CN112595616B - 一种铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，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；制作柱脚钢结构试件；进行加载设计，对柱脚剪力值放大调幅；将柱脚钢结构试件横向放置在加载装置下，试验采用竖向疲劳加载；根据疲劳荷载大小和次数，对柱脚底板进行疲劳加载，以确定柱脚钢结构的疲劳寿命。本发明综合评估铁路声屏障柱脚钢结构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，一次加载同时测试列车驶入、驶出造成的柱脚钢结构内侧、外侧承受疲劳荷载的安全性，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。

Description

一种铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法
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钢结构疲劳性能试验方法。
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钢结构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钢结构疲劳性能试验方法，旨在综合评估铁路声屏障柱脚钢结构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钢结构疲劳性能试验方法，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钢结构试件，柱脚钢结构试件由两个柱脚钢结构焊接构成，两个柱脚钢结构以中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板上；
S40、进行加载设计，对柱脚剪力值放大调幅，根据列车通行工况，采用有限元分析得到柱脚疲劳加载应力幅，其大小等效于真实疲劳荷载作用下的应力幅；
S50、将柱脚钢结构试件横向放置在加载装置下，两端支撑于混凝土墩座上，试验采用竖向疲劳加载；
S60、按照疲劳加载的大小和次数，对柱脚底板进行疲劳加载，以确定柱脚钢结构的疲劳寿命。
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、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，足尺制作两个柱脚钢结构；
S302、将两个柱脚钢结构采用中心对称的方式，焊接在同一块柱脚底板上，得到柱脚钢结构试件。
在一个实施例中，步骤S30进一步包括，
在柱脚钢结构试件的两端，各焊接一个加载支座，加载支座支撑于混凝土墩座上。
在一个实施例中，步骤S30进一步包括，
在柱脚钢结构试件中部的柱脚底板上焊接疲劳加载承压板，疲劳加载承压板与疲劳试验机加载头对正。
在一个实施例中，步骤S60具体为，
通过疲劳加载，综合测试声屏障柱脚钢结构内侧与外侧钢板应变与变形情况、疲劳裂纹萌生与扩展情况，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，该试验装置包括柱脚钢结构试件和混凝土墩座，其中，
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，由两个柱脚钢结构焊接构成，两个柱脚钢结构以中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板上形成柱脚钢结构试件；
试验时，混凝土墩座位于柱脚钢结构试件的两端，柱脚钢结构试件支撑于混凝土墩座上。
在一个实施例中，所述柱脚钢结构试件的两端，各焊接有一个加载支座，加载支座支撑于混凝土墩座上。
在一个实施例中，所述柱脚钢结构试件中部的柱脚底板上焊接有一疲劳加载承压板，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钢结构疲劳性能试验方法，旨在综合评估铁路声屏障柱脚钢结构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，通过将两个柱脚钢结构中心对称焊接于同一块底板上进行加载，同时测试列车驶入、驶出造成的柱脚钢结构内侧、外侧承受疲劳荷载的安全性，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试验方法流程图；
图2为本发明一种实施方式的试验装置立体结构示意图；
图3为本发明一种实施方式的试验装置正立面示意图。
图中：1-混凝土墩座，2-柱脚钢结构，3-柱脚底板，4-加载支座，5-疲劳加载承压板。
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。
参见图1，本发明首先提供一种铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，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钢结构试件时试件材料的截断点，也是进行疲劳试验时柱脚钢结构试件的支撑点，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、按照实际工程现场施工相同的材料和工艺足尺制作柱脚钢结构试件，柱脚钢结构试件由两个柱脚钢结构焊接构成，两个柱脚钢结构以中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板上；
具体而言，参见图2，本发明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，足尺制作两个柱脚钢结构2；
将两个柱脚钢结构2采用中心对称的方式，焊接在同一块柱脚底板3上，得到柱脚钢结构试件。
进一步包括，在柱脚钢结构试件的两端，各焊接一个加载支座4，加载支座4支撑于混凝土墩座1上，使加载力均匀传到柱子的反弯点上。
进一步包括，在柱脚钢结构试件中部的柱脚底板上焊接疲劳加载承压板5，疲劳加载承压板5与疲劳试验机加载头对正。
由于疲劳问题与连接构造、焊接的细部构造等因素关系很大，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、进行加载设计：由于钢结构柱脚拉压循环是一个完整循环，钢结构的疲劳取决于应力幅，为了真实模拟疲劳荷载的作用，本发明根据列车通行工况，对柱脚剪力值放大调幅，采用有限元分析得到柱脚疲劳加载应力幅，其大小等效于真实疲劳荷载作用下的应力幅；对柱脚剪力值放大调幅的大小约为柱脚剪力值的二倍。
S50、将柱脚钢结构试件横向放置在加载装置下，两端支撑于混凝土墩座1上，柱脚底板3与疲劳试验机加载头对正，试验采用竖向疲劳加载；
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，其大小通过有限元软件分析确定。
S60、柱脚钢结构试件放置并定位完成后，按照疲劳加载大小和次数，对柱脚底板3进行疲劳加载，以确定柱脚钢结构的疲劳寿命，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。
本发明在确定柱脚钢结构的疲劳寿命时，综合测试声屏障柱脚钢结构内侧与外侧钢板应变与变形情况、疲劳裂纹萌生与扩展情况，应变采用应变片测量，裂纹扩展用刻度尺测量。观测频率为损伤出现前每加载10万次，观测记录柱脚钢结构是否有疲劳裂纹等，此时观测不必太频繁，损伤出现后每加载5万次进行观测。
特别的，本发明柱脚钢结构试件由两个柱脚钢结构2采用中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板3上形成，在对柱脚底板3进行疲劳加载时，柱脚底板3一侧的柱脚钢结构2朝一个方向受力弯曲，柱脚底板3另一侧的柱脚钢结构2朝另一个方向受力弯曲，以图2中所示为例，图2中柱脚底板3左侧的柱脚钢结构2下部受拉，上部受压，而柱脚底板3右侧的柱脚钢结构2受力分布正好相反，而左右两侧拉压情况正好对应列车驶入、驶出工况下造成的柱脚钢结构内侧、外侧所受疲劳荷载，如此，本发明的柱脚钢结构试件通过一个试件就能够模拟声屏障柱在列车驶入、驶出两种工况下的疲劳性能，通过施加不同的加载值能够模拟声屏障柱在临向列车通过、对向列车通过和双向列车会车三种列车通过工况下的疲劳性能。
再参见图2-3，本发明一种用于铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法的试验装置，包括柱脚钢结构试件和混凝土墩座，其中，
柱脚钢结构试件按照实际工程现场施工相同的材料和工艺足尺制作声屏障柱，通过在反弯点处将声屏障柱截断制作而成，由两个柱脚钢结构2焊接构成，两个柱脚钢结构2以中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板3上；
试验时，混凝土墩座1位于柱脚钢结构试件的两端，柱脚钢结构试件支撑于混凝土墩座1上。
进一步的，柱脚钢结构试件的两端，各焊接有一个加载支座4，加载支座4支撑于混凝土墩座1上。
进一步的，柱脚钢结构试件中部的柱脚底板3上焊接有一疲劳加载承压板5，疲劳加载承压板5与疲劳试验机加载头对正，疲劳加载承压板5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钢结构受到高速列车通过时产生的脉动压力，一个试件就能够模拟声屏障柱在列车驶入、驶出两种工况下的疲劳性能，通过施加不同的加载值能够模拟声屏障柱在临向列车通过、对向列车通过和双向列车会车三种列车通过工况下的疲劳性能，有效评估在此脉动压力作用下声屏障柱脚钢结构的疲劳性能，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。

Claims (10)

1.一种铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于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，反弯点为制作柱脚钢结构试件时试件材料的截断点，也即疲劳性能试验时柱脚钢结构试件加载的支撑点；
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钢结构试件，柱脚钢结构试件由两个柱脚钢结构焊接构成，两个柱脚钢结构以中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板上；
S40、进行加载设计，对柱脚剪力值放大调幅，根据列车通行工况，采用有限元分析得到柱脚疲劳加载应力幅，其大小等效于真实疲劳荷载作用下的应力幅；
S50、将柱脚钢结构试件横向放置在加载装置下，两端支撑于混凝土墩座上，试验采用竖向疲劳加载；
S60、按照疲劳加载的大小和次数，对柱脚底板进行疲劳加载，以确定柱脚钢结构的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于：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。
3.根据权利要求1所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于：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。
4.根据权利要求1所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于：步骤S30具体为，
S301、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，足尺制作两个柱脚钢结构；
S302、将两个柱脚钢结构采用中心对称的方式，焊接在同一块柱脚底板上，得到柱脚钢结构试件。
5.根据权利要求4所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于：步骤S30进一步包括，
在柱脚钢结构试件的两端，各焊接一个加载支座，加载支座支撑于混凝土墩座上。
6.根据权利要求4所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于：步骤S30进一步包括，
在柱脚钢结构试件中部的柱脚底板上焊接疲劳加载承压板，疲劳加载承压板与疲劳试验机加载头对正。
7.根据权利要求1所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法，其特征在于：步骤S60具体为，
通过疲劳加载，综合测试声屏障柱脚钢结构内侧与外侧钢板应变与变形情况、疲劳裂纹萌生与扩展情况，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。
8.一种用于权利要求1-7任一项所述的铁路声屏障柱脚钢结构疲劳性能试验方法的试验装置，其特征在于：该试验装置包括柱脚钢结构试件和混凝土墩座，其中，
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，由两个柱脚钢结构焊接构成，两个柱脚钢结构以中心对称的方式焊接在同一块柱脚底板上形成柱脚钢结构试件；
试验时，混凝土墩座位于柱脚钢结构试件的两端，柱脚钢结构试件支撑于混凝土墩座上。
9.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于：
所述柱脚钢结构试件的两端，各焊接有一个加载支座，加载支座支撑于混凝土墩座上。
10.根据权利要求8所述的试验装置，其特征在于：
所述柱脚钢结构试件中部的柱脚底板上焊接有一疲劳加载承压板，疲劳加载承压板与疲劳试验机加载头对正。
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