一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法

摘要

本发明涉及一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法，该试验方法包含：获取列车通行时声屏障柱所受疲劳荷载大小和次数；确定声屏障柱的反弯点；采用相同材料和工艺足尺制作柱脚试件；将柱脚试件横向放置在加载装置下并固定，试验采用竖向疲劳加载；根据疲劳加载的大小和次数，在反弯点对柱脚钢结构进行疲劳加载，以确定柱脚支座连接的疲劳寿命。本发明综合评估铁路声屏障柱脚支座连接处长期处于高速列车通过时产生的脉动压力作用下的疲劳性能，确定混凝土支座基础、螺栓、柱脚钢结构焊缝等部位在疲劳荷载作用下的安全性，为实际工程在设计、施工和后期维护阶段提供数据支撑和参考。

说明书

技术领域

本发明涉及铁路附属构件疲劳性能试验技术领域，尤其涉及一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法。

背景技术

声屏障是解决高速铁路沿线噪声问题的有效设施之一，它的主要作用是可以降低铁路噪声对沿线区域的影响。声屏障除了受到自身重力作用和随机的自然横风载荷外，还受到列车通过时产生的脉动压力的反复作用。当列车速度较高时，尤其是高铁列车速度高达350km/h，列车脉动压力对声屏障的作用效果十分明显，在某些情况下甚至导致声屏障组件破坏进而危及行车安全。故在声屏障设计阶段，应合理地评估列车通过时产生的脉动压力以及其他多种载荷作用下的疲劳性能，避免按照低速列车设计经验使声屏障在使用中发生疲劳破坏，避免铁路线路运营后期声屏障全线加固造成的巨大的经济浪费，从而实现高速铁路节能环保、可持续发展的要求。

由于高铁列车近些年才出现，现有技术中声屏障设计未充分考虑列车脉动压力对声屏障的疲劳破坏作用，大多仍按照低速列车设计经验设计声屏障，也没有考虑列车脉动压力对声屏障的疲劳破坏的相关试验研究，因此开展这一研究以综合评估铁路声屏障柱脚支座连接长期处于高速列车通过时产生的脉动压力作用下的疲劳性能显得尤为必要。

发明内容

本发明目的在于补充现有疲劳试验方法的不足，提出一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法，旨在综合评估铁路声屏障柱脚支座连接长期处于高速列车通过时产生的脉动压力作用下的疲劳性能，适用于不同类型铁路声屏障。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明首先提供一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法，该试验方法包含以下步骤：

S10、获取列车通行时声屏障柱所受疲劳荷载大小和次数，疲劳荷载大小为列车通行时循环风压造成的柱脚弯矩、剪力值；

S20、根据柱脚弯矩、剪力值确定声屏障柱的反弯点；

S30、按照实际工程现场施工相同的材料和工艺足尺制作柱脚试件，柱脚试件包含下部的混凝土墩座和上部的柱脚钢结构；

S40、将柱脚试件横向放置在加载装置下并固定，试验采用竖向疲劳加载，疲劳加载的大小为柱脚剪力值；

S50、按照疲劳加载的大小和次数，在反弯点对柱脚钢结构进行疲劳加载，以确定柱脚支座连接的疲劳寿命。

在一个实施例中，步骤S10中，考虑列车通过声屏障时的三种工况，即临向列车通过、对向列车通过和双向列车会车时循环风压对声屏障的冲击荷载作用，统计得到不同工况下荷载作用的次数和柱脚弯矩、剪力值大小。

在一个实施例中，步骤S10具体为，

S101、通过风洞试验或数值风洞模拟列车通过声屏障，对声屏障柱缩尺模型进行测试，得到列车通过声屏障的风速、循环风压；

S102、根据风速、循环风压，采用有限元分析得到声屏障柱的柱脚弯矩、剪力值；

S103、由列车通行计划确定疲劳荷载的次数。

在一个实施例中，步骤S30具体为，

S301、采用与柱下混凝土基础或混凝土桥面板相同的材料制作混凝土墩座，同时按照实际工程现场施工相同的材料和工艺在混凝土墩座中沿第一方向预埋连接螺栓，并在混凝土墩座中沿第二方向预留多个圆形孔道；

S302、按照实际工程现场施工相同的材料下料，根据确定的反弯点，在反弯点处截断，足尺制作柱脚钢结构；

S303、按照实际工程现场施工相同的工艺将柱脚钢结构沿第一方向通过连接螺栓安装到混凝土墩座上；

S304、在柱脚钢结构底板与混凝土墩座之间，采用重力式流动砂浆灌缝。

在一个实施例中，步骤S40具体为，

S401、将多个拉杆螺栓沿第二方向临时固定在试验地面上；

S402、起吊混凝土墩座，使得混凝土墩座上预留的多个圆形孔道相应穿过拉杆螺栓；

S403、调整柱脚试件使得加载点与疲劳试验机加载头对正，用螺母固定拉杆螺栓使得柱脚试件固定在试验地面上。

在一个实施例中，试验地面上开设有两条T型地槽，拉杆螺栓下端穿入T型地槽中并临时固定。

在一个实施例中，步骤S50具体为，

通过疲劳加载，综合测试连接螺栓工作状态、柱脚底板下方重力式流动砂浆及混凝土状态、焊缝开裂情况、柱脚钢结构的钢板应变与变形情况，观测频率为损伤出现前每加载10万次，损伤出现后每加载5万次。

本发明进一步提供一种试验装置，该试验装置包括下部的混凝土墩座和上部的柱脚钢结构，其中，

混凝土墩座采用与柱下混凝土基础或混凝土桥面板相同的材料制作而成，混凝土墩座中按照实际工程现场施工相同的材料和工艺沿第一方向预埋有连接螺栓，连接螺栓露出混凝土墩座；混凝土墩座中沿第二方向预留有多个圆形孔道，圆形孔道贯通混凝土墩座；

柱脚钢结构按照实际工程现场施工相同的材料下料，通过在反弯点处截断制作而成，按照实际工程现场施工相同的材料和工艺沿第一方向通过连接螺栓安装到混凝土墩座上；

试验时，混凝土墩座通过多个拉杆螺栓穿过圆形孔道固定在试验地面上，柱脚钢结构的加载点与疲劳试验机加载头对正。

在一个实施例中，所述圆形孔道设置两排，每排均布三个圆形孔道，与试验地面上的两条T型地槽位置对应，两排拉杆螺栓下端穿入地槽中，上端穿过圆形孔道后由螺母固定。

在一个实施例中，所述柱脚钢结构的加载点设置有疲劳加载承压板，疲劳加载承压板与疲劳试验机加载头对正。

本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明的提出的一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法，旨在综合评估铁路声屏障柱脚与桥面混凝土主体结构连接处长期处于高速列车通过时产生的脉动压力作用下的疲劳性能，确定支座连接处、混凝土、螺栓等部位在疲劳荷载作用下的安全性，为实际工程在设计、施工和后期维护阶段提供数据支撑和参考。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。

图1为本发明一种实施方式的立体结构示意图；

图2为本发明一种实施方式的立体结构分解示意图；

图3为本发明一种实施方式的俯视示意图；

图4为图3的A-A剖面结构示意图。

图中：1-混凝土墩座，2-连接螺栓，3-柱脚钢结构，4-疲劳加载承压板，5-拉杆螺栓，6-试验地面，7-T型地槽，8-底板，9-圆形孔道，A-柱脚高应力区。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明实施例作进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

需要理解的是，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。

还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参照附图对本发明的技术方案进行具体阐述。

本发明首先提供一种铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法，该试验方法包含以下步骤：

S10、获取列车通行时声屏障柱所受疲劳荷载大小和次数，疲劳荷载大小为列车通行时循环风压造成的柱脚弯矩、剪力值；

本发明考虑列车通过声屏障时的三种工况，包括临向列车通过、对向列车通过和双向列车会车，不同工况下列车通过时对声屏障产生的风压大小不同。另外，列车驶入和驶出时对声屏障产生的荷载也不同，驶入时带来正压气流，正压气流对声屏障产生向外的推挤作用，声屏障柱向外弯曲，驶出时产生负压气流，外界气压对声屏障产生向内的推挤作用，声屏障柱向内弯曲。根据不同工况下循环风压对声屏障的冲击荷载作用，统计得到不同工况下荷载作用的次数和柱脚弯矩、剪力值大小。

具体而言，本发明通过风洞试验或数值风洞模拟列车通过声屏障，对声屏障柱缩尺模型进行测试，得到列车通过声屏障的风速、循环风压；

根据风速、循环风压，采用有限元分析得到声屏障柱的柱脚弯矩、剪力值。

对于疲劳荷载的次数，取决于列车通过的次数，需要由铁路部门的列车调度通行计划得来。

上述风洞试验或数值风洞模拟属于一个专项研究，一次研究结果就能够得到列车通过时速度v、距离声屏障柱的距离s对柱子受力的影响，为后面的声屏障设计提供设计依据，在此不做详细阐述。

S20、根据柱脚弯矩、剪力值确定声屏障柱的反弯点；

反弯点将作为后面制作柱脚试件时试件材料的截断点，也是进行疲劳试验时的加载受力点，以模拟列车通过时风压对声屏障柱产生的疲劳荷载作用。

S30、采用相同材料和工艺足尺制作柱脚试件，柱脚试件包含下部的混凝土墩座和上部的柱脚钢结构；

具体而言，参见图1，本发明采用与柱下混凝土基础或混凝土桥面板相同的材料制作混凝土墩座1，以等比例模拟柱下混凝土基础或混凝土桥面板，同时按照实际工程现场施工相同的材料和工艺在混凝土墩座1中沿第一方向预埋连接螺栓2，并在混凝土墩座1中沿第二方向预留多个圆形孔道9，如图2所示；

按照实际工程现场施工相同的材料下料，根据确定的反弯点，在反弯点处截断，足尺制作柱脚钢结构3；

按照实际工程现场施工相同的工艺将柱脚钢结构3沿第一方向通过连接螺栓2安装到混凝土墩座1上；

在柱脚钢结构3的底板8与混凝土墩座1之间，采用重力式流动砂浆灌缝，以填充密实柱脚钢结构3与混凝土墩座1之间的连接处，确保连接工艺质量。

由于疲劳问题与连接构造、焊接的细部构造关系很大，即使一块板的位置、厚度变化都会对连接处的疲劳性能产生影响，因此本发明在制作柱脚钢结构时并不限定具体结构或设计样式，根据所要进行疲劳试验的具体声屏障灵活制作试件，采用本发明的方法在反弯点处截断并进行疲劳加载即可确定疲劳性能，适用于不同类型铁路声屏障。

S40、将柱脚试件横向放置在加载装置下并固定，试验采用竖向疲劳加载，疲劳加载的大小为前述模拟得到的柱脚剪力值；

本发明疲劳试验用到的疲劳荷载是一个产生与真实情况下疲劳荷载相同效果的集中荷载，其大小等于循环风压荷载造成的柱脚剪力值。

具体而言，放置柱脚试件时，将多个拉杆螺栓5沿第二方向临时固定在试验地面6上；

参见图1、2、4，试验地面6上开设有两条T型地槽7，拉杆螺栓5下端穿入T型地槽7中并临时固定。

起吊混凝土墩座1，使得混凝土墩座1上预留的多个圆形孔道9相应穿过拉杆螺栓5；

调整柱脚试件使得加载点与疲劳试验机加载头对正，用螺母固定拉杆螺栓5使得柱脚试件固定在试验地面6上。

S50、柱脚试件放置并定位完成后，按照疲劳加载的大小和次数，在反弯点对柱脚钢结构进行疲劳加载，以确定柱脚支座连接的疲劳寿命，疲劳寿命指在同一荷载大小的循环加载作用下构件破坏时经受的循环荷载的数量。

本发明在确定柱脚支座连接的疲劳寿命时，综合测试连接螺栓2工作状态，底板8下方重力式流动砂浆及混凝土状态，是否状态良好或压碎等，

焊缝开裂情况，裂缝开展后需要记录裂纹扩展的大小和速度，通过刻度尺测量，以及用应变片测量柱脚高应力区A（热点应力）的应变大小与变形情况（不同类型的柱脚应采用有限元预先分析确定），观测频率为损伤出现前每加载10万次，观察记录连接处是否有疲劳裂纹、混凝土是否开裂、螺栓是否松动等，此时观测不必太频繁，损伤出现后每加载5万次进行观测。

本发明通过以上试验，能够综合评估铁路声屏障柱脚与桥面混凝土主体结构连接处长期处于高速列车通过时产生的脉动压力作用下的疲劳性能，确定混凝土支座基础、螺栓、柱脚钢结构焊缝等部位在疲劳荷载作用下的安全性。

再参见图1-4，本发明一种用于铁路声屏障柱脚支座连接疲劳性能试验方法的试验装置，包括下部的混凝土墩座1和上部的柱脚钢结构3，其中，

混凝土墩座1采用与柱下混凝土基础或混凝土桥面板相同的材料制作而成，混凝土墩座1中按照实际工程现场施工相同的材料和工艺沿第一方向预埋有连接螺栓2，连接螺栓2采用预埋U型螺栓，用于安装固定柱脚钢结构3，连接螺栓2露出混凝土墩座1；混凝土墩座1中沿第二方向预留有多个圆形孔道9，圆形孔道9贯通混凝土墩座1；上述第一方向为试验加载状态下的横向方向，也是声屏障柱的高度方向，第二方向为试验加载状态下的竖向方向，也是与声屏障柱垂直的方向。

柱脚钢结构3按照实际工程现场施工相同的材料下料，通过在反弯点处截断制作而成，按照实际工程现场施工相同的材料和工艺沿第一方向通过连接螺栓2安装到混凝土墩座1上；

试验时，混凝土墩座1通过多个拉杆螺栓5穿过圆形孔道9固定在试验地面6上，柱脚钢结构3的加载点与疲劳试验机加载头对正。

具体而言，本发明中圆形孔道9设置两排，每排均布三个圆形孔道9，与试验地面6上的两条T型地槽7位置对应，两排拉杆螺栓5下端穿入T型地槽7中，上端穿过圆形孔道9后由螺母固定。

柱脚钢结构3的加载点设置有疲劳加载承压板4以承载和均匀传递疲劳试验机加载头施加的荷载。

本发明的试验装置按照实际工程现场施工相同的材料和工艺足尺制作，能够真实模拟铁路声屏障柱脚与桥面混凝土主体结构连接处受到高速列车通过时产生的脉动压力，有效评估在此脉动压力作用下声屏障柱脚支座连接的疲劳性能，为现有工程设计和维护提供可靠参考。

至此，本领域技术人员应认识到，虽本文已详尽示出和描述了本发明的示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍然可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。