高速鐵路插板式聲屏障結構計算分析

孫鳳珍

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司,天津 300251)

1 高速鐵路聲屏障荷載組成

我國客運專線鐵路的特點是車流密度大、列車運行速度高,設計時速達350 km。國內外研究結果表明,當列車以250 km/h速度行駛時,列車風就會產生脈動力作用于聲屏障上,聲屏障結構就要考慮疲勞影響。因此,高速鐵路聲屏障結構疲勞計算方法及合理的連接方式,解決高速鐵路列車大密度、長期運行聲屏障結構疲勞問題,成為高速鐵路聲屏障結構設計的關鍵。

對于直立型的聲屏障,作用在高速鐵路聲屏障上的荷載主要包括結構自重、風荷載、列車風引起的脈動力三部分,必要時還要考慮溫度、濕度變化及地震等因素對結構的作用,風荷載和列車脈動力是插板式金屬聲屏障結構計算的主要荷載。

1.1 風荷載

根據鐵道部鐵運函(2006)462號文,確定時速350 km列車運行時風速按20 m/s計算,采用這個值是保證安全的。

特殊風荷載,一般地區按重現期100年的最大風速進行計算,臺風地區風速按60 m/s計算。

根據《鐵路橋涵設計基本規范》(TB10002.1—2005),風荷載強度按下式計算

wk=k1k2k3w0

(1)

式中wk——風荷載標準值，Pa；

k1——風載體型系數；

k2——風壓高度變化系數；

k3——地形、地理條件系數；

v——風速，m/s。

1.2 脈動力

脈動力可按照等效荷載qDS進行計算,而等效荷載qDS是基于脈動力作用長度正、負壓各5 m考慮的。對于具體的聲屏障計算單元,需要分析其荷載作用位置,按照最不利荷載進行結構計算。脈動力荷載幾何作用如圖1所示。

圖1 脈動力荷載幾何作用(單位：m)

按照圖1所示的荷載幾何作用圖建立聲屏障立柱荷載計算公式

(2)

式中 Lm——計算跨度，m。

計算跨度可按表1取值,中間值采用內插法計算求得。

表1 計算跨度 m

柱底內力計算按照圖2及公式(3)、(4)計算

(3)

(4)

式中hm——聲屏障柱軌頂至墻底的高度，m；

h——聲屏障柱軌頂至墻頂的高度，m；

q1——墻底處的脈動力，kN/m；

q2——墻頂處的脈動力，kN/m。

脈動力荷載豎向分布如圖2所示。

圖2 脈動力荷載豎向分布

1.3 荷載組合

工況一，結構自重+列車脈動力；

工況二，結構自重+列車脈動力+風力(風速采用25 m/s)；

工況三，結構自重+風力(按重現期100年風速計算)。

疲勞計算采用工況一,強度計算、穩定性計算及變形計算采用工況二和工況三。

2 聲屏障結構疲勞計算方法

影響聲屏障結構疲勞強度的主要因素是作用的應力幅或應力比以及應力的循環次數。其中,應力循環次數是指在連續重復荷載作用下由最大到最小的循環次數,與使用壽命有關。一般來說,當應力幅小于一定數值時,即使應力無限多循環,亦不至產生疲勞破壞,即達到通稱的疲勞極限。但由于高速鐵路聲屏障結構承受的列車脈動力荷載為非連續作用,承受的應力幅較大,結構重要性高,疲勞允許應力幅[Δσ0]應按照疲勞抗力方程,以實際發生的應力循環次數(使用壽命內)計算。以京津城際為例,按50年使用年限計算,遠期每天運行195對列車,聲屏障在列車車頭和車尾通過時受2次脈動風壓的沖擊,所以計算應力循環次數N按每列車2次計算,即N=2×195×50×365=7.12×106次。

在疲勞作用計算時,同時要考慮因速度增加導致大密度運量增加而產生的疲勞損傷修正系數γn。另外厚板的材質及焊接、制造工藝有許多比較難保證的因素,對疲勞強度將產生下降的影響。還要考慮板厚修正系數γt。

高速列車脈動力屬于非對稱荷載,最大應力和最小應力不同,在相同的循環次數下,能承受的最大應力也不同,設計時允許應力幅用ρ=σmin/σmax=0表示,故在最大應力控制時,應乘以應力比修正系數γp。

2.1 聲屏障鋼立柱疲勞計算

鋼立柱的疲勞允許應力幅類別根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)規定按Ⅰ類計算,其計算疲勞抗力方程式為

lgN+4lgσ=15

(5)

式中N——循環次數。

根據上式計算的σ值即為疲勞允許應力幅[Δσ0]。

根據脈動力研究得知,脈動力為非對稱循環動力荷載,為拉-壓構件,應力比在0.8～0.95,應力比修正系數γp取0.6,根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)規定

(6)

式中γd——雙線橋的雙線系數,取1.0；

γt——板厚修正系數,取=1.0；

γp——應力比修正系數,取0.6；

K——安全系數,取1.0。

2.2 螺栓疲勞計算

按機械設計手冊第五篇第三章“螺栓連接計算”中的有關規定進行計算。

螺栓的疲勞極限應力σ-1t計算,

計算應力幅

(7)

(8)

式中σap——許用應力幅；

ε——尺寸因數;

Kt——螺紋制造工藝因數;

KU——受力不均勻因數；

Kσ——缺口應力集中因數;

Sa——安全因數;

CL/(CL+CF)——剛度系數。

2.3 焊縫疲勞計算

焊縫的疲勞允許應力幅類別根據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)規定按Ⅱ類計算,其計算疲勞抗力方程式為

lgN+3.5lgσ=13.6

(9)

根據上式即可計算疲勞允許應力幅σ=[Δσ0]。

如前所述,按-σmin=0.9σmax進行計算,則按《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)規定

(10)

式中γd——雙線橋的雙線系數,取1.0；

γn——損傷修正系數,取1.3～1.5；

γt——板厚修正系數,取=1.0。

3 聲屏障結構連接方式

3.1 連接方式

聲屏障立柱與基礎的連接方式決定了聲屏障結構整體強度和抗疲勞性能。國外初期建造的高速鐵路聲屏障,由于聲屏障立柱與基礎連接方式不合理,聲屏障使用一段時間后,產生立柱底板松動、立柱變形加大等現象,進而造成了聲屏障板材破壞。因此,聲屏障立柱與基礎的連接方式是聲屏障結構的關鍵技術。

根據作用于高速聲屏障結構動力荷載的特性,結合聲屏障現場安裝要求,提出如圖3所示的立柱與基礎連接方式,主要包括橋梁遮板預留接口與上部安裝兩部分。

圖3 聲屏障立柱與基礎連接

其主要技術特點如下。

(1)在橋梁遮板內預埋摩擦型高強度螺栓。摩擦型高強度螺栓連接緊密,變形小,耐疲勞,安裝簡單,特別適合于受動力荷載的聲屏障結構。通過預先施加預緊力,可以將振動荷載轉化為各連接單元的單一內部振動荷載。

(2)采用U形摩擦型高強度螺栓。列車脈動力作用于聲屏障結構時,在垂直線路方向,基礎螺栓具有當一側螺栓受力時,另一側螺栓不受力的特點。根據這一特點,在垂直線路方向采用U形螺栓,就可在滿足螺栓錨固長度要求的情況下,有效減少了螺栓長度。

(3)在立柱底板下設置調節螺母,用于聲屏障安裝時調節安裝高度,有利于現場安裝,從而能更好地滿足安裝精度要求。

(4)在調節螺母與立柱底板之間放置彈性薄墊片。通過這種方式,螺栓只承受拉力,壓力完全由混凝土承擔,避免了交互的內部荷載,改變了螺栓受力狀態,提高了螺栓的耐疲勞性能。

(5)采用高強螺栓、防松動墊圈和雙螺母三層防護,確保了聲屏障立柱與基礎連接緊固,避免了出現螺母松動現象。

3.2 工程中的應用

京津城際客運專線聲屏障設計采用了以上所述的這種設計方式,通過1年多的運營來看,效果很好,目前每天運行的列車對數為59對,最高時速為350 km,聲屏障高度設計為2種,即2.15 m和3.15 m,設置位置位于橋梁的遮板頂部。2008年10月中國鐵道科學研究院對京津城際聲屏障進行了應力應變的測試,第3根立柱上應力測點位置見圖4及圖5,測試地點在武清靜湖小區,此處聲屏障高度為3.15 m,表2為測點6、7、8、9在各速度檔下的應力幅值。

從表2可以看出,在列車時速320 km時,最大應力值為17.42 MPa,結構允許值為140 MPa,偏于安全。但設計中是以構件的疲勞應力為控制應力,允許疲勞應力值要小于構件強度本身允許應力值,按照循環次數7.12×106計算鋼柱的疲勞允許應力幅[σ0]=106.8 MPa(《鐵路橋梁鋼結構設計規范》(TB10002.2—2005)中表3.2.7-1),從測試結果看,對這種主要承受動力荷載的結構,也是安全的。所以采用上述計算方法及構件連接方式在實際應用中是可行的。

圖4 第三根立柱應力測點示意

圖5 現場測點

表2 第三根立柱不同測點在各速度檔下的應力幅值統計

4 結論

(1)高速鐵路聲屏障結構荷載主要包括結構自重、風荷載、列車脈動力三部分。

(2)聲屏障結構疲勞計算應按照實際的循環次數計算疲勞允許應力幅。

(3)列車脈動力荷載具有非對稱循環動力荷載特性。由于高速鐵路列車運行密度高,聲屏障主體結構使用壽命長,聲屏障結構必須具有很高的耐疲勞性能。

(4)聲屏障立柱與基礎的連接方式是聲屏障結構的關鍵技術。聲屏障立柱與基礎的連接應采用摩擦型高強度螺栓連接。

[1]李慧彬.震動理論與工程應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006.

[2]太原工學院《震動計算》編寫組.震動計算[M].北京：中國建筑工業出版社，1978.

[3]胡人禮譯.工程中的震動問題[M].北京：人民鐵道出版社，1978.

[4]鐵道部科學研究院.國外高速鐵路標準及規程匯編第1-3冊[Z].北京：鐵道部標準計量研究所，1994.

[5]鐵道第三勘察設計院集團有限公司.客運專線聲屏障設計的研究報告[R].天津:2004．