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避免中国高铁声屏障从火坑跳向深渊
  • 作者:王力、吴晓冬
  • 来源:吉林大学前卫校区
  • 发布时间:2011.12.25
 

看到网上转载的《中国客运专线(高速铁路建设回顾与思考)》,在主要建设成就(6.7),列举到整体预应力混凝土声屏障,让人啼笑皆非又心感不祥。文章指出:

(1)基本摸清了列车高速通过声屏障时障脉动力产生的机理、计算分析方法、技术标准、结构措施等,为工程建设提供了技术依据。

(2)得出了不同列车时速时脉动力响应系数,及其影响的因素,如列车速度、列车车头形状、空气密度、声屏障距铁路中心线的距离、声屏障高度、主体结构材料、吸隔声板材等,其中主要因素是列车速度、车头形状及声屏障与线路的距离。

(3)编制完成设计时速350 km客运专线铁路整体预应力混凝土声屏障通用图。

这样的“成就”如同“皇帝的新衣”的故事令人汗颜。只有皇帝相信自己没有裸体丢人。中国的高速铁路的成就,已经被“插板式声屏障”蒙上了一层灰尘。而理智告诉我们,整体预应力混凝土声屏障同样缺少科技支撑。其实,我们已经掌握了具有国际领先的高铁声屏障技术,中国人完全可以赢得理直气壮、坦坦荡荡。

. 作用机理要清晰

京津城际客运专线声屏障动力学分析指出:当列车车头和车尾经过声屏障结构时,声屏障各组件产生明显的脉动响应,不同频率对应的振动模态(见图1)。

   

                                              

    13 Hz左右            24 Hz左右                 大于25 Hz

1 京津专线声屏障动不同频率对应的振动模态

在这种周期性正弦波冲击力的作用下,正屏障处于被动挨打状态。变被动为主动的唯一选择是:变刚性体为弹性体。所以不能使用脆性材料的水泥构件。

欧洲的产品具有明显的防止正弦波冲击力交互力偶矩的结构措施,如高架桥上的声屏障图2,立柱腹板根据试验和实验的变形曲线设计,连接管具有抗扭、抵御交互力偶矩和配重等功能,产品精致,寿命50年。而我国插板式声屏障声名狼藉,使用不到半年的状态为图3,而且是普遍现


2欧洲的高铁声屏障                    3我国的高铁声屏障

象,如图4,水泥底座上的道道污迹是雨水冲刷纤维棉中的污物和锈水。

4我国使用半年就伤痕累累的高铁声屏障

2和图11可以看出,欧洲正在使用高铁声屏障立柱与承载水泥表面之间垫的是橡胶板(每5年一更换)。

因为运动物体的质量越大,速度越大,动能就越大。我国高速铁路高架桥箱梁自重808吨,上表面托起无渣轨道等几十吨附属设施,下面由四个橡胶块支撑,列车经过时,会以一定速度振动,动能是非常大。此时,冲量把橡胶块压缩变形,飞驰列车的动能转化成橡胶块的弹性势能,然后橡胶块的弹性势能把箱梁以及上面的建筑物一起向上弹起,橡胶块的弹性势能转化成箱梁、水泥护栏(或声屏障)的动能在空中上升,箱梁和水泥护栏(或声屏障)上升后的动能又成为重力势能。比如敲鼓时,鼓皮振动的弹性势能把小砂粒弹飞。如果箱梁的振动速度是V,加速度是a,根据机械能守恒定律,可算出水泥护栏(或声屏障)被抛出去的高度h

    

其杀伤力跟炮弹一样。

目前,我国预应力混凝土护栏的现状(图5),破碎部分已被震飞。这就是日后预应力混凝土声屏障的结果。


5 目前预应力混凝土护栏的现状

试验证明,如果声屏障立柱与承载水泥表面之间刚性连接要产生巨响,而且要将水泥表面和声屏障损毁。而我国的声屏障立柱底座和遮板连接面之间却偏偏要通过预埋螺栓使用防松垫圈和弹簧垫圈近似弹性连接,还要二次灌浆水泥(如图3)非要葬送纳税人的钱。

欧洲的产品像埃菲尔铁塔一样,持久性是项目硬性指标之一,目前法

国正在兴建的高速铁路仍然使用这种身经百战的老牌产品,能够中标、步步为营、屡战屡胜的根本原因跟技术无关(信誉度普遍高),而是整体物流和投资成本控制得好,即整体工程形象好。

欧洲成功的经验是使用金属护栏,犹如一道亮丽的风景线(6),而我国高铁把违背一般性常识、农民工兄弟都极力反对的工程叫成就(7)

6 欧洲高铁使用的金属护栏     

7 我国高铁使用不到半年的水泥护栏

我们正是利用这样的机会,组织参与欧洲声屏障设计的专家,实现了我国高速铁路声屏障的技术试验、试制、生产方面的全面创新。

我国从2005年至今,与法国SYSTRA公司、德国OPB公司、德国铁路咨询公司DEC公司组成咨询联合体,对京津、武广、郑西高铁专线进行技术咨询。对欧洲高铁线路的声屏障非常了解,可是当时的腐败体制却偏偏将“插板式声屏障作为引进、提高的产物?”如今,对中国什么感情的人才能将“凝土声屏障”作为主要建设成就?图8为欧洲地面高铁线路上的声屏障。


8 欧洲地面高铁线路上的声屏障

. 材料机理

基本的隔声原理叫做“质量效应”,说的是:声屏障质量越大而噪声的频率越高时,声屏障的衰减作用就越大,所以,选择质量大的材料作为声屏障的面板就是此道理。

而吸声的原因不是由于表面粗糙,而是因为具有大量的内外连通的微小孔隙和孔洞。当声波入射到蓬松的纤维结构上时,声波能顺着孔隙进入材料内部,引起空隙中空气分子的振动;由于空气的粘滞阻力和空气分子与孔隙壁的摩擦,声能将转化为热能。声音是一种能量,能量既不能创造也不能被消灭,只能从一种形式转化到另一种形式。

显然,混凝土声屏障没有吸声作用,它又不是好的隔声材料,使用它对噪声能量的存在没有任何影响。

事实上,125 Hz以下的低频噪声对人体危害程度最大,这种噪声声波

长,能量递减缓慢,可轻易穿越障碍物长距离奔袭,并穿墙透壁直达人的耳骨,低频噪音经多次反射就会形成高能量、大振幅的驻波,以简正振动方式传播。低于20Hz的次声波接近人体自身的振动频率,引起人体内脏的共振,使人烦躁、耳鸣、恶心,导致心脏及其它内脏剧烈抖动、狂跳,以致血管破裂,最后促使死亡。

频率越低的声波穿透力越强,传播越远,破坏力越大。所以,声屏障

必须具有限制低频噪声的功能。

目前,国外的高铁声屏障几乎全部使用“穿孔面板+多孔纤维材料的阻性吸音+高密度金属隔音背板”技术方案,设计中尽量增大开孔的面积,以求吸收更多的噪声。

欧洲的穿孔面板(见图2)使用的材料比较厚,多孔吸音材料使用发泡铝或铝极细丝,成本很高。不会像插板式声屏障那样用纤维棉,使用不久便被列车的行驶风吹得空空,如图9。而且这两种结构对低频声波几乎没有任何作用。它们最大的不同是:

9 插板式声屏障使用半年夹层内的吸音材料被列车的行驶风吹得空空

插板式声屏障在工作时,进入穿孔的高速高压气流和噪声压迫穿孔板背后空气层到反射壁,受压空气经后壁反射回来,从穿孔中排出,由于缺乏穿孔率、薄板质量(面密度)、结构设计及选材方面的能力,使本应控制的穿孔板没有被控制,应该是高密度(钢板)刚形体的反射壁却使用了低密度振动吸声板(铝板),在使用中变成了“薄板共振声屏障”。稍有声屏障的技术能力就会知道:穿孔板的吸声,只有在穿孔率20%以下时,才有实际效果,承受大多数声压的板材在起吸声作用,而不是少数的孔在起作用。结果气流排除不畅,本应刚性的反射壁使用低质量材料的结构缺陷为破损提供了最小阻力路线,使用不到半年就被压力波撕裂,同时产生“边缘音”,继而产生共鸣噪声。

因此,高铁声屏障的声学技术必须创新。

. 声学创新途径

声音是物体振动激发周围弹性媒质(空气.液体.固体)发生波动的现象,即产生声波。声波引起耳鼓的同频振动,才使我们听到声音。通常声音中包含着各种频率,其中最低的叫基音,其余的叫泛音,基音与泛音合成为谐音。例如一面鼓只有一个基频,确定、调整基频的过程叫“放音”,只有大师才能完成,而且受湿度的影响振动膜的张紧力要变化、跑调,所以

一面貌似简单定音鼓售价几万元。

如:二胡的琴弦从固定端与琴码之间需要加海绵吸音,才能在演奏时消除或减弱膜振动时的不谐泛音;钢琴的设计和制造是利用琴弦槌毛毡的

弹性,使其滞留击弦点、抑制振动来消除或减弱不谐泛音。

高速列车的噪声是伴随高速气流在多普勒效应下,以简正方式传播,

使声屏障受高速气流湍流的影响产生受迫振动,消声结构上的边界条件与传统消音技术完全不同。

     西南交通大学伍志英、柳葆生在《高速铁路声屏障空气动压力数值模拟与分析》中指出:“作为《中长期铁路网规划》的重要项目,京沪高铁全线按最高时速350公里设计。然而,在与速度提升的同时,也将面临更为严重的噪音污染问题。而现有城市道路的声屏障技术不能满足京沪高铁的要求。经过实验,时速在200公里时,现有的声屏障能保持完好,而时速超过250公里,声屏障震动明显。”

事实上,声屏障要允许气流通过,而截住噪声,具有消除垂直高速行驶风流动方向的湍流噪声的功能。在受到高速高压行驶风作用时,应该具有像汽车独立悬架一样,进行弹性变形减震的关节,保护车身尽可能少的受到震动。

令欧洲同行刮目相看的是:我们利用东方人的哲学理念,认为噪声来自一个不同频率的乐队,而声屏障只有还原这个乐队的所有乐器的震动,才能收回各自不同频率的声波。相当于将一个乐队n个基频的合声作用在一个鼓面上,即把声音还原成振动——消耗能量——进而消声。还要不受温度、湿度变化的影响保持振动膜张力不变,创造一个几乎不可能的结构。

制造工艺上,我们与欧洲的合作伙伴配套高度现代化的机器人生产线(图9),保证产品质量的一致性,以及受迫振动的张紧力和基频基本不变、有效控制频宽。实现从中国制造向中国创造的跨越。

9 配套机器人生产线

.极端气候叫板我国高铁(遭雷劈)

欧洲的相关技术人员这样评价我国高铁的声屏障:

问题严重到根本谈不上技术,还不如形同虚设的水工程,因为它会带来灾难。例如混凝土使用缺少常识,钢筋的数量和位置不正确,地脚螺栓的直径和深度设计不正确,可能都没有认真算过;加上材料质量低下,工程浮皮潦草,欺上瞒下,偷工减料,从组织到施工队尽是混水摸鱼;整体作风看着就生气,地基都没打好的建设,用了再先进的技术又有什么用?

事实上,我国高速铁路声屏障和护栏的争议在于没有技术标准。那么,在没有技术标准的线路上运营,不要说极端天候,就是平常的天气变化也

将叫板我国高铁。

虽然列车有通过铁轨的接地系统,相对较高的接触网有特殊的避雷措施,但是忽略了相对较低,但是电阻更小的金属声屏障。忽略了雷劈石的力量(如图10)。例如在我国海南省西线公路的东方市附近,有很多高矮不同的雷劈石景观,说明雷劈的不仅仅与高度有关,还与电阻有关。

10 雷劈石的力量

11为欧洲高铁声屏障防雷劈的导电带,具备完善的设防措施。


11 欧洲高铁声屏障防雷劈的导电带

而我国的高铁声屏障和护栏完全没有避雷击措施。插板式声屏障结构本身限制了接地回路,同时,预埋的高强都螺栓与遮板、箱梁的钢筋网联通导电,而箱梁又座在绝缘的橡胶块上减振。一旦遭遇雷电必然通过轨道影响列车、接触网和信号电源。

其它隐患表现在:

插板式声屏障在整体安装使用中,在预应力箱梁的遮板上每隔一定数量的立柱设有一个伸缩缝。根本没有考虑到:立柱已经扎根在箱梁上,只能与箱梁一起进行温度伸缩。立柱不可能相对箱梁移动,单元板只能在两个立柱之间伸缩。单独设置的伸缩缝无疑是画蛇添足。

其原理与输电线路相似,电线杆是固定在地面不动的,设计安装时根据使用地区的最低温度,使电线在每两根线杆之间预留一定的挠度(如图10),防止电线受冷收缩把电杆拉断。不可能拉直电线而留一个伸缩段供热胀冷缩用。单独设置的伸缩缝、刚性连接的声屏障,遇到过冷气候,难免像2008年春季南方冰雪灾害那样,受冷收缩的电线将电线铁塔拉断。

10 电线在每两根线杆之间预留一定的挠度

匪夷所思的是:我国在建高铁遮板上表面声屏障立柱底座预埋件距离

12

 

                         

13

竟然不同,如图10ABC的距离尺寸,图13ABCDE的距离尺寸。这需要多少种规格的声屏障?怎样实现标准化和系列化?更严重的是:箱梁和遮板是连成一体的,可是遮板的伸缩缝(图12、图13中的)H2竟然小于箱梁的伸缩缝H1,如果箱梁受热伸长时,必然将遮板顶碎。

.中国高铁声屏障技术还是世界领先

为了中国的荣誉和信誉,我们掌握的高铁声屏障的技术世界领先,其中:欧洲的高铁声屏障根据弹性变形、线性变形、避免噪声与车体的来回反射、控制湍流等试验指标,确定的声屏障外形是弧面的(如图2和图8)。

而我们与情系祖国的华裔技术人员,本着瓦解高能的理念,使用的是

自主知识产权的连续圆弧、微穿孔板消音技术,避开发泡铝等高成本材料,完全不用纤维材料,更加有效地消除湍流,同时引导反射波叠加干涉消音,避免噪声与车体的来回反射;将刚性的金属材料通过机械结构转化成组织有序的弹性体,省去防雷导线带;保证材料内部的受力在工作表面受压失去整体稳定之前,让设计的结构件首先局部屈曲,作为弹性变形的突破点;同时从另一条路线,确保带动整个工作表面结构弹性变形,防止硬性抗击的自我损伤;使声屏障像大树一样,靠根脉牢牢抓住底面,避免应力集中,将刚性的金属材料变成像树干、树枝、树杈、叶片都能各自独立弹性变形,将受到连续弯矩和力偶矩的冲击波正弦曲线(见图1)变成梯形曲线,实现极大的降低危害程度、易控制的目的,给产品以生机。

目前,将2010年通过技术监督局备案的(第二代)标准已经升级为:

Q/CZY 01-2011《高速铁路声(风)屏障、护栏 设计规范》

Q/CZY 02-2011《高速铁路声(风)屏障、护栏 生产规程》

Q/CZY 03-2011《高速铁路声(风)屏障、护栏 安装规程》

Q/CZY 04-2011高速铁路冷弯钢声()屏障、护栏机械结构检测标准

目前第三代产品的主要技术指标主要体现在:

1. 将声线的绕射线、亮区与声影区的分界点改造为高速气流的缓释区及绕射线吸音区节流噪声;利用绕射线吸音区吸收集电系统噪声,相当于将声屏障高度增加。

2. 在国内首次引进德国的涂装生产线技术,提高防腐性能,将腐盐雾试验提高到500小时以上。

3. 按抵御9度地震、16级超强台风、抗强雷击设防。

4. 按铁道行业TB/T 3058-2002铁路应用机车车辆设备冲击和振动试验标准进行振动试验。

12为我第二代产品在地震试验台上经受毁灭性的唐山地震波加上美国Taft地震波共同作用。

 
 
 
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