碳聚復合材料梳齒伸縮裝置降噪性能研究

熊 亮, 謝玉萌, 桂永全

(1.安徽皖通高速公路股份有限公司,安徽 合肥 230088;2.安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司,安徽 合肥 230088;3.安徽蒙達交通科技有限公司,安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著高速公路的不斷增長,橋梁的總量和里程不斷擴大,人們對行車安全性、舒適度的要求越來越高。橋梁伸縮裝置作為橋梁的重要構件,對橋梁安全運行有著重要作用。[1]

目前,高速公路常用的橋梁伸縮裝置主要有模數式、梳齒板式和異型鋼單縫式。[2]這些類型的伸縮縫裝置皆由鋼結構組成,其與橋梁混凝土在結構上為剛性連接,在行車荷載作用下易出現晃動,噪聲較大。市場上應用的降噪伸縮裝置有的是在伸縮裝置表面設置降噪板,有的是在伸縮裝置下方設置隔聲裝置等措施,以達到降低沖擊噪聲的目的。

本文研發的伸縮裝置是采用高分子碳聚復合材料為表層,降低了伸縮裝置表面剛度,減少了沖擊振動,從而可降低行車噪聲。

1 碳聚復合材料梳齒伸縮裝置結構設計

碳聚復合材料梳齒伸縮裝置采用高分子碳聚復合材料制作,通過高分子碳聚復合材料自身的彈性變形,可以達到多向變位功能。該伸縮裝置由固定梳齒板、跨縫梳齒板、內嵌鋼板、導水裝置、錨固螺栓等組成。

該伸縮裝置為復合結構,分為兩層,其中以高分子聚合物材料為表層,以鋼板為內嵌層,總體由梳齒部位和跨縫部位組成,如圖1所示。

1—固定梳齒板;2—跨縫梳齒板;3—內嵌鋼板;4—錨固螺栓;5—導水裝置;6—不銹鋼滑板;7—預埋鋼筋;8—梁體圖1 碳聚復合材料梳齒伸縮裝置結構示意圖

碳聚復合材料梳齒伸縮裝置,梳齒相鄰的垂直側面均設置可以榫卯連接結構,能有效解決伸縮裝置的梳齒無約束限位的問題。

2 碳聚復合材料梳齒伸縮裝置施工技術要求

伸縮裝置噪聲的一個主要來源是伸縮裝置本身與道路路面有高差,導致道路凹凸不平,車輛經過伸縮裝置時,會產生較大的振動,從而產生較大的噪聲,因此提高伸縮裝置與路面的平整度顯得尤為重要。

本文基于碳聚復合材料梳齒伸縮裝置的性能特點,提出以下施工技術要求:

(1) 碳聚復合材料梳齒伸縮裝置安裝時,沿橋面橫坡方向,每米設置一個點測量水平標高,并用水平尺或板尺定位,頂面標高應符合設計要求。應防止產生梳齒不平、扭曲及其他變形,嚴格控制由于伸縮方向的誤差及橫向伸縮等原因造成梳齒之間的間隙偏差。

(2) 槽口混凝土強度應符合設計要求,表面應平整,與路面銜接平順;混凝土表面不應出現缺損、空鼓、孔洞等,否則應進行修補。

(3) 施工完成后,伸縮裝置頂面與兩側路面保持平整。

3 碳聚復合材料梳齒伸縮裝置噪聲檢測方法

碳聚復合材料梳齒伸縮裝置采用高分子碳聚復合材料,為柔性材料,可降低伸縮裝置表面剛度,減少沖擊振動,起到降噪效果。該伸縮裝置已在我省多座高速橋梁上應用。

公路交通噪聲影響因素較多,比如行車速度、車輛類型、車輛軸重等。由于測量儀器設備、測量點位選擇、時間段選定、具體實測方法等均沒有相關規范進行明確規定,因此本文通過調研,提出一套適用于公路橋梁伸縮裝置的噪聲性能試驗方法,為伸縮裝置降噪研究提供一定的參考與借鑒。

3.1 試件

試件采用伸縮量型號相同,組裝完成后的碳聚復合材料梳齒伸縮裝置以及傳統模數式、梳齒板伸縮縫,在相同條件下進行對照試驗。

3.2 試驗設備

3.2.1 測量儀器

測量用聲級計或其他等效測量系統。

3.2.2 車輛設備

試驗選擇整備質量1 300～2 000 kg的包括駕駛員在內,座位數不超過9座的載客車輛,勻速通過傳統伸縮縫測點和碳聚復合材料梳齒伸縮裝置測點。

3.3 試驗場地

試驗現場選擇高速公路上傳統伸縮縫和碳聚復合材料梳齒伸縮裝置相鄰位置,要求兩個伸縮裝置之間距離在10～200 m。試驗路面良好,不宜產生過大的輪胎噪聲。

3.4 試驗條件

在無大雨、無雷電且風速不超過5 m/s,環境噪聲不高于60 dB(A),單個車輛通過且無突發噪聲干擾的平坦路面上進行試驗。

3.5 試驗方法

試驗方法如下:

(1) 噪聲值測點設置于路面1.2 m高度處(可采用支架固定),距行駛中心線外3 m;碳聚復合材料梳齒伸縮裝置噪聲值測點與傳統伸縮裝置噪聲值測點保證10～200 m距離。

(2) 選取9座以下載客車輛,勻速依次通過傳統伸縮縫和碳聚復合材料梳齒伸縮裝置測點,分別測量車輛通過傳統伸縮縫和碳聚復合材料梳齒伸縮裝置的最大噪聲級。測量時長為10 s,取最大值為最大噪聲級。

(3) 同一測點至少采集3組測量數據,取各次測量最大噪聲級的算術平均值為該測點的最終結果。不滿足試驗場地和條件的測量數據為無效數據。

3.6 試驗結果形式

測量結束后,分別記錄每個有效測量的最大噪聲級,計算各次測量最大噪聲級的算術平均值,并根據下列公式計算新型伸縮裝置的減噪水平LD值。計算公式為:

LD=LC-LX

式中:LC為測試車輛通過傳統伸縮縫的最大噪聲級LAmax的算術平均值,dB(A);LX為測試車輛通過碳聚復合材料梳齒伸縮裝置最大噪聲級LAmax的算術平均值,dB(A)。

4 碳聚復合材料梳齒伸縮裝置實橋噪聲檢測

為研究碳聚復合材料梳齒伸縮裝置降噪性能,本文依托安裝完成后的碳聚復合材料梳齒伸縮裝置和其他伸縮裝置進行了噪聲檢測對比,選取了安慶長江公路大橋引橋、懷洪新河大橋、渦河大橋、馬鞍山長江公路大橋引橋、合淮阜大橋5座橋梁。這5座橋梁由于原伸縮裝置產生了損壞,更換為碳聚復合材料梳齒伸縮裝置,將碳聚復合材料梳齒伸縮裝置和同一路段的其他伸縮裝置進行噪聲檢測對比。

檢測車輛選取小型車輛,平均車速在100 km/h。噪聲檢測結果見表1。

表1 伸縮縫裝置噪聲對比表

從表1數據可以看出,碳聚復合材料梳齒伸縮裝置噪聲低于同型號的模數式伸縮裝置,由于環境噪聲較高,因此檢測出來的降噪水平并不明顯,為3.1～4.8 dB。

馬鞍山長江公路大橋引橋由于靠近居民區域,原模數式伸縮裝置噪聲較大,附近居民生活經常受到影響,更換為碳聚復合材料梳齒伸縮裝置后,雖然檢測出橋上噪聲水平僅降低4.8 dB,但在居民區感受到的環境噪聲下降在16 dB以上。因此碳聚復合材料梳齒伸縮裝置具有一定的降噪水平,可以有效緩解公路橋梁和城市高架道路的噪聲問題,減少沿線居民投訴,對公路橋梁建設及促進城市環保改善具有重要積極意義,從而產生了較好的社會效益。

5 結 論

(1) 本文研發了一種伸縮裝置,以高分子碳聚復合材料為表層,降低了伸縮裝置表面剛度,減少了沖擊振動,從而降低行車噪聲。分析了該伸縮裝置的結構特點,提出了碳聚復合材料梳齒伸縮裝置施工技術要求。

(2) 創新性地提出一套適用于公路橋梁伸縮裝置的噪聲性能試驗方法,可為伸縮裝置降噪研究提供一定的參考。

(3) 依托實際工程對碳聚復合材料梳齒伸縮裝置和其他伸縮裝置進行噪聲檢測對比。結果表明碳聚復合材料梳齒伸縮裝置噪聲低于同型號的模數式伸縮裝置,具有一定的降噪水平,既可改善道路周邊居民的生活環境,又能使車輛行駛平穩舒適,應用前景廣闊。

(4) 現行行業標準對伸縮裝置產生的噪聲沒有明確的規定,相關的檢測方法對于降到多少分貝才可稱為降噪裝置也無相關規定。因此,廣大技術人員需要通過實際應用進一步積累經驗,同時加強降噪理論研究,采用新技術、新材料改進和完善現有伸縮裝置結構性能、降噪性能,并加強施工養護,提高伸縮裝置耐久性,為推動我國橋梁伸縮裝置新發展貢獻智慧和力量。