新型軌道交通混凝土聲屏障單元板抗風(fēng)性能研究

欒皓翔， 朱萬(wàn)旭， 周紅梅， 秦亦偲， 酆 磊

(1. 廣西科技大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院, 廣西 柳州 545006；2. 廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學(xué) 土木與建筑工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

高速列車在高速行駛時(shí)，對(duì)周邊的空氣造成強(qiáng)烈擾動(dòng)，列車車廂通過(guò)聲屏障的瞬間，擾動(dòng)更加嚴(yán)重，同時(shí)造成突然的空氣壓力作用在聲屏障表面上，造成瞬時(shí)的壓力沖擊，在很短的幾十毫秒內(nèi)相繼出現(xiàn)正負(fù)壓力最大值，此瞬態(tài)壓力沖擊即為列車駛過(guò)聲屏障時(shí)產(chǎn)生的列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力[1]。此風(fēng)脈沖擊動(dòng)力由3部分組成：先正壓后負(fù)壓的頭波、中間由于車廂間的間隔產(chǎn)生的間隔波、先負(fù)壓后正壓的尾波，見(jiàn)圖1。頭波正壓大于負(fù)壓，尾波負(fù)壓大于正壓[2]。風(fēng)脈沖擊動(dòng)力的分布與列車的車速、軌道中心線至聲屏障距離、列車的車頭系數(shù)及聲屏障的高度等因素有關(guān)[3-4]。列車通過(guò)聲屏障時(shí)產(chǎn)生的脈沖波由不同頻率的部分組成，國(guó)內(nèi)外有關(guān)研究表明：當(dāng)列車以350 km/h的速度行駛時(shí)，其通過(guò)聲屏障時(shí)產(chǎn)生的能量主要集中在4～6 Hz的范圍內(nèi)。由于列車的啟動(dòng)風(fēng)壓沖擊脈動(dòng)力是動(dòng)力荷載，當(dāng)脈動(dòng)力的主要能量集中頻率同聲屏障的固有頻率相同時(shí)，產(chǎn)生共振，聲屏障的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。

另外，在使用期內(nèi)，列車設(shè)計(jì)通行次數(shù)高達(dá)210對(duì)/d，列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力還可能造成聲屏障疲勞破壞，故有必要對(duì)軌道交通混凝土聲屏障的抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。

1 氣動(dòng)風(fēng)壓荷載取值

國(guó)內(nèi)外計(jì)算列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力設(shè)計(jì)值的代表性文獻(xiàn)為[5-6]。此外，金蕾[7]對(duì)列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力值進(jìn)行了實(shí)測(cè)。由于以上取值結(jié)果存在一定差異，因此通過(guò)規(guī)范計(jì)算值和實(shí)測(cè)值比較討論確定列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力設(shè)計(jì)值。聲屏障安裝一般距離近側(cè)軌道中心線3.5～4.2 m，越靠近軌道列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力值越大，按照下列計(jì)算方法計(jì)算距離軌道中心線不同位置處的列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力值。

1.1 國(guó)內(nèi)計(jì)算方法

文獻(xiàn)[5]對(duì)氣動(dòng)力做出了規(guī)定：當(dāng)列車駛過(guò)時(shí)，產(chǎn)生的氣動(dòng)壓力和氣動(dòng)吸力，可看作是5 m長(zhǎng)的移動(dòng)面荷載+q和5 m長(zhǎng)的移動(dòng)面荷載-q[3]，見(jiàn)圖2。氣動(dòng)力由水平氣動(dòng)力qh和垂直氣動(dòng)力qv組成，列車駛過(guò)對(duì)不同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生作用力見(jiàn)圖3。水平氣動(dòng)力qh作用在規(guī)定之上的最大高度為5 m，可由圖4的曲線查取[7]。垂直氣動(dòng)力qv計(jì)算式為

(1)

式中：qh為水平氣動(dòng)力；D為作用線至線路中心的距離，m。

對(duì)位于聲屏障頂蓋下的構(gòu)件或建筑物，qh與qv應(yīng)再乘以1.5的阻擋系數(shù)。面荷載qh和qv需與有車的風(fēng)荷載進(jìn)行疊加。對(duì)于因氣動(dòng)力而引起結(jié)構(gòu)的振動(dòng)，其氣動(dòng)力還應(yīng)考慮動(dòng)力放大系數(shù)，該系數(shù)通過(guò)研究確定[8-9]。

由圖4可知，取D=4 m、vv=350 km/h時(shí)，列車水平氣動(dòng)力qh≈0.78 km/m2；D=4 m、vv=250 km/h時(shí)，列車水平氣動(dòng)力qv≈0.40 km/m2。

1.2 英國(guó)鐵路聲屏障設(shè)計(jì)規(guī)范空壓值計(jì)算方法

列車對(duì)聲屏障的氣動(dòng)風(fēng)壓p1k的計(jì)算式為[6]

(2)

(3)

式中：k1為列出形狀系數(shù)，貨車k1=1.00，客車k1=0.85，流線型車頭如ICE系列等k1=0.60；ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；vv為列車車速，m/s；Cp1為空壓系數(shù)，取決于軌道中心線至屏障距離；Y為軌道中心線至聲屏障距離，m。

取Y=4 m，vv=350 km/h=97 m/s，k1=0.60，ρ=1.25 kg/m3，代入式(2)、式(3)，p1k=0.563 3 kN/m2，Cp1=0.159。

當(dāng)取聲屏障內(nèi)側(cè)距離近側(cè)軌道中心線分別為3.5、4.2 m時(shí)，在列車運(yùn)行速度為350 km/h時(shí)，列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力分別為0.71、0.53 kN/m2。由計(jì)算結(jié)果可知，聲屏障安裝位置越靠近近側(cè)軌道中心線，列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力值越大，本文取一般工程實(shí)際當(dāng)中，聲屏障的安裝位置為距離近側(cè)軌道中心線為4 m進(jìn)行研究。

某研究所對(duì)京滬高速鐵路某路段的聲屏障進(jìn)行列車氣動(dòng)風(fēng)壓值測(cè)試，該段聲屏障長(zhǎng)度為500 m，高度為2.15 m，橋梁高度為9.9 m，聲屏障內(nèi)側(cè)距離近側(cè)軌道中心線約為3.5 m。測(cè)試車型為CRH380AL、CRH380BL兩種，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 列車氣動(dòng)風(fēng)壓實(shí)測(cè)值

結(jié)合以上國(guó)內(nèi)外各技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)列車氣動(dòng)風(fēng)壓脈動(dòng)力的數(shù)值，并結(jié)合我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范對(duì)非金屬聲屏障單元板的技術(shù)要求，同時(shí)還必須考慮一定的安全冗余度，聲屏障單元板的抗風(fēng)壓性能必須滿足：一般風(fēng)速地區(qū)抗風(fēng)壓性能≥3.5 kPa，臺(tái)風(fēng)地區(qū)抗彎曲斷裂荷載≥7 kPa[10-11]。

2 新型非金屬聲屏障單元板有限元模擬分析

2.1 新型非金屬聲屏障單元板的結(jié)構(gòu)構(gòu)造

聲屏障單元板的尺寸大小為3 960 mm×500 mm×140 mm，為了保證吸音效果，聲屏障單元板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為表面布置有吸音孔的長(zhǎng)方體空心結(jié)構(gòu)。吸音孔的孔隙率為30%，尺寸大小為20 mm×150 mm。制作聲屏障的混凝土采用鋼纖維粉末混凝土，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)100 MPa以上，抗拉強(qiáng)度在9 MPa以上，鋼筋采用普通的HPB300鋼筋[12]。

混凝土聲屏障單元板見(jiàn)圖5，單元板結(jié)構(gòu)構(gòu)造見(jiàn)圖6。

2.2 新型非金屬聲屏障單元板的有限元模擬分析

借助于有限元分析程序ANSYS，建立三維有限元分析模型，對(duì)聲屏障單元板的抗風(fēng)性能進(jìn)行模擬分析。為了便于建模、減少計(jì)算量和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建模時(shí)將面板開孔形狀和單元板截面進(jìn)行簡(jiǎn)化，將截面簡(jiǎn)化為矩形進(jìn)行ANSYS建模[13-14]，見(jiàn)圖7。

混凝土采用Solid65單元模擬，鋼筋采用Pipe16單元模擬[14-15]。在程序ANSYS中，進(jìn)行對(duì)稱式建模，即只建立一半模型。兩端簡(jiǎn)支，背板無(wú)吸音孔，面荷載直接施加在背面上，包括壓力和吸力，模擬自然風(fēng)荷載和氣動(dòng)風(fēng)壓，程序自動(dòng)添加自重及給定材料密度。在模擬中，施加均布力進(jìn)行分析，試件對(duì)稱后的有限元模型見(jiàn)圖8。

混凝土彈性模量E=5.1×104MPa，泊松比λ=0.25，混凝土裂縫張開的剪力傳遞系數(shù)為0.45，裂縫閉合的剪力傳遞系數(shù)為0.9，抗拉強(qiáng)度為9.0 MPa，不考慮混凝土的抗壓破壞，取混凝土的單軸壓碎應(yīng)力為0；鋼筋彈性模量Es=2×105MPa，泊松比λ=0.3，極限抗拉強(qiáng)度420 MPa。非金屬聲屏障單元板由兩側(cè)H型鋼立柱產(chǎn)生約束。因此，在構(gòu)件的一側(cè)設(shè)置固定端約束，另一側(cè)設(shè)置簡(jiǎn)支約束[13,15]，分別在聲屏障單元板的面板、背板上施加3.5、7.0 kPa的均布荷載模擬聲屏障單元板在實(shí)際工程應(yīng)用中受到的脈動(dòng)風(fēng)壓，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

工況/kPa最大撓度/mm鋼筋最大拉應(yīng)力/MPa混凝土最大拉應(yīng)力/MPa面板受壓3.53.378.6335.295背板受壓3.54.9617.0356.205面板受壓7.06.9317.2677.488背板受壓7.06.7522.7988.278

2.3 ANSYS計(jì)算結(jié)果分析

(1) 由上述計(jì)算結(jié)果可知，在面荷載7 kPa時(shí)，各截面單元板的混凝土最大拉應(yīng)力均小于設(shè)定的混凝土抗拉強(qiáng)度9 MPa，結(jié)果表明：在面荷載7 kPa時(shí)上述各截面單元板均沒(méi)有發(fā)生開裂，滿足承受抗彎曲斷裂荷載的要求。

(2) 最不利情況下，單元板在承受面荷載7 kPa跨中撓度最大為6.93 mm，小于文獻(xiàn)[16]中的設(shè)計(jì)限值l/200=19.8 mm，滿足要求。

(3) 最不利情況下，單元板在承受面荷載7 kPa時(shí)鋼筋的最大拉應(yīng)力為22.798 MPa，遠(yuǎn)小于鋼筋的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值270 MPa，滿足要求。

3 結(jié)論

(1) 在一般風(fēng)速地區(qū)，面板和背板上分別施加3.5 kPa荷載時(shí)，計(jì)算結(jié)果顯示鋼筋和混凝土的最大拉應(yīng)力均遠(yuǎn)小于鋼筋和混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

(2) 在臺(tái)風(fēng)地區(qū)，面板和背板上分別施加7 kPa的荷載時(shí)，結(jié)果顯示最不利的情況下鋼筋和混凝土的最大拉應(yīng)力均小于鋼筋和混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，滿足要求。

(3) 在最不利的情況下，當(dāng)面板承受7 kPa時(shí)，單元板的跨中撓度最大為6.93 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范設(shè)計(jì)限值，滿足變形要求。

綜上所述，新型聲屏障單元板在一般風(fēng)速地區(qū)承受3.5 kPa的風(fēng)荷載和在臺(tái)風(fēng)地區(qū)承受7 kPa的風(fēng)荷載時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力和變形均低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范，滿足工程實(shí)用性要求。