高速鐵路插板式聲屏障結(jié)構(gòu)計算分析

孫鳳珍

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司,天津 300251)

1 高速鐵路聲屏障荷載組成

我國客運專線鐵路的特點是車流密度大、列車運行速度高,設(shè)計時速達350 km。國內(nèi)外研究結(jié)果表明,當(dāng)列車以250 km/h速度行駛時,列車風(fēng)就會產(chǎn)生脈動力作用于聲屏障上,聲屏障結(jié)構(gòu)就要考慮疲勞影響。因此,高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞計算方法及合理的連接方式,解決高速鐵路列車大密度、長期運行聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞問題,成為高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵。

對于直立型的聲屏障,作用在高速鐵路聲屏障上的荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、列車風(fēng)引起的脈動力三部分,必要時還要考慮溫度、濕度變化及地震等因素對結(jié)構(gòu)的作用,風(fēng)荷載和列車脈動力是插板式金屬聲屏障結(jié)構(gòu)計算的主要荷載。

1.1 風(fēng)荷載

根據(jù)鐵道部鐵運函(2006)462號文,確定時速350 km列車運行時風(fēng)速按20 m/s計算,采用這個值是保證安全的。

特殊風(fēng)荷載,一般地區(qū)按重現(xiàn)期100年的最大風(fēng)速進行計算,臺風(fēng)地區(qū)風(fēng)速按60 m/s計算。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005),風(fēng)荷載強度按下式計算

wk=k1k2k3w0

(1)

式中wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，Pa；

k1——風(fēng)載體型系數(shù)；

k2——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

k3——地形、地理條件系數(shù)；

v——風(fēng)速，m/s。

1.2 脈動力

脈動力可按照等效荷載qDS進行計算,而等效荷載qDS是基于脈動力作用長度正、負壓各5 m考慮的。對于具體的聲屏障計算單元,需要分析其荷載作用位置,按照最不利荷載進行結(jié)構(gòu)計算。脈動力荷載幾何作用如圖1所示。

圖1 脈動力荷載幾何作用(單位：m)

按照圖1所示的荷載幾何作用圖建立聲屏障立柱荷載計算公式

(2)

式中 Lm——計算跨度，m。

計算跨度可按表1取值,中間值采用內(nèi)插法計算求得。

表1 計算跨度 m

柱底內(nèi)力計算按照圖2及公式(3)、(4)計算

(3)

(4)

式中hm——聲屏障柱軌頂至墻底的高度，m；

h——聲屏障柱軌頂至墻頂?shù)母叨龋琺；

q1——墻底處的脈動力，kN/m；

q2——墻頂處的脈動力，kN/m。

脈動力荷載豎向分布如圖2所示。

圖2 脈動力荷載豎向分布

1.3 荷載組合

工況一，結(jié)構(gòu)自重+列車脈動力；

工況二，結(jié)構(gòu)自重+列車脈動力+風(fēng)力(風(fēng)速采用25 m/s)；

工況三，結(jié)構(gòu)自重+風(fēng)力(按重現(xiàn)期100年風(fēng)速計算)。

疲勞計算采用工況一,強度計算、穩(wěn)定性計算及變形計算采用工況二和工況三。

2 聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞計算方法

影響聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞強度的主要因素是作用的應(yīng)力幅或應(yīng)力比以及應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)。其中,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是指在連續(xù)重復(fù)荷載作用下由最大到最小的循環(huán)次數(shù),與使用壽命有關(guān)。一般來說,當(dāng)應(yīng)力幅小于一定數(shù)值時,即使應(yīng)力無限多循環(huán),亦不至產(chǎn)生疲勞破壞,即達到通稱的疲勞極限。但由于高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)承受的列車脈動力荷載為非連續(xù)作用,承受的應(yīng)力幅較大,結(jié)構(gòu)重要性高,疲勞允許應(yīng)力幅[Δσ0]應(yīng)按照疲勞抗力方程,以實際發(fā)生的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(使用壽命內(nèi))計算。以京津城際為例,按50年使用年限計算,遠期每天運行195對列車,聲屏障在列車車頭和車尾通過時受2次脈動風(fēng)壓的沖擊,所以計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N按每列車2次計算,即N=2×195×50×365=7.12×106次。

在疲勞作用計算時,同時要考慮因速度增加導(dǎo)致大密度運量增加而產(chǎn)生的疲勞損傷修正系數(shù)γn。另外厚板的材質(zhì)及焊接、制造工藝有許多比較難保證的因素,對疲勞強度將產(chǎn)生下降的影響。還要考慮板厚修正系數(shù)γt。

高速列車脈動力屬于非對稱荷載,最大應(yīng)力和最小應(yīng)力不同,在相同的循環(huán)次數(shù)下,能承受的最大應(yīng)力也不同,設(shè)計時允許應(yīng)力幅用ρ=σmin/σmax=0表示,故在最大應(yīng)力控制時,應(yīng)乘以應(yīng)力比修正系數(shù)γp。

2.1 聲屏障鋼立柱疲勞計算

鋼立柱的疲勞允許應(yīng)力幅類別根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定按Ⅰ類計算,其計算疲勞抗力方程式為

lgN+4lgσ=15

(5)

式中N——循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)上式計算的σ值即為疲勞允許應(yīng)力幅[Δσ0]。

根據(jù)脈動力研究得知,脈動力為非對稱循環(huán)動力荷載,為拉-壓構(gòu)件,應(yīng)力比在0.8～0.95,應(yīng)力比修正系數(shù)γp取0.6,根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定

(6)

式中γd——雙線橋的雙線系數(shù),取1.0；

γt——板厚修正系數(shù),取=1.0；

γp——應(yīng)力比修正系數(shù),取0.6；

K——安全系數(shù),取1.0。

2.2 螺栓疲勞計算

按機械設(shè)計手冊第五篇第三章“螺栓連接計算”中的有關(guān)規(guī)定進行計算。

螺栓的疲勞極限應(yīng)力σ-1t計算,

計算應(yīng)力幅

(7)

(8)

式中σap——許用應(yīng)力幅；

ε——尺寸因數(shù);

Kt——螺紋制造工藝因數(shù);

KU——受力不均勻因數(shù)；

Kσ——缺口應(yīng)力集中因數(shù);

Sa——安全因數(shù);

CL/(CL+CF)——剛度系數(shù)。

2.3 焊縫疲勞計算

焊縫的疲勞允許應(yīng)力幅類別根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定按Ⅱ類計算,其計算疲勞抗力方程式為

lgN+3.5lgσ=13.6

(9)

根據(jù)上式即可計算疲勞允許應(yīng)力幅σ=[Δσ0]。

如前所述,按-σmin=0.9σmax進行計算,則按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定

(10)

式中γd——雙線橋的雙線系數(shù),取1.0；

γn——損傷修正系數(shù),取1.3～1.5；

γt——板厚修正系數(shù),取=1.0。

3 聲屏障結(jié)構(gòu)連接方式

3.1 連接方式

聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接方式?jīng)Q定了聲屏障結(jié)構(gòu)整體強度和抗疲勞性能。國外初期建造的高速鐵路聲屏障,由于聲屏障立柱與基礎(chǔ)連接方式不合理,聲屏障使用一段時間后,產(chǎn)生立柱底板松動、立柱變形加大等現(xiàn)象,進而造成了聲屏障板材破壞。因此,聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接方式是聲屏障結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)作用于高速聲屏障結(jié)構(gòu)動力荷載的特性,結(jié)合聲屏障現(xiàn)場安裝要求,提出如圖3所示的立柱與基礎(chǔ)連接方式,主要包括橋梁遮板預(yù)留接口與上部安裝兩部分。

圖3 聲屏障立柱與基礎(chǔ)連接

其主要技術(shù)特點如下。

(1)在橋梁遮板內(nèi)預(yù)埋摩擦型高強度螺栓。摩擦型高強度螺栓連接緊密,變形小,耐疲勞,安裝簡單,特別適合于受動力荷載的聲屏障結(jié)構(gòu)。通過預(yù)先施加預(yù)緊力,可以將振動荷載轉(zhuǎn)化為各連接單元的單一內(nèi)部振動荷載。

(2)采用U形摩擦型高強度螺栓。列車脈動力作用于聲屏障結(jié)構(gòu)時,在垂直線路方向,基礎(chǔ)螺栓具有當(dāng)一側(cè)螺栓受力時,另一側(cè)螺栓不受力的特點。根據(jù)這一特點,在垂直線路方向采用U形螺栓,就可在滿足螺栓錨固長度要求的情況下,有效減少了螺栓長度。

(3)在立柱底板下設(shè)置調(diào)節(jié)螺母,用于聲屏障安裝時調(diào)節(jié)安裝高度,有利于現(xiàn)場安裝,從而能更好地滿足安裝精度要求。

(4)在調(diào)節(jié)螺母與立柱底板之間放置彈性薄墊片。通過這種方式,螺栓只承受拉力,壓力完全由混凝土承擔(dān),避免了交互的內(nèi)部荷載,改變了螺栓受力狀態(tài),提高了螺栓的耐疲勞性能。

(5)采用高強螺栓、防松動墊圈和雙螺母三層防護,確保了聲屏障立柱與基礎(chǔ)連接緊固,避免了出現(xiàn)螺母松動現(xiàn)象。

3.2 工程中的應(yīng)用

京津城際客運專線聲屏障設(shè)計采用了以上所述的這種設(shè)計方式,通過1年多的運營來看,效果很好,目前每天運行的列車對數(shù)為59對,最高時速為350 km,聲屏障高度設(shè)計為2種,即2.15 m和3.15 m,設(shè)置位置位于橋梁的遮板頂部。2008年10月中國鐵道科學(xué)研究院對京津城際聲屏障進行了應(yīng)力應(yīng)變的測試,第3根立柱上應(yīng)力測點位置見圖4及圖5,測試地點在武清靜湖小區(qū),此處聲屏障高度為3.15 m,表2為測點6、7、8、9在各速度檔下的應(yīng)力幅值。

從表2可以看出,在列車時速320 km時,最大應(yīng)力值為17.42 MPa,結(jié)構(gòu)允許值為140 MPa,偏于安全。但設(shè)計中是以構(gòu)件的疲勞應(yīng)力為控制應(yīng)力,允許疲勞應(yīng)力值要小于構(gòu)件強度本身允許應(yīng)力值,按照循環(huán)次數(shù)7.12×106計算鋼柱的疲勞允許應(yīng)力幅[σ0]=106.8 MPa(《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10002.2—2005)中表3.2.7-1),從測試結(jié)果看,對這種主要承受動力荷載的結(jié)構(gòu),也是安全的。所以采用上述計算方法及構(gòu)件連接方式在實際應(yīng)用中是可行的。

圖4 第三根立柱應(yīng)力測點示意

圖5 現(xiàn)場測點

表2 第三根立柱不同測點在各速度檔下的應(yīng)力幅值統(tǒng)計

4 結(jié)論

(1)高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、列車脈動力三部分。

(2)聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞計算應(yīng)按照實際的循環(huán)次數(shù)計算疲勞允許應(yīng)力幅。

(3)列車脈動力荷載具有非對稱循環(huán)動力荷載特性。由于高速鐵路列車運行密度高,聲屏障主體結(jié)構(gòu)使用壽命長,聲屏障結(jié)構(gòu)必須具有很高的耐疲勞性能。

(4)聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接方式是聲屏障結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接應(yīng)采用摩擦型高強度螺栓連接。

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[5]鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司.客運專線聲屏障設(shè)計的研究報告[R].天津:2004．