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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[1] 刘海涛. 高速铁路桥梁声屏障脉动风荷载及其基础连接构造设计研究[D]. 长沙: 中南大学, 2012. [2] 刘磊,李志新,余世策. 全封闭声屏障自然风荷载实验研究[J]. 中国环保产业,2020(2): 66-69.LIU Lei, LI Zhixin, YU Shice. Experimental study on natural wind load of fully enclosed sound barrier[J]. China Environmental Protection Industry, 2020(2): 66-69. [3] 郑史雄,王林明. 铁路声屏障风荷载体型系数研究[J]. 中国铁道科学,2009,30(4): 46-50. doi: 10.3321/j.issn:1001-4632.2009.04.009ZHEN Shixiong, WANG Linming. Study on shape coefficient of wind load on railway sound barrier[J]. China Railway Science, 2009, 30(4): 46-50. doi: 10.3321/j.issn:1001-4632.2009.04.009 [4] 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,2007,42(5): 531-536. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2007.05.003JIAO Changzhou, GAO Bo, WANG Guangdi. Analysis of fluctuating wind-induced vibration of train with sound barrier structure[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2007, 42(5): 531-536. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.2007.05.003 [5] 邓跞,施洲,刘兆丰. 高速铁路声屏障动力特性研究[J]. 铁道建筑,2009(11): 101-104. doi: 10.3969/j.issn.1003-1995.2009.11.034 [6] 刘功玉. 风荷载作用下声屏障结构的动力特性研究[D]. 南昌: 华东交通大学, 2018. [7] 康健. 高速列车脉动压力作用下声屏障的强度与疲劳性能分析[D]. 成都: 西南交通大学, 2015. [8] 张田,姚常伟,王佳鑫,等. 列车风作用下桥上防风屏障的疲劳性能分析[J]. 铁道建筑,2018,58(8): 45-49. doi: 10.3969/j.issn.1003-1995.2018.08.12ZHANG Tian, YAO Changwei, WANG Jiaxing, et al. Fatigue performance analysis of wind barrier on bridge under the action of train wind[J]. Railway Engineering, 2018, 58(8): 45-49. doi: 10.3969/j.issn.1003-1995.2018.08.12 [9] 马驰. 货运铁路大型全封闭声屏障静力及疲劳性能研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2017. [10] 申真真. 高速铁路插板式冷弯钢声屏障结构分析与试验研究[D]. 南京: 东南大学, 2011. [11] 赵允刚,王鑫涛,赵晋,等. 减载式声屏障对高速列车气动阻力影响分析[J]. 北京交通大学学报,2020,44(1): 77-83. doi: 10.11860/j.issn.1673-0291.20190024ZHAO Yungang, WANG Xingtao, Zhao Jing, et al. et al. Analysis of influence of load shedding noise barrier on aerodynamic resistance of high speed train[J]. Journal of Beijing Jiaotong University, 2020, 44(1): 77-83. doi: 10.11860/j.issn.1673-0291.20190024 [12] 苏卫青. 铁路声屏障设计综述[J]. 铁道工程学报,2018,35(8): 86-91. doi: 10.3969/j.issn.1006-2106.2018.08.017SU Weiqing. The summary of design of railway sound barrier[J]. Journal of Railway Engineering Society, 2018, 35(8): 86-91. doi: 10.3969/j.issn.1006-2106.2018.08.017 [13] 李小珍, 赵秋晨, 张迅, 等. 高速铁路半封闭式声屏障降噪效果测试与分析[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53（4）: 661-669LI Xiaozhen, ZHAO Qiuchen, ZHANG Xun. et al. Field test and analysis of noise reduction performance of high-speed railway semi-closed sound barriers[J] Journal of Southwest Jaiaotong University, 2018, 53（4）: 661-669 [14] 罗云柯. 高速铁路半封闭声屏障的列车脉动风致振动分析[D]. 成都: 西南交通大学, 2018. [15] 中华人民共和国住房和城乡建设部. 钢结构设计标准: GB 50017—2017 [S]. 北京: 建工出版社, 2017 [16] 铁道第三勘察设计院集团有限公司, 中铁第四勘察设计院集团有限公司. 高速铁路设计规范: TB 10621—2014[S]. 北京: 中国铁道出版社, 2015. -
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