Structural Effect on Mechanical Behavior of High-Speed Railway Sound Barriers Based on Vibration Response
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摘要:
为了研究不同开口形式的封闭式声屏障在高速列车所产生风压作用下的受力特征，以某高铁声屏障为研究对象，利用有限元软件Midas建立顶部不同开口间距的双侧封闭式声屏障及顶部不同覆盖长度的单侧封闭式声屏障整体模型；将速度为350 km/h的列车驶过时产生的脉动风压激励时程作用于声屏障结构整体模型，计算得到声屏障结构的静力响应和动力时程曲线；最后计算动力放大系数. 研究结果表明：双侧封闭式声屏障顶部增加开口间距和单侧封闭式声屏障顶部覆盖长度减小都有利于风压的释放，改善结构受力情况，随着开口间距增加或覆盖长度减小，有利作用愈加明显；对于双侧封闭式声屏障，开口2 m时立柱最大动应力是开口8 m时立柱最大应力的1.15倍，放大系数也增加0.12；对于单侧封闭式声屏障中，覆盖8 m时立柱的最大动应力是覆盖2 m时立柱的最大动应力的1.28倍，放大系数也增加0.37.
Abstract:In order to study the mechanical behavior of different forms of enclosed sound barriers under wind pressure generated by high-speed trains, taking a high-speed rail sound barrier as the research object, global models for the double-sided enclosed sound barrier structure with different top opening spacing and for the single-sided enclosed sound barrier structure with different top covering lengths were established using the finite element software Midas. The pulsating wind pressure generated by the train passing by at a speed of 350 km/h were applied to the global model of the sound barrier structures as excitations, the static response and dynamic time history curves of the sound barrier structures were calculated, and then the dynamic amplification factors were obtained. The results show that the increase of the opening spacing on the top of the double-sided enclosed sound barrier and the reduction of the top covering length of the single-sided enclosed sound barrier are both beneficial to the release of wind pressure and improvement of structural stress. As the opening spacing increases or the covering length decreases, the beneficial effect becomes more obvious. For the double-sided enclosed sound barrier structure, the maximum dynamic stress of the columns with 2 m top opening spacing is 1.15 times that with 8 m opening spacing, and the amplification factor also increases by 0.12. For the single-sided enclosed sound barrier structure, the maximum dynamic stress of columns with 8 m top covering length is 1.28 times that with 2 m top covering length, and the magnification factor increases by 0.37.
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图 4 双侧封闭式声屏障顶部开口间距2 m模型脉动风压时程函数
Figure 4. Time histories of pulsating wind pressure on the double-side closed sound barrier model with 2 m top opening spacing
图 6 不同顶部开口间距的双侧封闭式声屏障整体模型
Figure 6. Global model of the double-side closed sound barrier with different top opening spacings
图 7 不同顶部覆盖长度的单侧封闭式声屏障整体模型
Figure 7. Global model of the single-side closed sound barrier with different top covering lengths
图 8 双侧封闭顶部开口间距2 m声屏障立柱静力响应结果
Figure 8. Static responses of the double-side closed sound barrier columns with 2 m top opening spacing
图 9 双侧封闭式声屏障顶部开口间距2 m模型动力时程响应曲线结果
Figure 9. Dynamic response time-histories of the double-side closed sound barrier model with 2 m top opening spacing
表 1 工况参数
Table 1. Operating parameters
工况参数名称 取值 车型 CRH3 列车速度/(km•h−1) 350 双侧封闭式声屏障顶部
开口间距/m2、 4、 6、 8 单侧封闭式声屏障顶部
覆盖长度/m2、 4、 6、 8 
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表 2 铝合金复合吸声板的性能指标
Table 2. Performance indexes of aluminum alloy composite sound absorption board
指标名称 性能指标 降噪系数 ≥ 0.7 隔声量 ≥ 25 dB 面密度 ≤ 40 kg/m2，且≥ 20 kg/m2 抗风压性能 ≥ 8.0 kPa 抗冲击 符合《铁路声屏障声学构件技术要求和测试方法》（TB/T 3122—2010） 抗火性能 防火等级应满足《建筑材料及制品燃烧性能分级》（GB 8624—2012）规定的 B1 级及以上 防腐蚀 声屏障声学构件的金属部件的防腐蚀年限应 ≥ 25 a 抗变形性能 符合《铁路声屏障声学构件技术要求和测试方法》（TB/T 3122—2010）最大弹性挠度 ≤ L/100 耐候性能 符合《铁路声屏障声学构件技术要求和测试方法》（TB/T 3122—2010） 使用年限 ≥ 25 a
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表 3 通透隔声板的性能指标
Table 3. Performance indexes of transparent sound insulation board
指标名称 性能指标 隔声量 ≥ 25 dB 密度 ≤ 1 200 kg/m3 透光率 透光率不应小于 90%，10 年内透光率下降为 10% 拉伸强度 ≥ 70 MPa 弯曲强度 ≥ 98 MPa 弹性模量 ≥ 3 100 MPa 断裂伸长率 ≥ 4% 防火性能 复合《建筑材料的燃烧等级分级》（GB 8624—2012）规定的 B1 级及以上 0～50 ℃ 以内线性热膨胀系数 ≤ 0.000 07 允许最高长期使用温度 ≤ 70 ℃ 软化温度 ≥ 110 ℃ 抗冲击 符合《铁路声屏障声学构件技术要求和测试方法》（TB/T 3122—2010） 板厚 ≥ 20 mm 使用年限 ≥ 25 a
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表 4 各个声屏障结构的
$ \alpha $ 和$ \beta $ Table 4. Values of
$ \alpha $ and$ \beta $ of each sound barrier structure结构形式 参数 开口间距/m 2 4 6 8 双侧封闭式
声屏障$ \alpha $ 0.46773 0.47596 0.48947 0.50614 $ \beta $ 0.00063 0.00060 0.00054 0.00048 单侧封闭式
声屏障$ \alpha $ 0.67421 0.55969 0.51430 0.42194 $ \beta $ 0.00034 0.00041 0.00051 0.00060
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表 5 受力特征结果
Table 5. Force characteristic results
型式 类别 立柱底部
应力/MPa立柱顶部位移/mm 立柱弯矩/（kN•m） 轴向力/kN 水平力/kN 双侧封闭式顶部开口间距 2 m 动力作用 20.60 5.82 37.24 19.42 52.09 放大系数 2.10 3.75 2.10 3.26 1.94 静力作用 9.62 1.49 17.48 5.50 26.51 双侧封闭式顶部开口间距 4 m 动力作用 19.55 5.47 34.90 17.14 51.45 放大系数 2.03 4.08 2.00 3.14 1.83 静力作用 9.60 1.54 17.38 5.50 25.95 双侧封闭式顶部开口间距 6 m 动力作用 19.48 5.09 34.81 16.90 50.35 放大系数 2.02 3.43 2.00 3.15 1.97 静力作用 8.99 1.51 16.27 3.09 24.20 双侧封闭式顶部开口间距 8 m 动力作用 17.88 4.62 32.18 11.31 45.84 放大系数 1.98 3.75 1.97 3.73 2.01 静力作用 8.83 1.34 15.99 2.35 23.31 单侧封闭式顶部覆盖长度 2 m 动力作用 19.02 5.09 34.37 8.24 51.10 放大系数 2.15 3.80 2.15 3.50 2.19 静力作用 9.24 1.49 16.74 2.62 27.41 单侧封闭式顶部覆盖长度 4 m 动力作用 20.10 5.33 36.34 5.33 51.15 放大系数 2.18 3.61 2.17 2.03 2.00 静力作用 9.62 1.54 17.42 1.74 26.28 单侧封闭式顶部覆盖长度 6 m 动力作用 23.19 5.89 41.56 6.16 59.75 放大系数 2.41 3.41 2.39 3.54 2.01 静力作用 9.69 1.52 17.51 2.65 26.42 单侧封闭式顶部覆盖长度 8 m 动力作用 24.44 6.27 44.08 6.57 62.25 放大系数 2.52 4.13 2.52 2.48 2.36 静力作用 9.78 1.55 17.74 5.95 26.83
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