高速鐵路插板式及整體式聲屏障結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、隨著我國(guó)高速鐵路事業(yè)的發(fā)展，沿線噪聲污染日趨嚴(yán)重，在鐵路沿線設(shè)置聲屏障是降低噪聲有效方法。但是，與普速鐵路聲屏障工程相比，高速鐵路列車脈動(dòng)力對(duì)聲屏障的作用顯著增強(qiáng)。德國(guó)科隆-法蘭克福高速鐵路聲屏障在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮列車脈動(dòng)力的作用，于2003年當(dāng)列車速度超過(guò)250km/h而共振破壞。近年來(lái)，高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)成為了高速鐵路領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)之一，高速鐵路聲屏障的受力特性和結(jié)構(gòu)性能研究對(duì)我國(guó)高速鐵路事業(yè)具有重要意義。
　　

2、論文對(duì)我國(guó)高速鐵路常用的插板式及整體式聲屏障的若干關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了較為深入的探討。通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamits)仿真分析、在線行車試驗(yàn)、有限元分析、低周反復(fù)試驗(yàn)、動(dòng)力特性試驗(yàn)等方法對(duì)聲屏障結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，并提出了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)建議。詳細(xì)內(nèi)容總結(jié)如下：
　　 首先，對(duì)德國(guó)紐倫堡-英格斯塔特高速鐵路聲屏障在線行車試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，討論了脈動(dòng)力的特征、車速對(duì)脈動(dòng)力的影響

3、以及在不同位置的分布。采用CFD軟件PHOENICS對(duì)列車脈動(dòng)力進(jìn)行了模擬并與同條件下的德國(guó)鐵路實(shí)測(cè)脈動(dòng)力曲線進(jìn)行了對(duì)比，分析了車速、距離等因素對(duì)脈動(dòng)力的影響。結(jié)果表明，作用在聲屏障的列車脈動(dòng)力由頭波、中間波和尾波組成，壓力峰值出現(xiàn)在頭波范圍，尾波約為其的1/3～1/2；CFD軟件能夠較好模擬列車脈動(dòng)力，與在線行車試驗(yàn)實(shí)測(cè)脈動(dòng)力峰值結(jié)果基本一致；脈動(dòng)力峰值與車速的平方呈線性關(guān)系，與外軌道中心線至聲屏障的距離的平方呈反比；流線型車頭列車引

4、起的脈動(dòng)力峰值要小于鈍形車頭和方形車頭列車，脈動(dòng)力峰值隨列車鼻長(zhǎng)的增大而降低；聲屏障中部的脈動(dòng)力峰值比兩端大，同時(shí)，沿高度減??；考慮防撞墻的影響后，脈動(dòng)力峰值沿聲屏障高度先增大后減小，在2m高度處達(dá)到最大；作用在橋梁翼緣板的豎向脈動(dòng)力峰值則隨與聲屏障的距離增大而線性增大。
　　 其次，提出了一種考慮行波效應(yīng)的簡(jiǎn)化脈動(dòng)力激勵(lì)輸入方法，用以進(jìn)行聲屏障結(jié)構(gòu)的脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)分析，并提出了一種新型整體式聲屏障；根據(jù)路基聲屏障結(jié)構(gòu)的受力情況，

5、采用FLAC3D軟件分析了文中所示路基情況下的樁基礎(chǔ)水平向受力特性；采用有限元軟件ANSYS分析了插板式和整體式聲屏障的動(dòng)力特性和脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)，并詳細(xì)研究了各因素對(duì)脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，插板式聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)峰值與列車速度呈平方關(guān)系；沿聲屏障長(zhǎng)度方向，響應(yīng)峰值先增大后減小，再增大再減小，最大值出現(xiàn)在倒數(shù)第二根立柱處；響應(yīng)最大值隨聲屏障長(zhǎng)度的增加而先增大后減小，當(dāng)聲屏障長(zhǎng)度達(dá)到150m后趨于穩(wěn)定；響應(yīng)最大值與外軌道中心線和聲屏

6、障的距離呈-1-5次關(guān)系，與聲屏障的高度基本上呈平方關(guān)系。整體式聲屏障的脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)峰值隨結(jié)構(gòu)頻率的增大而降低，與列車速度呈平方關(guān)系，與外軌道中心線和聲屏障的距離呈-2次關(guān)系。高速鐵路路基聲屏障樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的樁身水平位移隨深度先減小，至0位移后再反向增大，正向和反向加載的樁身0位移的深度基本一致；路基插板式聲屏障脈動(dòng)風(fēng)致響應(yīng)分析結(jié)果與同條件下的橋梁聲屏障的分析結(jié)果接近；路基整體式聲屏障的響應(yīng)最大值均出現(xiàn)在頭波階段，中間波引起的

7、結(jié)構(gòu)的響應(yīng)為逐漸降低的過(guò)程。
　　 再次，論文提出了一種新型墩頭錨具，并進(jìn)行了靜載錨固性能試驗(yàn)；通過(guò)7個(gè)PCSB預(yù)應(yīng)力混凝土整體式聲屏障的低周反復(fù)試驗(yàn)，研究了整體式聲屏障的受力性能和抗震性能，考察了豎墻寬度、豎墻配筋、張拉控制應(yīng)力、肋柱加腋等因素對(duì)抗震性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型墩頭錨具有較好的錨固性能，回縮變形小于1mm；PCSB試件具有良好的抗裂性能、變形能力和承載能力；后澆豎墻寬度決定結(jié)構(gòu)的破壞形式，當(dāng)豎墻寬度大于250

8、mm時(shí)，預(yù)制結(jié)構(gòu)首先發(fā)生破壞；提高張拉控制應(yīng)力能夠有效提高結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂彎矩，但是肋柱根部加腋則效果不明顯；詳細(xì)分析了各PCSB試件抗裂能力、承載力、滯回曲線、骨架曲線、位移延性、耗能能力、剛度退化等指標(biāo)。
　　 然后，對(duì)PCSB試件進(jìn)行了不同狀態(tài)下的動(dòng)力特性測(cè)試，包括固有頻率和阻尼比。試驗(yàn)結(jié)果表明，PCSB試件開(kāi)裂將引起固有頻率明顯下降，當(dāng)翼緣板開(kāi)裂時(shí)，結(jié)構(gòu)頻率下降幅度可達(dá)30％；正常工作狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)的阻尼比僅為1％左右，當(dāng)肋柱或