上海軌道交通17號線聲屏障工程深化設計

彭翰澤

（西藏中馳集團股份有限公司上海分公司， 上海 201100）

0 引言

軌道交通聲屏障目前并沒有統一的設計規范，對金屬屏體的防腐、隔聲、強度、防腐等要求各城市均不相同，通常金屬屏體主要用于吸聲、隔聲。屏體外殼采用金屬材料，材料主要為鋁板與鍍鋅鋼板。金屬材料通過鈑金折彎或輥壓后將吸聲材料填置于空腔內。面板開孔主要有圓孔、百葉孔、微穿孔、復合針孔[1]。

對于金屬屏體結構如何設計滿足軌道交通要求，無明確的指導與驗證。這就導致產品生產質量參差不齊，出現產品問題時無法界定責任，因此迫切需要進行深入的研究以改善現狀。

1 項目背景

上海軌道交通17 號線西起東方綠洲站，東至虹橋火車站站。線路自起點由西向東沿滬青平公路——淀山湖大道——盈港路——崧澤大道走行。線路長35.341km，共設車站13 座。其中，高架線18.479km，地下線16.157km，敞開段0.705km。全線設徐涇車輛段和朱家角停車場各1 座。高架沿線有居民住宅等建筑物，屬噪聲敏感點。

本項目聲屏障原設計采用的為尖劈金屬屏體，在常規的金屬屏體吸聲面，增加了2 塊尖劈狀、2 塊等腰T 型狀的小吸聲屏，二者通過鉚釘錨固在金屬屏體中，從而增加了吸聲面，較常規金屬屏體可極大的提高吸聲效果。

經過調查發現，這種形式的金屬屏體，其尖劈部分在以往項目運營過程中出現一定程度的掉落，類似的軌道交通屏體存在不同程度的銹蝕，使用壽命不能達到設計使用壽命，并且掉落的尖劈小屏體對形成存在安全隱患，需要對聲屏障進行重新的結構設計。

2 聲屏障金屬屏體設計

2.1 現狀調查與分析

2.1.1 尖劈屏掉落：

通過對已使用該金屬屏體運行的項目上海地鐵3 號線、6 號線進行現場調研與技術分析，產品應用工況為軌道交通，聲屏障主要受到四種荷載：

第一：風荷載，也是聲屏障的主要荷載，聲屏障由于起到了阻擋風的作用，當風經過時，風荷載傳遞至金屬屏體，金屬屏體傳遞至立柱，立柱傳遞至基礎，風荷載的設計取值評估，對聲屏障整體的安全性起到至關重要的作用。

第二：自重荷載，聲屏障（包括立柱與屏體）荷載對屏下基礎產生的荷載。

第三：脈沖動力，高速行駛的列車在通過聲屏障的瞬間，產生強烈擾動會加劇。造成聲屏障表面的空氣壓力突變，形成一種瞬態壓力沖擊，在約幾十毫秒之間相繼出現正、負壓力峰值，這一瞬態壓力沖擊即為列車駛過聲屏障時產生的列車風脈沖動力。脈動力的分布與列車的車速、軌道中心線至聲屏障距離、列車的車頭系數以及聲屏障高度等因素有關。

第四：列車經過時，引起橋面振動進而引發金屬屏體上下位移產生的微觀剪切力。

通過查詢規范GB/T51335-2018 以及09MR603 可知，目前聲屏障的設計驗算只考慮風荷載和自重荷載，對疲勞荷載和振動并沒有合適的計算方式和具體的要求，設計要求存在一定程度的缺失。

結合軌道交通項目實際情況，原有的金屬屏體采用尖劈式屏體，中心靠前，連接尖劈小屏體和主屏體之間鉚釘所承受豎向剪切力，在振動的情況下進一步放大，導致鉚釘松動脫落，進而引發尖劈屏體掉落，產品需重新設計。

2.1.2 屏體銹蝕：

屏體銹蝕主要是因為采用了鍍鋅鋼板，其作為背板、龍骨，通過鉚釘與面板連接，由于鍍鋅鋼板開孔位置后防腐性能變差，產生銹點，進而引發大面積的腐蝕。軌道交通聲屏障一旦安裝，更換維保的難度大、成本高，并且銹蝕后整體強度難以保證，上海又處臺風地區，因此對材料也應重新進行設計。

2.2 材料設計

鋁板質輕、防腐性能好，在金屬屏體中為主要結構材料，常用作金屬屏體面板、背板。

鍍鋅鋼板成本低，強度好，一般應用在非鐵路項目。

聲屏障項目中作為背板和龍骨的主要材料，但由于邊緣易腐蝕，影響結構安全。鍍鋅鋼板的牌號為：DX51D+Z，Z 后面的即為鋼板的鍍鋅量。通過性能對比可知，鋁板的綜合性能更好，因此，建議面板、背板材料選用鋁合金板，材質為3 系或5 系鋁板，具體牌號范圍需通過強度驗算后進行確認。

2.3 結構設計

根據調研的情況，尖劈結構無法較好的應用在軌道交通，無論是鋁板還是鍍鋅板，鉚釘對板材均有破壞，同等材質厚度下，金屬屏體板材在不斷的振動情況下，力直接作用在剛性點上（即鉚釘點與焊接點），板材容易拉裂、鉚釘容易拉斷、焊接點脫焊，引起結構破壞。

因此在軌道交通中，需采用更好的金屬屏體加工方式。

通過對聲屏障行業調研可知，與軌道交通聲屏障相同工況的還有高速鐵路聲屏障，高速鐵路聲屏障的脈動力荷載與振動均高于軌道交通，并對聲屏障的抗疲勞有明確的指標要求：在4Hz 頻率下進行400 萬次的疲勞測試，以驗證產品抵抗脈動力荷載的能力，因此，其金屬屏體的結構值得借鑒，通過調研發現，高鐵采用金屬屏體為無鉚釘設計，屏體沒有剛性節點，板材依靠自身拉伸性能整體分擔荷載，結構更為安全。

2.4 吸隔聲設計

本項目金屬屏體降噪系數≥0.7，計權隔音量30dB(A)，由于鋁板密度為2700kg/m3，而鍍鋅鋼板為7850kg/m3，同厚度下隔音量低于鍍鋅鋼板，為滿足本項目計權隔音量的要求，本項目采用70kg/m3巖棉+8mm 水泥板進行吸隔聲設計。

3 降噪效果及力學模擬分析

3.1 產品設計尺寸圖

經上述設計分析后，上海軌道交通地鐵17 號線聲屏障金屬屏體采用1.5mm 鋁合金板作為面背板材料，面背板通過無鉚釘扣合式，內部采用70kg/m3巖棉+8mm 水泥板，設計圖如下：

圖1 金屬聲屏障結構示意圖

3.2 金屬聲屏障單元板有限元模擬分析

本節采用非線性有限元分析程序ANSYS，建立三維有限元分析模型，對金屬聲屏障單元板的結構受力性能進行模擬分析。實際的聲屏障單元板采用面板和背板插接的方式進行裝配，插接部分為雙層鋁合金板疊合。根據實際結構的傳力模式，對有限元模型進行了簡化，將疊合部分的雙層鋁合金板偏保守地簡化為單層鋁合金板。

（1） 結構分析所采用的單元

結構分析采用殼單元SHELL181 來模擬；

（2） 模型網格劃分

在ANSYS 中，進行對稱式建模，即只建立一半模型，如圖2（a）所示。在模擬中，以施加均布力進行分析，試件對稱后的有限元模型如圖2（b）所示。模型單元網格劃分情況如圖2（c）所示。

圖2 有限元模型圖

（3） 加載與邊界條件

金屬聲屏障單元板通過橡膠條嵌插在H 型鋼立柱之間，視為側向簡支約束；整體放置在下方金屬聲屏障單元板上，視為豎向支承約束，如圖3 所示。

自重，通過給定材料密度，程序自動施加。豎向荷載直接施加在上緣板，模擬上部結構的荷載。面荷載直接施加在面板上，模擬自然風荷載和氣動風壓。

圖3 模擬荷載圖

（4）計算工況及分析結果

根據金屬聲屏障單元板的實際工作狀態，選用輕軌極限荷載（自重+180kg豎向荷載+3.15kPa 面荷載）,計算結果如下:

圖4 工況分析圖

輕軌極限荷載（自重+180kg 豎向荷載+3.15kPa 面外荷載）下，單元板等效應力最大值為111MPa，低于屈服強度160MPa，滿足設計要求。面板的面外變形最大值為26.6mm，而主屏體面外變形最大值為3.3mm，小于允許變形值19.6mm，滿足設計要求。

3.3 抗彎曲斷裂荷載驗證

為驗證抗彎曲斷裂荷載，通過模擬實驗室測試條件，逐級加載荷載，其加載結果如下：

表1 抗彎曲斷裂荷載加載情況表

該樣品LA=1960mm，最大彈性撓度在B 處，測量值為9mm；最大殘余變形在A 處與B 處，測量值為2mm。滿足TB/T3122 要求，樣品結構剛度滿足標準要求，且有較大的性能冗余。

3.4 實驗室實測結果

通過檢測，產品降噪系數0.76，計權隔音量33dB(A),抗疲勞性能滿足450萬次不破壞，抗彎曲斷裂荷載8.0kpa,各項指標均優于設計要求。

4 結束語

通過對軌道交通聲屏障金屬屏體的設計與研究，使得上海地鐵17 號線聲屏障工程順利實施，產品外形優美整齊，產品壽命長達25年，降低了維保更換成本；各項指標優于設計，更是提高了安全系數，對上海軌道交通聲屏障設計起到了推動與幫助的作用。