料优势明显。

通过分析声屏障通透隔声板性能技术要求和工程技术要求,给出声屏障通透隔声板选型设计基本方法。通过受力工况分析,给出声屏障通透隔声板给出抗荷指标和通透材料厚度的取值建议。主要建议和结论如下。

(1)隔声板力学功能要求应根据其使用工况确定的抗荷指标为依据。抗风压性能可按照变形抗荷指标检测产品的挠度变形,必要时可增加按照断裂抗荷指标检测产品的强度。抗疲劳性能可按照疲劳抗荷指标进行检测,根据高速铁路气动力特点,时速200 km/h及以上须进行抗疲劳检验。

(2)通透材料厚度主要受抗冲击性能、隔声量和弹性挠度3个因素影响。玻璃材料厚度控制因素为抗冲击性能。亚克力材料厚度控制因素与通透隔声板尺寸有关,500 mm×1 960 mm小尺寸规格通透隔声板厚度由抗冲击性能控制;1 000 mm×1 960 mm以上大尺寸规格通透材料厚度由弹性挠度控制。

(3)从经济性和安全性角度分析,高速铁路通透声屏障隔声板尺寸不宜超过1 000 mm×1 960 mm,当超过此规格通透材料宜进行分块处理。

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