高速鐵路聲屏障通透隔聲板選型設計研究

周繼超 鄭博文

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300308)

引言

聲屏障作為一種高速鐵路噪聲治理最常用的技術,已被廣泛應用于高速鐵路建造中。隨著材料科學發展,聲屏障的形式也越來越豐富。選擇合適的聲屏障形式是聲屏障設計的關鍵,聲屏障整體選型要綜合考慮降噪功能、材料性能、景觀需求、經濟合理等因素[1],聲屏障幾何形狀對高速鐵路噪聲控制有較大影響,如半圓形聲屏障擁有比直立式聲屏障更好的降噪效果[2]。復雜的聲屏障形式需要復雜安裝工藝和結構,對工程設計人員提出更高的要求。

聲屏障設計主要分為結構設計、工藝設計和附屬設計[3]。TB10505—2019《鐵路聲屏障工程設計規范》對聲屏障結構設計規定較為詳細,近些年圍繞氣動力取值方面研究較多,劉功玉等提出直立聲屏障自振頻率建議值,還分別對速度、中心距和高度等因素對動力相應進行分析[4-5];施洲等對列車氣動荷載進行研究,并擬合出350～400 km/h列車氣動荷載取值[6];龍麗平等通過理論計算和實測數據的對比,給出350 km/h高速鐵路列車氣動荷載極值[7];樸愛玲等通過對運營期列車氣動荷載的測試,給出運營10年后氣動荷載、立柱位移和立柱應力的變化規律[8]。以上研究成果不僅給聲屏障結構設計提供依據,也為聲學構件抗荷能力提供理論支撐。

工藝設計主要指聲學構件選型與安裝,高速鐵路聲屏障主要采用插板式安裝工藝[9],這種工法中,將聲屏障聲學構件依次插入H形鋼立柱槽中,極大提升安裝效率。聲學構件選型一般采用具有吸、隔聲功能的聲屏障單元板,當聲屏障高度超過列車車窗高度時,為防止聲屏障遮擋旅客視線,多采用通透隔聲板來保證旅客乘車時觀光需求,見圖1。此外,部分站區內,為了整體景觀效果也會采用全通透聲屏障,見圖2。

圖1 京津城際鐵路通透聲屏障Fig.1 Sound barrier for intercity railway communication between Beijing and Tianjin

圖2 全通透聲屏障Fig.2 Fully transparent sound barrier

聲學構件選型設計主要包括明確性能技術要求和工程技術要求兩部分。

關于聲學構件的性能技術要求和檢驗方法,在TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》中有相關規定。對于通透隔聲板性能技術要求,主要包括計權隔聲量、抗風壓性能、抗沖擊性能、抗疲勞性能和防火性能和有機合成材料技術要求等。有機合成材料技術要求包括透光率、性能保留率、斷裂伸長率、拉伸強度、彈性模量、線性熱膨脹系數和軟化溫度。

由于通透隔聲板并沒有像金屬聲屏障單元板有較為完善的鐵路行業的通用要求和產品標準[10],需要設計人員根據項目情況進行確定。工程技術要求主要包括通透隔聲板規格、材質、抗荷載指標、通透材料厚度和構造要求。

現階段通透隔聲板產品實施是基于設計選型設計提出的性能技術要求和工程技術要求,確定通透材料具體構造和加工方法,并通過產品檢驗確保產品的安全性和可靠性。

鑒于此,主要研究解決規范中未明確的通透材料材質、抗荷指標、規格尺寸和通透材料厚度等工程技術要求,為聲屏障通透單元板產品選型設計和產品檢驗標準提供理論支持。

1 聲屏障通透隔聲板組成

聲屏障通透隔聲板由鋁型材邊框和通透隔聲板兩部分組成,通透隔聲板鑲嵌于鋁合金邊框的安裝槽內,通過密封膠或者膠條進行裝配。

1.1 鋁型材邊框

鋁型材邊框是聲屏障通透隔聲板的主要受力結構,其強度和剛度直接影響整體性能,應根據其外荷載特點進行產品設計。鋁合金邊框一般采用6061或6063鋁型材。防腐工藝一般選擇粉末噴涂或者氟碳漆噴涂,根據其使用年限確定其涂層厚度,但不應小于40 μm。

鋁型材邊框一般采用角碼進行固定連接。主流的角碼主要有3類,鋸切鋁型材角碼、鑄鋁角碼和活動角碼。鋸切鋁型材角碼使用最廣泛性價比較高,鑄鋁角碼可以有效控制注膠,同時組角強度也得到進一步提升,但鑄鋁角碼本身的成本相對較高。活動角碼需要通過螺栓固定,當承受震動荷載時,其可靠性不易保證。

先將鋁型材制作成矩形框架,首先要根據設計尺寸將鋁型材下料切割成特定長度(且左右兩側均為45゜的切角),然后借助角碼將框架相鄰兩邊的型材進行90゜組角。機械組角方式分為擠角組角和銷釘組角。擠角組角時,通過組角機刀頭將鋁型材頂破,卡到型材腔體內角碼的相應位置實現型材角部連接固定;銷釘組角時,將銷釘經型材上的開孔楔入角碼上相應銷釘位,使兩側型材45゜角切面貼合夾緊。僅需銷釘槍即可完成。

注膠是在角碼與型材之間注入組角膠,將角碼和鋁合金型材永久性粘接在一起,以阻止鋁型材和角碼發生松動錯位。注膠一方面使組角更加牢固,即使受到撞擊也不易松動;另一方面對型材組角部位的孔縫進行填充,增強角部密封性能。因此,高速鐵路通透隔聲板型材連接建議采用角碼注膠工藝,以保證其整體性。

1.2 通透隔聲板

通透聲屏障是一種反射型聲屏障,構造簡單,這種聲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(亞克力PMMA板)。上述通透材料性能均應參照相關的國家規范,設計時只需對其尺寸和厚度進行規定,其他要求可按照規范執行。通透隔聲板尺寸一般按照邊框尺寸確定,其厚度根據隔聲量、抗沖擊性能和外部荷載確定。通透隔聲板厚度需要保證在外部荷載作用下強度和剛度滿足設計要求。

2 通透隔聲板主要性能指標分析

2.1 隔聲量性能指標分析

高鐵列車產生的噪聲大且頻率范圍廣、傳播機理復雜[11],相對于建筑幕墻[12]、建筑門窗[13-14]等民用建筑領域,高鐵領域對列車車窗[15]、聲學構件的隔聲要求更高,聲學構件計權隔聲量要求達到30 dB。

通透聲屏障隔聲性能主要決定于通透材料的厚度。根據研究[16],通透材料隔聲性能一般可采用實驗室測試確定。5,6,8 mm厚的PC板實測計權隔聲量分別為29,29,32 dB。12,15 mm厚的PMMA板實測計權隔聲量分布為32 dB和34 dB。

由于通透聲屏障無隔熱要求,夾層玻璃具有較好的抗沖擊性能,夾層玻璃是玻璃材質通透聲屏障首選。3,4,6,8 mm厚玻璃實測的平均隔聲量分別為26,27,30,31 dB。因此,對于隔聲特性來說,把比較薄的玻璃利用透明膠片黏合成較厚的夾層玻璃,其隔聲性能要優于同樣厚度的單層玻璃和多層疊合玻璃,2片3 mm厚的玻璃與透明膠片黏合的夾層玻璃的計權隔聲量為35 dB。

2.2 燃燒性能指標分析

GB/T51335—2018《聲屏障結構技術標準》中,對玻璃、亞克力板、PC板燃燒性能按照GB8624—2012《建筑材料及制品燃燒性能分級》,分別為A級、B2級和B1級。玻璃為A級不燃材料,PC板為B1難燃材料、亞克力板為B2可燃材料。在車站范圍應考慮防火要求,盡量選擇燃燒性能A級通透材料。并結合項目情況控制通透材料使用面積或采取增加阻燃劑等阻燃措施。

2.3 抗荷性能指標分析

高速鐵路聲屏障通透隔聲板可以按照列車運行、列車停運兩種工況進行研究[17]。列車運行工況聲屏障通透隔聲板由列車氣動荷載和限制性風速荷載組成,列車氣動荷載按250 km/h、350 km/h兩個速度進行研究,列車氣動荷載通常用基本列車氣動荷載標準值與氣動力響應系數乘積來表示。根據TB10505—2019《鐵路聲屏障工程設計規范》,列車氣動荷載標準值按照高鐵橋梁地段取值,250 km/h取0.45 kN/m2;350 km/h取0.9 kN/m2,動力放大系數取2.3,限制性風速荷載按20 m/s和25 m/s考慮。一般地區列車停運工況聲屏障通透隔聲板承受荷載均小于列車運行工況所承受的荷載。因此,無車工況僅按臺風地區基本風壓(風速為48 m/s)進行討論,對應的風壓值取1.44 kN/m2。聲屏障結構設計一般采用基本組合和標準組合兩種組合,組合值系數均取1.0,荷載分項系數取1.5。限制性風速荷載和臺風荷載等自然風荷載均按照TB10505—2019《鐵路聲屏障工程設計規范》,有

wK=βgzμslμzw0

(1)

式中,wK為自然風荷載;βgz為高度Z處陣風系數;μsl為局部風載體形系數;μz為風壓高度變化系數;w0為基本風壓值。

臺風地區聲屏障離地高度對風荷載取值影響較大,路基和橋梁地段風荷載有明顯的區別,本次研究橋梁地段高度取30 m,路基地段10 m。

聲屏障通透隔聲板抗荷性能應根據其使用功能和使用工況確定,可分為變形抗荷指標、斷裂抗荷指標和疲勞抗荷指標。產品性能檢驗應根據其使用受荷條件確定其抗荷指標,抗荷指標即檢驗所施加的荷載。

變形抗荷指標是指聲屏障通透隔聲板在承受外荷載作用下不超過允許變形對應的檢驗荷載。該檢驗荷載按照荷載標準組合確定,具體數值見表1。

表1 聲屏障通透隔聲板荷載標準組合和變形抗荷試驗指標 kN/m2

斷裂抗荷指標是指聲屏障通透隔聲板在承受外荷載作用下臨界發生結構破壞對應的荷載。該檢驗荷載按照荷載基本組合確定,具體數值見表2。

表2 聲屏障通透隔聲板荷載基本組合和斷裂抗荷試驗指標 kN/m2

疲勞抗荷指標是指聲屏障通透隔聲板在承受疲勞荷載作用下發生結構破壞對應的荷載。抗疲勞試驗要求可按照TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》,一般取400萬次。該檢驗荷載按照列車氣動荷載標準值確定,具體數值見表3。

表3 聲屏障通透隔聲板列車氣動荷載和疲勞抗荷試驗指標 kN/m2

2.4 抗沖擊性能分析

TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》中,規定聲學構件應能承受(30±1)J能量沖擊,試驗方法采用落錘法,該方法沖擊能量采用落錘高度與重量的乘積確定。高速鐵路常用通透隔聲板材料為亞克力,玻璃僅用于站區范圍。對兩種材料抗沖擊性能進行分析。

為了確定亞克力厚度和抗沖擊性能關系,對不同厚度的亞克力進行試驗。樣品邊長取10 cm,厚度取10,12,15,20 mm,試驗落錘質量選取3 kg,沖擊破碎時的沖擊能量作為每種厚度破碎等效沖擊能量,試驗結果見表4。

表4 亞克力厚度與破碎等效沖擊能量關系

由表4可知,亞克力破碎等效沖擊能量隨著材料厚度增加而增大。厚度為12 mm時,最高沖擊強度為30 J,與規范規定數值相當。厚度為15 mm和20 mm時,破碎等效沖擊能量分別是規范規定的1.47倍和1.7倍。考慮加工誤差等因素影響,鐵路用隔聲亞克力板厚度不宜小于15 mm。

玻璃屬于脆性材料,普通鋼化玻璃一般難以滿足30 J抗沖擊性能,夾層玻璃中間層粘結材料能起到吸收沖擊能量的作用,還能吸附碎片保持玻璃完整性。夾層玻璃還可作為通透隔聲板的材料。

夾層玻璃厚度、玻璃材質、中間層厚度、中間層材質均對夾層玻璃抗沖擊性有影響。

張治權從玻璃制作工藝、夾層厚度、玻璃厚度等方面對夾層玻璃落球沖擊玻璃性能進行研究,并給出破碎時平均下落高度[18]。試驗落球質量為1 040 g,夾層厚度研究中,分別對鋼化玻璃厚度為4,5,6 mm,夾層采用0.76 mm PVB材質,得出破碎平均下落高度。基于試驗數據,通過計算和擬合,得出不同厚度破碎等效沖擊能量,并和TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》規定30 J進行對比,給出安全系數。夾層玻璃厚度與破碎等效沖擊能量關系見表5。

表5 夾層玻璃厚度與破碎等效沖擊能量關系

通過分析可以得出,夾層玻璃破碎等效沖擊能量隨著材料厚度增大而增加。厚度為(8+0.76+8) mm時,最高沖擊強度為29.78 J,與規范規定數值相當。厚度為(10+0.76+10) mm和(12+0.76+12) mm破碎等效沖擊能量分別為規范規定的1.16倍和1.33倍。考慮加工誤差等因素影響,鐵路用夾層玻璃厚度建議采用≮(10+0.76+10) mm。

2.5 透光率

衡量通透材料通透效果指標主要有透光率和透光率性能保留率2個指標。透光率是光透過介質的能力,根據GB/T51335—2018《聲屏障結構技術標準》的規定玻璃透光率為70%～85%,PMMA材料透光率是≥90%,PC材料透光率為≥80%。從規范給出的要求看,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時間后透光率變化的指標,一般采用420 nm光譜通帶波長在氙弧燈照射一定時間后透光率變化率來表示。GB/T51335—2018《聲屏障結構技術標準》給出420 nm透光率在氙弧燈照射6 000 h后透光率降低率要求,玻璃、亞克力、PC分別不應小于3%、8%、10%,從規范上給出的要求看,透光率降低最少的是玻璃材料,亞克力性能保留率要好于PC材料。

TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》規定,有機合成透明板性能在1 000 h人工模擬耐候性能保留率≥95%。以亞克力材料為例,按照GB/T 7134—2008《澆鑄型工業有機玻璃板材》規定,氙燈照射前后3 mm厚度為420nm 透光率變化要求分析,氙燈照射前透光率≥90%,氙燈照射1 000 h后≥88%,可以看出變化率為2%,滿足鐵路TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》的要求。

通透材料的通透效果直接影響后期使用效果,當有更高透光率要求時,可以通過原材料控制和鍍膜進一步提高[19-21]。因此,通透聲屏障透光效果應結合需求和經濟性綜合確定。

3 聲屏障通透隔聲板主材規格選型

聲屏障通透隔聲板規格尺寸主要根據鋼立柱間距、鋼立柱尺寸和車窗范圍來確定。高鐵聲屏障鋼立柱標準間距為2 m,根據安全搭接量,考慮施工誤差等因素影響,聲屏障通透隔聲板長度一般為1960 mm;其型材厚度按照鋼立柱翼緣內凈空扣除單管膠條伸縮量確定,插板式聲屏障通透板一般采用H175型鋼,其垂直線路鋁合金邊框厚度按照140 mm控制。高鐵車窗下沿一般距軌面2.1 m,通透隔聲板總高度按照聲屏障總高減車窗高度確定,常用高度為1 000 mm,采用500,2 000 mm較少。

聲屏障通透隔聲板剛度可按TB/T3122—2019《鐵路聲屏障聲學構件》中允許撓度確定,抗風壓性能規定最大彈性撓度不應超過f=LA/100(LA為聲屏障構件最大自由長度)取值。最大彈性撓度由邊框鋁型材撓度和通透板撓度兩部分組成。鋁合金邊框至關重要,采用“強邊框”理念,其變形按照整體允許撓度的1/5控制,通透材料變形按照整體允許撓度4/5控制。通透材料雙向板板撓度可通過彈性薄板小撓度理論,按照《建筑結構靜力手冊》,有

BC=Eh3/[12(1-μ2)]

(2)

式中,E為彈性模量;h為板厚;μ為泊松比。

撓度=f×ql4/BC

(3)

式中,f為撓度系數;q為均布荷載;l為板高度。

通透單向板可按照結構力學公式計算;鋁型材撓度按兩端簡支梁進行計算。

3.1 型材規格

通透板鋁型材邊框一般為矩形截面,其內側設置固定通透板的槽口,由于槽口型式多樣且提供剛度有限,故不考慮槽口部分鋁型材對剛度的貢獻。鋁型材邊框厚度按照140 mm控制,其剛度可通過面內型材高度和型材壁厚調節。TB10505—2019《鐵路聲屏障工程設計規范》規定鋁材厚度不宜小于1.5 mm。根據其受力工況本文給出適用2 m立柱間距,按照整體允許撓度的1/5控制下,3種常用規格為2 000 mm×1 960 mm、1 000 mm×1 960 mm、500 mm×1 960 mm,不同工況下鋁型材邊框建議尺寸見表6。

表6 不同工況下鋁型材邊框建議尺寸 mm

3.2 玻璃材料厚度

由于夾層玻璃在抗沖擊和沖擊后完整性比單層玻璃有明顯優勢,故通透聲屏障通透材料宜采用夾層玻璃。控制夾層玻璃厚度影響因素有抗沖擊性能、隔聲量和彈性撓度。 夾層玻璃由兩層鋼化玻璃和中間層組合而成,影響夾層玻璃性能主要是兩層鋼化玻璃的厚度,為了方便討論,夾層均按照0.76 mm PVB材質考慮。通過分析,滿足抗沖擊性能夾層玻璃最小建議厚度為(10+0.76+10) mm;通過隔聲量分析,單層玻璃單片厚度不宜小于3 mm,即總厚度≮(3+0.76+3) mm。

彈性撓度也是控制玻璃厚度主要因素,根據其主要受力工況,通過計算可以得出每種工況下夾層玻璃理論厚度,夾層玻璃理論厚度是雙層玻璃總厚度,考慮實際雙層玻璃由兩片玻璃和夾層組成,夾層按照0.76 mm考慮,實際夾層玻璃建議厚度見表7。

表7 不同工況撓度控制下夾層玻璃材料厚度 mm

綜合考慮,規格1 000 mm×1 960 mm、500 mm×1 960 mm的夾層玻璃按照彈性撓度計算厚度均小于抗沖擊性能要求的厚度,應按照抗沖擊要求的厚度為(10+0.76+10) mm采用。規格為2 000 mm×1 960 mm時,除了橋梁臺風工況由撓度控制,厚度選用(11+0.76+11) mm,其余工況均抗沖擊性能控制,應按照(10+0.76+10) mm采用。

3.3 亞克力材料

控制亞克力材料厚度影響因素主要有抗沖擊性能、隔聲量和彈性撓度。通過分析,滿足抗沖擊性能亞克力材料最小厚度為15 mm。通過隔聲量分析,單層亞克力厚度不宜小于12 mm。彈性撓度也是控制亞克力材料厚度主要因素,根據其主要受力工況,通過計算可以得出每種工況下亞克力材料理論厚度,再考慮加工誤差結合常用厚度模數給出具體建議厚度,見表8。

表8 不同工況撓度控制下亞克力材料最小厚度 mm

綜合考慮,規格500 mm×1 960 mm的亞克力材料按照撓度計算,均小于抗沖擊性能要求的厚度,應按照抗沖擊要求取15 mm。

規格為1 000 mm×1 960 mm、2 000 mm×1 960 mm時,按照彈性難度計算厚度均大于抗沖擊性能要求的厚度,按照撓度控制厚度。

3.4 封閉式聲屏障通透隔聲板選用建議

高速列車經過封閉式聲屏障氣動荷載傳播規律復雜[22],氣動荷載縱向分布不均[23],氣動荷載環向分布也不均[24],而且氣動荷載工況多[25],其數值多通過數值仿真和試驗確定。封閉式聲屏障形式有圓形門型等多種樣式,體型系數與直立式聲屏障差異較大[26]。此外,高速鐵路封閉式聲屏障,通透隔聲板位于金屬單元板中部,當承受上部金屬單元板荷載時,應增加根據上部單元板荷載進行豎向抗壓檢測,其抗荷性能應進一步提高。

3.5 小結

對通透隔聲板的鋁合金型材邊框規格和通透材料的厚度進行研究。基于“強邊框”理念,給出常用規格型材建議尺寸,確保邊框處于小變形小應力狀態,避免邊框過變形過大或出現疲勞破壞。影響通透材料厚度主要有抗沖擊性能、隔聲量和彈性撓度3個因素。

由于玻璃密度是亞克力材料密度的2倍以上,玻璃材料聲屏障通透隔聲板要比亞克力通透材料聲屏障單元板重。從運輸方面考慮,亞克力材料優勢明顯。

4 結論與建議

通過分析聲屏障通透隔聲板性能技術要求和工程技術要求,給出聲屏障通透隔聲板選型設計基本方法。通過受力工況分析,給出聲屏障通透隔聲板給出抗荷指標和通透材料厚度的取值建議。主要建議和結論如下。

(1)隔聲板力學功能要求應根據其使用工況確定的抗荷指標為依據。抗風壓性能可按照變形抗荷指標檢測產品的撓度變形,必要時可增加按照斷裂抗荷指標檢測產品的強度。抗疲勞性能可按照疲勞抗荷指標進行檢測,根據高速鐵路氣動力特點,時速200 km/h及以上須進行抗疲勞檢驗。

(2)通透材料厚度主要受抗沖擊性能、隔聲量和彈性撓度3個因素影響。玻璃材料厚度控制因素為抗沖擊性能。亞克力材料厚度控制因素與通透隔聲板尺寸有關,500 mm×1 960 mm小尺寸規格通透隔聲板厚度由抗沖擊性能控制;1 000 mm×1 960 mm以上大尺寸規格通透材料厚度由彈性撓度控制。

(3)從經濟性和安全性角度分析,高速鐵路通透聲屏障隔聲板尺寸不宜超過1 000 mm×1 960 mm,當超過此規格通透材料宜進行分塊處理。