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高速铁路声屏障动力特性研究

2011-11-20 4页 pdf 285KB 23阅读

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高速铁路声屏障动力特性研究 2009年第 11期 铁 道 建 筑 Rai}way Engineering 10l 文章编号 -1003—1995(2009)11-0101.04 高速铁路声屏障动力特性研究 邓 跞 ,施 洲 ,刘兆丰 (1.中铁二院工程集团有限责任公司 环境工程研究院,成都 610031;2.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031) 摘要:以高速铁路声屏障为研究对象,介绍作用于声屏障的高速列车脉动风荷载的特性。分别建立单块 混凝土声屏障及金属立柱声屏障的实体有限元模型,并建立用于时程响应分析的20 m长板...
高速铁路声屏障动力特性研究
2009年第 11期 铁 道 建 筑 Rai}way Engineering 10l 文章编号 -1003—1995(2009)11-0101.04 高速铁路声屏障动力特性研究 邓 跞 ,施 洲 ,刘兆丰 (1.中铁二院工程集团有限责任公司 环境工程研究院,成都 610031;2.西南交通大学 土木工程学院,成都 610031) 摘要:以高速铁路声屏障为研究对象,介绍作用于声屏障的高速列车脉动风荷载的特性。分别建立单块 混凝土声屏障及金属立柱声屏障的实体有限元模型,并建立用于时程响应分析的20 m长板壳有限元模 型。实体、板壳声屏障模型的自振特性分析结果明,两者的基频结果相符较好,基频均在 9.0 Hz以 上,远 离高速列车的 2.0~4.0 Hz的脉动频率。两者模型差异导致 2阶以上的 自振频率存在一定差异。 高3.05 111整体式混凝土声屏障的列车脉动风荷载的时程响应分析表明,声屏障的侧向最大位移与最大 应力均较小。除透明板振动稍大外 ,结构动力性能 良好,无共振现象。 关键词:高速铁路 声屏障 自振特性 动力响应 中图分类号:U238 文献标识码 :A 声屏 障是防治铁路列车运行噪声对周围环境污染 的主要措施之一 ,已在国内外广泛采用 。我国从 20世 纪 90年代中期开始 ,在广深线石龙桥 、京广线郑州铁 一 中等处建造了铁路声屏障,积累了、施工等方面 的经验。此后,在北京城区、内昆铁路、京秦铁路、秦沈 客运专线、宝兰铁路等主要铁路干线开始了较大规模 的声屏障建设 。京津城际铁路的运营 ,标志着 350 km/ h高速铁路声屏障的实际应用 。安装在铁路沿线 的声 屏障除自重荷载外,还要承受由于高速行驶的列车通 过而引起的相当大的脉动风力。与静力荷载不同的是 动荷载会引起声屏障的振动 ,因此 ,有必要根据列车的 行驶速度,对通过列车的脉动风力效应进行详细的动 力时程响应分析模拟。 1 高速铁路声屏障的动力荷载特性 声屏障的荷载主要有 自重、列车脉动荷载、风荷 载,以及地震荷载。其中,列车的脉动荷载影响显著, 由于列车经过 ,铁路周围结构物上的脉动风荷载会上 升。声屏障由于其距离轨 道很近 ,会 承受很 大的风力 动荷载 ,即列 车的脉动风荷 载。德 国相关 ICE 3列车 脉动风荷载研究成果认为,脉动风荷载取决于以下参 数 :①列车的类型(特别是空气动力特性和车厢长度); ②列车的速度;③轨道中心线和声屏障之间的距离;④ 声屏 障的形状 和高度 。由 ICE 3两节列车经过产生 的 脉动风荷载形状如图 1所示 ,最大压力 和吸力 出现在 收稿 日期 :2009.03.30:修回 日期 :2009.08 10 作者简介:邓跞(1979一 ),男,湖南宁乡人,工程师,硕士。 列车前面。车厢的每个接合处引起较小的压力和吸力 荷载。两节 ICE的挂钩引起较大的风力循环荷载。在 列车车尾经过时,出现下一次高吸力和压力荷载。一 节列车经过时,会 出现类似的脉动风荷载。德 国的既 有研究是基于满载列车的试验测试结果 ,记 录了在德 国高速铁路线上高速列车 ICE3运行速度 300 km/h下 的风力时程 曲线 ,见 图 1。屏 障至轨道 中心线 的距离 为 3.8 m,轨面上屏 障高度 为 3 m(列车全长 400 m)。 测量数据表明,其最大脉动风压力为 450 Pa,最小值为 一 343 Pa。 600 矗 400 童加。0 幅 一200 鸶 一400 - 600 图 1 ICE 3脉动风压曲线 对高速列车压力 曲线 的频率成分进行分析可知 , 在列车前后端的两处高峰,可估计到频率约为2.0 Hz。 还可计算每节 车厢的压力波动。例 如,当速度 为 300 km/h(83.3 m/s)、车厢长约 25 m时,其频率为 3.3 HZ。 当速度 为 250 km/h时,频率为 2.8 Hz。当速度 为 350 km/h时,频率为3.9 Hz。德国已基于对现有的高速 列车旁声屏障的测量提出了公式。定义脉动风荷载为 W^ =c c ( m ) /2 其中,加 为脉冲风力荷载; 为列车的速度;c 为脉 动风压力的系数,取决于列车类型和到轨道中心线的 1O2 铁 道 建 筑 November,2009 距离 ,c (口 )=c (3.8)[14.5/(Ct +0.25) +0.116 J,P 为空气密度 ,o 为声屏障至轨道 中心距离 ,c 为轨面 以上的高度系数 。 脉动风荷载的公式理论值和测量值十分相符,同 样对中国的高速列车 CRH系列列车有借鉴作用。德 国研究资料对 CHR3列车 c。曲线的建议,其 c 曲线如 图 2所示。然而 ,德国研究资料建议对试验段用实际 列车运行来进行真正的测量,以便检验该插值曲线。 对于最终的声屏障动力设计,只有进行真正的测量,才 可以保证达到所需要的安全。 0 2O O.15 舍 010 O 05 II ∞ 0 一 O.05 一 O1O _o.15 _ 3 ^,、~一一/、 f\\ 0 - O 图 2 CHR3列车 Cp曲线 2 高速铁路混凝土声屏障及其有限元模型 2.1 高速铁路混凝土声屏障 目前,国内高速铁路(含客运专线)声屏障研究及 应用的结构形式很多,其中最受关注的主要为整体混 凝土声屏障及金属立柱插板式声屏障,而混凝土整体 式声屏障则是国内外较为新型的结构形式。整体式声 屏障采用钢筋混凝土单元板和预应力混凝土单元板两 种结构类型。钢筋混凝土单元板为平板变截 面形式, 如图 3所示。预应力混凝 土单元 板为平板等截面形 式。单元板 高为3 200 mln(即轨面以上2 050 mm),按 高度和预留加高 1.0 m通透隔声板分别配置钢 筋。单元板 宽分 别为 1 990 mm、1 295 mm、1 245 mln、 1 745 nlm,根据铁道部时速 350 km常用跨度简支箱梁 及连续梁通用参考图的梁跨进行选配。疲劳设计按不 大于210对/d运营 CRH2.300或 CRH3或 CRH5动车组 控制。声屏障插入损失值:桥梁轨面高于自然地面 8 m时,标准高度声屏障为 5 dB,预留加高 1 m声屏障为 8 dB。混凝土整体式声屏障施工方法为 :工厂预制声 屏障单元板,工地机械吊装、声屏障单元板与路基、桥 梁竖墙 A现浇连接。 2.2 声屏障有限元模型 2.2.1 实体模 型 对于整体式预制混凝土声屏障(桥梁声屏障、路基 声屏障),由于各声屏障模块 可近似认为是相互独立 的,故取一个2.0 m长的单元模块建立空间有限元模 型。模型中包括浇筑混凝土竖墙、预制混凝土声障墙 以及适当长度的桥梁主梁翼缘(桥梁声屏障)或适当范 图 3 标准高度桥梁声屏 障布置(单位 :mm) 围的声障墙下的路基基础 (路基声屏 障)。路基基础、 箱梁翼缘、竖墙以及声障墙采用 SOLID45实体单元模 拟;通透式屏体采用 SHELL63壳单元模拟;镶夹通透 式屏体的H型钢(HW100 x 100)采用 BEAM44梁单元 模拟。各形式声屏障均根据高度分轨道以上 2.05 m 和轨道以上 3.05 m(加高 1 m通透式屏体)两种情况分 别建立模型。声屏障有 限元空间模型见图 4。 2.2.2 板壳模型 为分析列车脉动荷载下声屏障的动力响应,为防 止声屏障模型短于实际连续声屏障带来的误差,取 20.0 m的声屏障作为讨论对象,有效。采用壳单元 ——she1163单元来模拟混凝土板单元以及透明板。安 装透明板的立柱采用 Beam44模拟。立柱 、板之间的连 接采用弹簧单元 Combinl4。整体式混凝土声屏障的动 力分析模型见图5。 一一i一一一一 ~ 图4 轨道以上高3.05 m 声屏障实体单元模型 图 5 3.05 m混凝土声 屏障板壳单元 3 高速铁路声屏障的自振特性分析 3.1 自振特性的结果与分析 首先,进行声屏障实体单元模型的自振特性分析。 针对声屏障的整体式混凝土声屏障进行自振特性 分析 ,并针对通透板 ,即透明板连接方式讨论 ,对通透 板参数进行讨论。各声屏障各阶自振频率见表 1。其 中,轨道以上3.05 m声屏障以通透板自振为主。轨面 以上2.05 m的混凝土声屏障的基频均在 10.0 I-Iz以上, 远高于高速列车的2~4 Hz。因此,声屏障结构基本不 会产生共振。轨面以上3.05 m的混凝土声屏障的通透 板上端未固定时(即通透板三边铰接),声屏障的低阶自 振基本都是通透板的振动,振动频率约 4.4 Hz,相对较 2009年第 l1期 高速铁路声屏障动力特性研究 103 阶数 轨道以上 2.05 Ill声屏障 轨道以上 3.05 m声屏障 轨道以上 3.05 in声屏障 (通透板三边铰接) (通透板四边铰接) 桥梁 路基 金属立柱 桥梁 路基 金属立柱 桥梁 路基 金属立柱 表 2 三种不同结构形式声 屏障自振 频率 Hz 从表 2可见,板壳模型自振特性计算结果除 3.05 m金属插板式声屏障高于前面自振特性有限元计算结 果外,2.05 m高混凝土声屏障及 3.05 m高混凝土声屏 障略低于实体模型自振特性有限元计算结果。其次,2 阶以上的自振频率差异明显 ,其主要原因在于单板结 构有限元模型与相对较长(在动力特性分析中取 20 m 声屏障作研究对象)的动力分析模型之间的差别,板壳 模型在第 2阶振型中出现各块声屏障板不同步侧向振 动的情况。这也表明,在动力分析中,必须取一定长度 的声屏障,才能保证动力计算的准确性。 4 声屏障的列车动荷载时程响应分析 在声屏障的动力仿真分析中,取20.0 m的声屏障 作为讨论对象,有效防止声屏障模型短于实际连续声 屏障带来的误差。在列车脉动力下的声屏障的的动力 仿真分析中 ,考虑到最不利情况 ,加载列车脉动风荷载 时程如图 7。 在此,主要讨论 3.05 m高整体式混凝土声屏障的 动力分析结果,其它声屏障动力分析结果基本类似。 3.05 in高混凝土声屏障的动力时程响应如图 8。从位 移的时程曲线图可知,混凝土部分响应时程图与脉动 力时程图相似,说明声屏障混凝土部分基本无共振效 应。金属立柱同样元显著共振效应。从时程响应曲线 可见 ,透明板略有一定的共振效应。最大位移 的分析 结果可 知 ,声 屏障混凝 土部分 的最大侧 向位移 介于 一 0.404~0.386 nlln之间,侧向位移相对较小 ,各部分 最大位移结果见表 3。末段金属立柱顶 的最大侧 向位 移介 于 一0.368~0.419 mill之间。中部透 明板的最大 侧向位移介于一0.618~0.611 mm之间。 声屏障混凝 l 0oO 8oo 600 400 收 200 出 0 — 2OO — 4O0 — 60o 一 800 图 6 振型立体图 f l n ^ ^ ^ ^ 一 f \/ 时间 lO 2s 。 V 图 7 350 km/h高速列车脉动压力时程曲线 铁 道 建 筑 November,2009 0.o004 0.000 3 0.000 2 吕 0.000 1 登 o - 0 0001 - 0.000 2 一 O 000 3 0000 6 0 0004 0.000 2 乓 0 O 一O OOO 2 - 0 000 4 - 0 000 6 - 0 000 8 (a)混凝土板顶部 (b)中部透明板顶 图8 高 3.05 m混凝土声屏障侧向位的时程曲线 表 3 混凝土部分 自顶部 到底部的侧向位移 film 开始段位移 中部位移 末端位移 位置 高度,m— — — — — — 最大 最小 最大 最小 最大 最小 顶部 0 0.278 —0.238 0.344 —0.375 0.386 —0.404 — 0.500 0.209 —0.173 0.256 —0.279 0.287 —0.306 — 1.125 0.128 —0.099 0.155 —0.169 0.175 —0.191 — 1.750 0.064 —0 044 0.077 —0.083 0.089 —0.100 — 2.396 0.024 —0 016 0.028 —0.030 0.034 —0.039 底部 一2.950 0 0 0 0 0 0 土部分的侧向位移自底部向顶部呈现抛物线增大,见 图9。金属立柱自底部向顶部呈现近似直线增大。透 明板的侧向位移 自底部向顶部呈现抛物线先增大后减 小,见图 10。其原因是透明板材料(亚克力)的弹性模 量很低,大约2 400 MPa,不足混凝土的 1/10,因而其变 形相对较大,顶部有角钢约束,所以,最大位移在板的 中部。声屏障顶部的最大侧向位移沿线路方向(纵向) 差别不大,其分布规律亦不明显。 位移/mm 0 0】 0 2 0 3 0 4 0 图9 声屏障混凝土部分侧向最大位移分布 1 2 最丈位移/mm 图 l0 透明板中部不同高度处侧向最大位移分布 动力响应分析结果表明,声屏障底部正应力介于 一 0.218—0.226 MPa之 间,主 拉应 力 不 大 于 0.246 MPa,可见应力相对较小 。从应力 时程曲线图可知 ,混 凝土声屏障响应时程图与脉 动力相似,说明高3.O5 m 混凝土声屏障混凝土部分动力性能良好,共振效应低。 金属立柱、透明板的应力均较小,时程响应特征类似位 移响应 。 S 结论 实体声屏障模型的自振特性分析结果表明,轨面 以上 2.05 m的声屏障的基频均在 10.0 Hz以上,远高 于高速列车脉动风荷载频率的 2~4 Hz,因此,声屏障 结构基本不会产生共振。轨面以上 3.05 m的声屏障 的低阶自振为通透板的振动。当通透板上端未固定 时,振动频率约 4.4 Hz,相对较低。当固定通透板上端 时,能有效提高通透板的 自振频率,量值达到 9.0 I-Iz 以上。20.0 m长的板壳模型自振特性基频计算结果 与实体单元模型相符较好,两者模型差异导致 2阶以 上的 自振频率存在一定差异。 高 3.05 m整体式混凝土声屏障的列车脉动风荷 载的时程响应分析表明,声屏障混凝土部分的最大侧 向位移介于 一0.404~0.386 mill之间,侧向位移相对较 小;末段金属立柱顶的最大侧向位移介于 一0.368~ 0.419 mm之 间;中部透明板的最大侧 向位移介于 一 0.618~0.611 mm之间。动应力相对较小。除透明 板振动稍大外 ,结构动力性能 良好 ,无共振现象。 参 考 文 献 [1]马筠 .对高速铁路声屏障降噪效果影响因素的探讨[J].铁 道劳动安全卫生与环保 ,2008,35(1):5-8. [2]王德利.利用声屏障降低铁路噪声对居民环境的影响[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版),2007,25(3):381—383. [3]中华人民共和国铁道部.TB100021l一2005 铁路桥涵设计 基本规范[S].北京:中国铁道出版社,2005. [4]中华人民共和国铁道部 .TB1000213--2005 铁路桥涵钢筋 混凝土和预应力混凝土结构设计规范[s].北京:中国铁道出版 社 ,2005. [5]焦长洲,高波,王广地.声屏障结构的列车脉动风致振动分 析 [J].西南交通大学学报 ,2007,429(5):531.536. (责任审编 白敏华)
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