上海軌道交通17號(hào)線聲屏障工程深化設(shè)計(jì)

彭翰澤

（西藏中馳集團(tuán)股份有限公司上海分公司， 上海 201100）

0 引言

軌道交通聲屏障目前并沒有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)金屬屏體的防腐、隔聲、強(qiáng)度、防腐等要求各城市均不相同，通常金屬屏體主要用于吸聲、隔聲。屏體外殼采用金屬材料，材料主要為鋁板與鍍鋅鋼板。金屬材料通過鈑金折彎或輥壓后將吸聲材料填置于空腔內(nèi)。面板開孔主要有圓孔、百葉孔、微穿孔、復(fù)合針孔[1]。

對(duì)于金屬屏體結(jié)構(gòu)如何設(shè)計(jì)滿足軌道交通要求，無明確的指導(dǎo)與驗(yàn)證。這就導(dǎo)致產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量參差不齊，出現(xiàn)產(chǎn)品問題時(shí)無法界定責(zé)任，因此迫切需要進(jìn)行深入的研究以改善現(xiàn)狀。

1 項(xiàng)目背景

上海軌道交通17 號(hào)線西起東方綠洲站，東至虹橋火車站站。線路自起點(diǎn)由西向東沿滬青平公路——淀山湖大道——盈港路——崧澤大道走行。線路長35.341km，共設(shè)車站13 座。其中，高架線18.479km，地下線16.157km，敞開段0.705km。全線設(shè)徐涇車輛段和朱家角停車場各1 座。高架沿線有居民住宅等建筑物，屬噪聲敏感點(diǎn)。

本項(xiàng)目聲屏障原設(shè)計(jì)采用的為尖劈金屬屏體，在常規(guī)的金屬屏體吸聲面，增加了2 塊尖劈狀、2 塊等腰T 型狀的小吸聲屏，二者通過鉚釘錨固在金屬屏體中，從而增加了吸聲面，較常規(guī)金屬屏體可極大的提高吸聲效果。

經(jīng)過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，這種形式的金屬屏體，其尖劈部分在以往項(xiàng)目運(yùn)營過程中出現(xiàn)一定程度的掉落，類似的軌道交通屏體存在不同程度的銹蝕，使用壽命不能達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，并且掉落的尖劈小屏體對(duì)形成存在安全隱患，需要對(duì)聲屏障進(jìn)行重新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2 聲屏障金屬屏體設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)狀調(diào)查與分析

2.1.1 尖劈屏掉落：

通過對(duì)已使用該金屬屏體運(yùn)行的項(xiàng)目上海地鐵3 號(hào)線、6 號(hào)線進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研與技術(shù)分析，產(chǎn)品應(yīng)用工況為軌道交通，聲屏障主要受到四種荷載：

第一：風(fēng)荷載，也是聲屏障的主要荷載，聲屏障由于起到了阻擋風(fēng)的作用，當(dāng)風(fēng)經(jīng)過時(shí)，風(fēng)荷載傳遞至金屬屏體，金屬屏體傳遞至立柱，立柱傳遞至基礎(chǔ)，風(fēng)荷載的設(shè)計(jì)取值評(píng)估，對(duì)聲屏障整體的安全性起到至關(guān)重要的作用。

第二：自重荷載，聲屏障（包括立柱與屏體）荷載對(duì)屏下基礎(chǔ)產(chǎn)生的荷載。

第三：脈沖動(dòng)力，高速行駛的列車在通過聲屏障的瞬間，產(chǎn)生強(qiáng)烈擾動(dòng)會(huì)加劇。造成聲屏障表面的空氣壓力突變，形成一種瞬態(tài)壓力沖擊，在約幾十毫秒之間相繼出現(xiàn)正、負(fù)壓力峰值，這一瞬態(tài)壓力沖擊即為列車駛過聲屏障時(shí)產(chǎn)生的列車風(fēng)脈沖動(dòng)力。脈動(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)以及聲屏障高度等因素有關(guān)。

第四：列車經(jīng)過時(shí)，引起橋面振動(dòng)進(jìn)而引發(fā)金屬屏體上下位移產(chǎn)生的微觀剪切力。

通過查詢規(guī)范GB/T51335-2018 以及09MR603 可知，目前聲屏障的設(shè)計(jì)驗(yàn)算只考慮風(fēng)荷載和自重荷載，對(duì)疲勞荷載和振動(dòng)并沒有合適的計(jì)算方式和具體的要求，設(shè)計(jì)要求存在一定程度的缺失。

結(jié)合軌道交通項(xiàng)目實(shí)際情況，原有的金屬屏體采用尖劈式屏體，中心靠前，連接尖劈小屏體和主屏體之間鉚釘所承受豎向剪切力，在振動(dòng)的情況下進(jìn)一步放大，導(dǎo)致鉚釘松動(dòng)脫落，進(jìn)而引發(fā)尖劈屏體掉落，產(chǎn)品需重新設(shè)計(jì)。

2.1.2 屏體銹蝕：

屏體銹蝕主要是因?yàn)椴捎昧隋冧\鋼板，其作為背板、龍骨，通過鉚釘與面板連接，由于鍍鋅鋼板開孔位置后防腐性能變差，產(chǎn)生銹點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)大面積的腐蝕。軌道交通聲屏障一旦安裝，更換維保的難度大、成本高，并且銹蝕后整體強(qiáng)度難以保證，上海又處臺(tái)風(fēng)地區(qū)，因此對(duì)材料也應(yīng)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.2 材料設(shè)計(jì)

鋁板質(zhì)輕、防腐性能好，在金屬屏體中為主要結(jié)構(gòu)材料，常用作金屬屏體面板、背板。

鍍鋅鋼板成本低，強(qiáng)度好，一般應(yīng)用在非鐵路項(xiàng)目。

聲屏障項(xiàng)目中作為背板和龍骨的主要材料，但由于邊緣易腐蝕，影響結(jié)構(gòu)安全。鍍鋅鋼板的牌號(hào)為：DX51D+Z，Z 后面的即為鋼板的鍍鋅量。通過性能對(duì)比可知，鋁板的綜合性能更好，因此，建議面板、背板材料選用鋁合金板，材質(zhì)為3 系或5 系鋁板，具體牌號(hào)范圍需通過強(qiáng)度驗(yàn)算后進(jìn)行確認(rèn)。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研的情況，尖劈結(jié)構(gòu)無法較好的應(yīng)用在軌道交通，無論是鋁板還是鍍鋅板，鉚釘對(duì)板材均有破壞，同等材質(zhì)厚度下，金屬屏體板材在不斷的振動(dòng)情況下，力直接作用在剛性點(diǎn)上（即鉚釘點(diǎn)與焊接點(diǎn)），板材容易拉裂、鉚釘容易拉斷、焊接點(diǎn)脫焊，引起結(jié)構(gòu)破壞。

因此在軌道交通中，需采用更好的金屬屏體加工方式。

通過對(duì)聲屏障行業(yè)調(diào)研可知，與軌道交通聲屏障相同工況的還有高速鐵路聲屏障，高速鐵路聲屏障的脈動(dòng)力荷載與振動(dòng)均高于軌道交通，并對(duì)聲屏障的抗疲勞有明確的指標(biāo)要求：在4Hz 頻率下進(jìn)行400 萬次的疲勞測試，以驗(yàn)證產(chǎn)品抵抗脈動(dòng)力荷載的能力，因此，其金屬屏體的結(jié)構(gòu)值得借鑒，通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，高鐵采用金屬屏體為無鉚釘設(shè)計(jì)，屏體沒有剛性節(jié)點(diǎn)，板材依靠自身拉伸性能整體分擔(dān)荷載，結(jié)構(gòu)更為安全。

2.4 吸隔聲設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目金屬屏體降噪系數(shù)≥0.7，計(jì)權(quán)隔音量30dB(A)，由于鋁板密度為2700kg/m3，而鍍鋅鋼板為7850kg/m3，同厚度下隔音量低于鍍鋅鋼板，為滿足本項(xiàng)目計(jì)權(quán)隔音量的要求，本項(xiàng)目采用70kg/m3巖棉+8mm 水泥板進(jìn)行吸隔聲設(shè)計(jì)。

3 降噪效果及力學(xué)模擬分析

3.1 產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸圖

經(jīng)上述設(shè)計(jì)分析后，上海軌道交通地鐵17 號(hào)線聲屏障金屬屏體采用1.5mm 鋁合金板作為面背板材料，面背板通過無鉚釘扣合式，內(nèi)部采用70kg/m3巖棉+8mm 水泥板，設(shè)計(jì)圖如下：

圖1 金屬聲屏障結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 金屬聲屏障單元板有限元模擬分析

本節(jié)采用非線性有限元分析程序ANSYS，建立三維有限元分析模型，對(duì)金屬聲屏障單元板的結(jié)構(gòu)受力性能進(jìn)行模擬分析。實(shí)際的聲屏障單元板采用面板和背板插接的方式進(jìn)行裝配，插接部分為雙層鋁合金板疊合。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的傳力模式，對(duì)有限元模型進(jìn)行了簡化，將疊合部分的雙層鋁合金板偏保守地簡化為單層鋁合金板。

（1） 結(jié)構(gòu)分析所采用的單元

結(jié)構(gòu)分析采用殼單元SHELL181 來模擬；

（2） 模型網(wǎng)格劃分

在ANSYS 中，進(jìn)行對(duì)稱式建模，即只建立一半模型，如圖2（a）所示。在模擬中，以施加均布力進(jìn)行分析，試件對(duì)稱后的有限元模型如圖2（b）所示。模型單元網(wǎng)格劃分情況如圖2（c）所示。

圖2 有限元模型圖

（3） 加載與邊界條件

金屬聲屏障單元板通過橡膠條嵌插在H 型鋼立柱之間，視為側(cè)向簡支約束；整體放置在下方金屬聲屏障單元板上，視為豎向支承約束，如圖3 所示。

自重，通過給定材料密度，程序自動(dòng)施加。豎向荷載直接施加在上緣板，模擬上部結(jié)構(gòu)的荷載。面荷載直接施加在面板上，模擬自然風(fēng)荷載和氣動(dòng)風(fēng)壓。

圖3 模擬荷載圖

（4）計(jì)算工況及分析結(jié)果

根據(jù)金屬聲屏障單元板的實(shí)際工作狀態(tài)，選用輕軌極限荷載（自重+180kg豎向荷載+3.15kPa 面荷載）,計(jì)算結(jié)果如下:

圖4 工況分析圖

輕軌極限荷載（自重+180kg 豎向荷載+3.15kPa 面外荷載）下，單元板等效應(yīng)力最大值為111MPa，低于屈服強(qiáng)度160MPa，滿足設(shè)計(jì)要求。面板的面外變形最大值為26.6mm，而主屏體面外變形最大值為3.3mm，小于允許變形值19.6mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 抗彎曲斷裂荷載驗(yàn)證

為驗(yàn)證抗彎曲斷裂荷載，通過模擬實(shí)驗(yàn)室測試條件，逐級(jí)加載荷載，其加載結(jié)果如下：

表1 抗彎曲斷裂荷載加載情況表

該樣品LA=1960mm，最大彈性撓度在B 處，測量值為9mm；最大殘余變形在A 處與B 處，測量值為2mm。滿足TB/T3122 要求，樣品結(jié)構(gòu)剛度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較大的性能冗余。

3.4 實(shí)驗(yàn)室實(shí)測結(jié)果

通過檢測，產(chǎn)品降噪系數(shù)0.76，計(jì)權(quán)隔音量33dB(A),抗疲勞性能滿足450萬次不破壞，抗彎曲斷裂荷載8.0kpa,各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

通過對(duì)軌道交通聲屏障金屬屏體的設(shè)計(jì)與研究，使得上海地鐵17 號(hào)線聲屏障工程順利實(shí)施，產(chǎn)品外形優(yōu)美整齊，產(chǎn)品壽命長達(dá)25年，降低了維保更換成本；各項(xiàng)指標(biāo)優(yōu)于設(shè)計(jì)，更是提高了安全系數(shù)，對(duì)上海軌道交通聲屏障設(shè)計(jì)起到了推動(dòng)與幫助的作用。