高速铁路非金属声屏障单元板结构性能分析

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高速铁路非金属声屏障单元板结构性能分析
摘 要:随着高速铁路的快速发展,轨道噪声不可避
免的对沿线居民造成一定的影响,设置声屏障是有效控制噪
声的手段。非金属声屏障单元板由于其造价低,耐久性能好,
正逐渐替代金属声屏障,广泛应用在铁路声屏障建设中。由
于非金属声屏障单元板材质及结构多样化,通过对铁路上常
见的三种非金属结构进行有限元模拟计算,分析各类结构的
安全性并给出相应的优化建议。

关键词:高速铁;声屏障;非金属声屏障单元板;有限
元分析;结构优化
伴随着铁路建设的快速发展,高速铁路带来的噪声也影
响着沿线的居民,需要大量设置声屏障控制轨道噪声。和金
属单元板相比较,非金属单元板具有造价低、耐久性好的特
点,正逐渐替代金属声屏障,广泛应用在铁路声屏障建设中。
但非金属单元板质量问题层出不穷,安装运营后开裂破损现
象较多,其安全性及耐久性能否满足高速铁路的气动荷载有
待商榷。由于非金属单元板材质及结构的多样性,目前高速
铁路上常见的非金属单元板分为三种:挤拉板,与建筑工程
中墙面板工艺类似,没有配备钢筋;双层复合板,通常结构
为混凝土背层复合轻质吸声面层;现浇中空板,结构形式通
长为20~30mm混凝土面板与背板,结构中空,内填吸声材
料。本文利用ANSYS有限元软件对以上三种结构进行有限
元模拟计算,对三种非金属结构进行安全分析。
1 声屏障荷载
本声屏障单元板考虑的设计荷载有自重、列车脉动力、
自然风荷载和地震力等,本文主要研究在以上荷载作用下声
屏障单元板的抗弯能力分析。根据《时速350km客运专线铁
路 路基插板式非金属声屏障》(铁路工程建设通用参考图,
通环(2009)8326),声屏障单元板的抗弯曲断裂荷载如下
表1:
抗弯曲断裂荷载 台风地区 ≥7kPa
一般风速地区 ≥3.5kPa
2 声屏障基础参数设置
两种声屏障单元板均为由面板、背板、竖肋构成的中空
预制C40普通钢筋混凝土板,面(背)板厚度和竖肋宽度均
为20mm;面板上布置吸音孔,背板无吸音孔,吸音孔布置
按降噪要求进行设计;中间填充或内嵌网格布、岩棉吸声材
料;单元板嵌插在H型钢立柱上,按两边简支分析;具体构
造如下表2:
声屏障类型 配筋 外观尺寸 竖肋个数
SPZ1 无 1960*500*140 6
SPZ2 3960*500*140 3
通过有限元模拟软件ANSYS对声屏障单元板进行模
拟,对声屏障单元板的挠度和应力等进行抗弯分析。混凝土
采用SOLID65单元,弹性模量E=3.25E4,泊松比λ=0.2,
混凝土裂缝张开的剪力传递系数为0.45,裂缝闭合的剪力传
递系数为0.9,抗拉强度为2.39,由于不考虑混凝土抗压破
坏,取单轴抗压强度为-1;钢筋采用PIPE16单元钢筋的弹性
模量E=2E5,泊松比λ=0.3。
3 声屏障单元板模拟分析
声屏障SPZ1模拟分析(台风地区、抗弯曲断裂荷载
7kPa):
单元板变形
混凝土拉应力
该单元板竖肋较多,通过增大截面尺寸来增强截面的抗
弯能力。在台风地区,抗弯曲断裂荷载7kPa的情况下,单
元板跨中最大挠度仅为0.28mm远少于规定限值ω≤15mm;
混凝土最大拉应力为1.474N/mm2也少于C40混凝土抗拉强
度设计值ft=1.71N/mm2,此时声屏障单元板上没有裂缝。该
板能满足7kPa抗弯曲荷载的设计要求,适用于台风地区,
但考虑到素混凝土为脆性材料,应在板内配置适量的构造钢
筋,且配筋率不少于规定的最少配筋率。
声屏障SPZ2模拟分析(一般风速地区、抗弯曲断裂荷
载3.5kPa):
单元板变形
混凝土拉应力
该板截面简单,自重较小且制作方便;板内配置了适量
的钢筋,具有较好的抗弯能力。在一般风速地区抗弯曲断裂
荷载3.5kPa的情况下,跨中最大挠度11.55mm小于规定限
值ω≤15mm,满足变形要求;混凝土最大拉应力达到了
2.386mm,接近混凝土的抗拉强度标准值,单元板可能已经
开裂。为了使该板能适用于一般风速地区,建议使用强度等
级更高的混凝土(如C60)或增大竖肋和面(背)的厚度来
提高板的抗弯能力。
4 结语
声屏障SPZ1的跨度较小,抗弯曲能力强,适用于弯曲
荷载较大的台风地区。声屏障SPZ1虽然自重较大,但是只
配置少量钢筋更加经济。声屏障SPZ2的跨度较大,相对来
说抗弯能力较弱。
参考文献
[1] JTG D60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].
[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京:中国建
筑工业出版社,2010.
[3] GB50009-2012.建筑结构规范[S].北京:中国建筑工业
出版社,2012.
作者简介:谭晓燕(1965- ),女,湖南邵阳人,本科,
工程师,研究方向:土木工程结构。