高速铁路插板式声屏障结构计算分析

孙凤珍

(铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300251)

1 高速铁路声屏障荷载组成

我国客运专线铁路的特点是车流密度大、列车运行速度高,设计时速达350 km。国内外研究结果表明,当列车以250 km/h速度行驶时,列车风就会产生脉动力作用于声屏障上,声屏障结构就要考虑疲劳影响。因此,高速铁路声屏障结构疲劳计算方法及合理的连接方式,解决高速铁路列车大密度、长期运行声屏障结构疲劳问题,成为高速铁路声屏障结构设计的关键。

对于直立型的声屏障,作用在高速铁路声屏障上的荷载主要包括结构自重、风荷载、列车风引起的脉动力三部分,必要时还要考虑温度、湿度变化及地震等因素对结构的作用,风荷载和列车脉动力是插板式金属声屏障结构计算的主要荷载。

1.1 风荷载

根据铁道部铁运函(2006)462号文,确定时速350 km列车运行时风速按20 m/s计算,采用这个值是保证安全的。

特殊风荷载,一般地区按重现期100年的最大风速进行计算,台风地区风速按60 m/s计算。

根据《铁路桥涵设计基本规范》(TB10002.1—2005),风荷载强度按下式计算

wk=k1k2k3w0

(1)

式中wk——风荷载标准值，Pa；

k1——风载体型系数；

k2——风压高度变化系数；

k3——地形、地理条件系数；

v——风速，m/s。

1.2 脉动力

脉动力可按照等效荷载qDS进行计算,而等效荷载qDS是基于脉动力作用长度正、负压各5 m考虑的。对于具体的声屏障计算单元,需要分析其荷载作用位置,按照最不利荷载进行结构计算。脉动力荷载几何作用如图1所示。

图1 脉动力荷载几何作用(单位：m)

按照图1所示的荷载几何作用图建立声屏障立柱荷载计算公式

(2)

式中 Lm——计算跨度，m。

计算跨度可按表1取值,中间值采用内插法计算求得。

表1 计算跨度 m

柱底内力计算按照图2及公式(3)、(4)计算

(3)

(4)

式中hm——声屏障柱轨顶至墙底的高度，m；

h——声屏障柱轨顶至墙顶的高度，m；

q1——墙底处的脉动力，kN/m；

q2——墙顶处的脉动力，kN/m。

脉动力荷载竖向分布如图2所示。

图2 脉动力荷载竖向分布

1.3 荷载组合

工况一，结构自重+列车脉动力；

工况二，结构自重+列车脉动力+风力(风速采用25 m/s)；

工况三，结构自重+风力(按重现期100年风速计算)。

疲劳计算采用工况一,强度计算、稳定性计算及变形计算采用工况二和工况三。

2 声屏障结构疲劳计算方法

影响声屏障结构疲劳强度的主要因素是作用的应力幅或应力比以及应力的循环次数。其中,应力循环次数是指在连续重复荷载作用下由最大到最小的循环次数,与使用寿命有关。一般来说,当应力幅小于一定数值时,即使应力无限多循环,亦不至产生疲劳破坏,即达到通称的疲劳极限。但由于高速铁路声屏障结构承受的列车脉动力荷载为非连续作用,承受的应力幅较大,结构重要性高,疲劳允许应力幅[Δσ0]应按照疲劳抗力方程,以实际发生的应力循环次数(使用寿命内)计算。以京津城际为例,按50年使用年限计算,远期每天运行195对列车,声屏障在列车车头和车尾通过时受2次脉动风压的冲击,所以计算应力循环次数N按每列车2次计算,即N=2×195×50×365=7.12×106次。

在疲劳作用计算时,同时要考虑因速度增加导致大密度运量增加而产生的疲劳损伤修正系数γn。另外厚板的材质及焊接、制造工艺有许多比较难保证的因素,对疲劳强度将产生下降的影响。还要考虑板厚修正系数γt。

高速列车脉动力属于非对称荷载,最大应力和最小应力不同,在相同的循环次数下,能承受的最大应力也不同,设计时允许应力幅用ρ=σmin/σmax=0表示,故在最大应力控制时,应乘以应力比修正系数γp。

2.1 声屏障钢立柱疲劳计算

钢立柱的疲劳允许应力幅类别根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)规定按Ⅰ类计算,其计算疲劳抗力方程式为

lgN+4lgσ=15

(5)

式中N——循环次数。

根据上式计算的σ值即为疲劳允许应力幅[Δσ0]。

根据脉动力研究得知,脉动力为非对称循环动力荷载,为拉-压构件,应力比在0.8～0.95,应力比修正系数γp取0.6,根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)规定

(6)

式中γd——双线桥的双线系数,取1.0；

γt——板厚修正系数,取=1.0；

γp——应力比修正系数,取0.6；

K——安全系数,取1.0。

2.2 螺栓疲劳计算

按机械设计手册第五篇第三章“螺栓连接计算”中的有关规定进行计算。

螺栓的疲劳极限应力σ-1t计算,

计算应力幅

(7)

(8)

式中σap——许用应力幅；

ε——尺寸因数;

Kt——螺纹制造工艺因数;

KU——受力不均匀因数；

Kσ——缺口应力集中因数;

Sa——安全因数;

CL/(CL+CF)——刚度系数。

2.3 焊缝疲劳计算

焊缝的疲劳允许应力幅类别根据《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)规定按Ⅱ类计算,其计算疲劳抗力方程式为

lgN+3.5lgσ=13.6

(9)

根据上式即可计算疲劳允许应力幅σ=[Δσ0]。

如前所述,按-σmin=0.9σmax进行计算,则按《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)规定

(10)

式中γd——双线桥的双线系数,取1.0；

γn——损伤修正系数,取1.3～1.5；

γt——板厚修正系数,取=1.0。

3 声屏障结构连接方式

3.1 连接方式

声屏障立柱与基础的连接方式决定了声屏障结构整体强度和抗疲劳性能。国外初期建造的高速铁路声屏障,由于声屏障立柱与基础连接方式不合理,声屏障使用一段时间后,产生立柱底板松动、立柱变形加大等现象,进而造成了声屏障板材破坏。因此,声屏障立柱与基础的连接方式是声屏障结构的关键技术。

根据作用于高速声屏障结构动力荷载的特性,结合声屏障现场安装要求,提出如图3所示的立柱与基础连接方式,主要包括桥梁遮板预留接口与上部安装两部分。

图3 声屏障立柱与基础连接

其主要技术特点如下。

(1)在桥梁遮板内预埋摩擦型高强度螺栓。摩擦型高强度螺栓连接紧密,变形小,耐疲劳,安装简单,特别适合于受动力荷载的声屏障结构。通过预先施加预紧力,可以将振动荷载转化为各连接单元的单一内部振动荷载。

(2)采用U形摩擦型高强度螺栓。列车脉动力作用于声屏障结构时,在垂直线路方向,基础螺栓具有当一侧螺栓受力时,另一侧螺栓不受力的特点。根据这一特点,在垂直线路方向采用U形螺栓,就可在满足螺栓锚固长度要求的情况下,有效减少了螺栓长度。

(3)在立柱底板下设置调节螺母,用于声屏障安装时调节安装高度,有利于现场安装,从而能更好地满足安装精度要求。

(4)在调节螺母与立柱底板之间放置弹性薄垫片。通过这种方式,螺栓只承受拉力,压力完全由混凝土承担,避免了交互的内部荷载,改变了螺栓受力状态,提高了螺栓的耐疲劳性能。

(5)采用高强螺栓、防松动垫圈和双螺母三层防护,确保了声屏障立柱与基础连接紧固,避免了出现螺母松动现象。

3.2 工程中的应用

京津城际客运专线声屏障设计采用了以上所述的这种设计方式,通过1年多的运营来看,效果很好,目前每天运行的列车对数为59对,最高时速为350 km,声屏障高度设计为2种,即2.15 m和3.15 m,设置位置位于桥梁的遮板顶部。2008年10月中国铁道科学研究院对京津城际声屏障进行了应力应变的测试,第3根立柱上应力测点位置见图4及图5,测试地点在武清静湖小区,此处声屏障高度为3.15 m,表2为测点6、7、8、9在各速度档下的应力幅值。

从表2可以看出,在列车时速320 km时,最大应力值为17.42 MPa,结构允许值为140 MPa,偏于安全。但设计中是以构件的疲劳应力为控制应力,允许疲劳应力值要小于构件强度本身允许应力值,按照循环次数7.12×106计算钢柱的疲劳允许应力幅[σ0]=106.8 MPa(《铁路桥梁钢结构设计规范》(TB10002.2—2005)中表3.2.7-1),从测试结果看,对这种主要承受动力荷载的结构,也是安全的。所以采用上述计算方法及构件连接方式在实际应用中是可行的。

图4 第三根立柱应力测点示意

图5 现场测点

表2 第三根立柱不同测点在各速度档下的应力幅值统计

4 结论

(1)高速铁路声屏障结构荷载主要包括结构自重、风荷载、列车脉动力三部分。

(2)声屏障结构疲劳计算应按照实际的循环次数计算疲劳允许应力幅。

(3)列车脉动力荷载具有非对称循环动力荷载特性。由于高速铁路列车运行密度高,声屏障主体结构使用寿命长,声屏障结构必须具有很高的耐疲劳性能。

(4)声屏障立柱与基础的连接方式是声屏障结构的关键技术。声屏障立柱与基础的连接应采用摩擦型高强度螺栓连接。

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[2]太原工学院《震动计算》编写组.震动计算[M].北京：中国建筑工业出版社，1978.

[3]胡人礼译.工程中的震动问题[M].北京：人民铁道出版社，1978.

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[5]铁道第三勘察设计院集团有限公司.客运专线声屏障设计的研究报告[R].天津:2004．