350km/h高速铁路全封闭声屏障靴型钢柱脚疲劳试验研究*

宋满荣, 许格致, 张腾飞, 孔绍东, 叶子健

(1 合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥 230009；2 合肥工业大学土木工程结构与材料安徽省重点实验室，合肥 230009；3 中铁上海局集团建筑工程有限公司，上海 201900)

0 引言

我国高速铁路系统的快速发展给人们日常出行和城市间物质交换带来了极大的便利,但环境噪声影响民生的问题日益突出[1]。目前应用最为普遍的降噪手段是建造简单、技术成熟、成本低廉的直立式声屏障。但当高速铁路穿越居民区或生态保护区时,普通直立式声屏障已经无法达到降噪标准,气密性、隔声性能更好的全封闭声屏障应运而生[2]。声屏障不仅要满足声学性能,还要满足力学性能和物理性能[2-4]。

当列车通过声屏障时,列车脉动风压会对声屏障产生拉压作用,在设计使用寿命期,需承受数百万次的列车脉动风压作用。铁路声屏障抗疲劳性能是其力学性能的一项重要指标,需要在最不利设计荷载工况下对声屏障产品进行疲劳试验,以考察其抗疲劳性能。当列车速度较高时,声屏障为全封闭结构时,列车脉动压力对声屏障的作用效果更加明显[5-7]。

国内外学者对于全封闭声屏障力学性能方面的研究涉及很少。Thomas Keller等[8]通过试验研究了强化玻璃纤维塑料(GFRP)材料的直立式声屏障柱的疲劳性能。Berthellemy Jacques等[9-10]研究了声屏障柱脚与混凝土基座之间连接复合销钉的力学性能,详细介绍了循环荷载下的疲劳行为,并在模型的基础上优化了设计概念。Bernd Bültemeier、Detlef Ulbrich[11]分析了德国铁路声屏障结构连接预应力锚杆的抗剪和疲劳性能,并与以前摩擦焊接锚杆的性能作比较。在国内,为了更好地提高声屏障的实际降噪效果,吕坚品[12]提出一种简化脉动风载荷激励输入的方法来分析声屏障脉动风致响应,给出了有关插板式声屏障以及整体式声屏障的建议。马驰[13]设计了足尺全封闭声屏障模型,模拟了声屏障在等效列车脉动风压下的钢梁和连接螺栓的疲劳性能。杜健[14]给出了列车和声屏障表面的压力时程曲线,并与英国规范BS EN 1991-1-4∶2005的曲线进行了比较。

新建京雄城际铁路北落店村工程为国内外首例设计时速达到350km/h的高速铁路全封闭式声屏障工程,需进行系统技术研究。本文主要针对该声屏障工程在列车通过时产生的脉动压力以及其他多种载荷作用下的疲劳性能展开研究[15]。

1 工程概况

京雄城际铁路北落店村工程列车设计速度为350km/h,配置全封闭声屏障,全长847.25m,见图1,包含16～32m、2～24m的简支梁,一联(73+128+73)m的连续梁。

全封闭声屏障主体结构创新地采用了全焊接圆弧形H型钢框架,跨度13.28m,高度9.4m,由三段弧形H型钢梁焊接构成,如图2所示。钢框架之间由间距大约2m的系杆相连接,全封闭声屏障侧面和顶部分别设置通长柱间支撑和通长水平支撑,柱脚为刚接形式,形成稳定单元结构。全封闭声屏障各部位所选用的材料详见表1,钢结构总质量为2972t。

钢柱脚采用向内开口的靴型柱脚,便于后期桥梁内侧检修。图3为靴型钢柱脚的结构设计,钢柱脚与混凝土箱梁连接节点创新地采用了“四横两纵”式U形螺栓。

2 整体有限元分析

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil软件建立全封闭声屏障整体模型,模拟其在恒荷载、活荷载、风荷载以及列车气动力多种荷载组合下的受力情况。

对于全封闭声屏障钢结构主体部分,一般一个节段为一整跨箱梁。选取一孔32m简支梁上的全封闭声屏障为代表进行建模。该有限元模型主要由三部分构成:全封闭声屏障框架、系杆以及支撑结构,共计663个节点以及986个单元数。全封闭声屏障有限元模型如图4所示。

2.2 工况简述及荷载取值

全封闭声屏障在使用过程中受到的荷载主要由恒载、活载、风荷载以及列车气动力组成[14-15]。

关于列车气力取值,随着列车运行速度的增大和净空面积的减小(即阻塞率增加),声屏障壁面压力峰值及幅值相应增大。当列车以350km/h的速度在1/2截面会车时为最不利工况,此时列车风在声屏障内表面产生的最大压力峰值和压力幅值数值大于其他位置会车和单车工况,作为设计控制荷载。

综合考虑《高速铁路设计规范》(TB 10621—2014)中的建议值和中南大学数值模拟结果建议值,确定列车气动压力作用下全封闭声屏障正风压为5.9kPa,负风压为-8.9kPa。同时,考虑左右压差对结构的受力更不利影响,压差设计值取值2.0kPa。

对以上四种荷载进行组合,对组合而成的10种工况进行数值模拟分析。选取部分工况于列于表2中,其中工况9即恒载+活载+风荷载+气动力(负压差)组合时荷载取值最大,为21.34kN/m。

表2 荷载组合

2.3 荷载加载情况

使用MIDAS Civil软件模拟2.2节中所述的四种主要荷载,模拟结果如如图5所示。

图5 荷载加载情况

2.4 有限元分析结果

采用MIDAS Civil对10种工况进行模拟,得到各工况下声屏障应力云图,其中工况9应力云图如图6所示。由图6可知,结构最大应力发生在柱脚加劲肋附近极小的区域。

图6 MIDAS Civil模拟工况9应力云图/MPa

考虑到MIDAS Civil简化模型忽略了钢框架加劲肋等影响,应力状态不一定能精确反映节点的工作状态,忽略支撑和系杆可能提供的纵向刚度,采用ANSYS WORKBENCH建立一榀框架的声屏障有限元数值模型并输入工况9,计算其应力场分布情况,其中工况9应力云图如图7所示。

图7 ANSYS WORKBENCH模拟工况9应力云图/MPa

由两种软件模拟的声屏障应力云图(图6、7)可以看出,柱脚加劲肋附近极小的区域的应力均远大于声屏障其他部位,出现了明显的应力集中现象。靴型柱脚是整体结构的薄弱环节,受力情况最为复杂,因此对其疲劳性能进行研究。

3 柱脚疲劳试验

3.1 试件设计

3.1.1 钢柱脚设计

结合2.4节模拟计算结果和实验室条件确定的试验加载方案,按足尺试验考虑,设计并制作了钢柱脚和混凝土台座试件。钢柱脚构件高2.1m,由应力分析结果,根据最不利应力以及最不利工况反推得到加载高度为1600mm。在距离柱脚顶部向下0.5m处设置加载端板,最大限度地模拟柱脚实际受力情况。钢柱脚翼缘厚20mm,腹板厚12mm,底板厚30mm,U形螺栓直径30mm。焊接钢板采用Q345D。端板厚度为30mm,十字形钢板厚度为20mm,加劲肋钢板厚度为12mm。钢柱脚试件构造及几何尺寸见图8。

3.1.2 混凝土台座设计

台座尺寸为1 500×1 100×1 100,混凝土强度等级为C40,预留直径为10cm的PVC管道,与钢柱脚之间由U形螺栓连接,与地槽之间使用地脚螺栓连接固定。混凝土台座构造及几何尺寸见图9。

3.2 材料性能试验

U形螺栓为8.8级摩擦型高强螺栓,符合《钢结构用高强度大六角头螺栓》(GB/T 1228—2006)和《钢结构用高强度大六角头螺母》(GB/T 1229—2006)等的规定。按照标准试验方法对试样进行拉伸试验,结果如表3所示。

表3 U形螺栓的力学性能

钢材等级为Q345D,符合《碳素结构钢》(GB/T 700—2006)及《低合金高强度结构钢》(GB/T 1591—2018)的质量标准。按照标准试验方法对试样进行拉伸试验,得到钢材力学性能如表4所示。

表4 钢材的力学性能

3.3 试验方案

3.3.1 试验装置

试验在合肥工业大学结构工程实验室完成。试验装置包括美国MTS液压伺服系统、反力墙、动态采集仪、静态采集仪等。按试验方案,在施工现场预制混凝土基座,在原钢结构加工厂加工好靴型柱脚构件,分别运至实验室再进行拼装。拼装完成后将试件就位。采用10.6级M60高强地脚螺栓穿过混凝土台座PVC管固定在地面槽道上,利用精轧螺纹钢和工具梁拉结和限位共同保证台座与地面固结。MTS作动器通过加载端板作用于钢柱脚试件施加水平疲劳荷载,试验加载装置及加载现场见图10。

图10 试验加载装置及加载现场

3.3.2 加载方案

根据2.4节模拟计算结果,工况9负为最不利工况,柱脚产生的应力最大。由最大应力确定试验荷载,疲劳下限荷载取5kN,疲劳上限荷载取60.4kN。对于疲劳加载试验,施加正弦脉冲循环(5,60.4)kN,共计加载400万次,由动态采集仪采集数据。

通过脉动风压的频谱-幅值曲线(图11)可知列车通过时脉动风压主频为 0.2Hz,幅值约为 1.3kPa。结合实验室实际条件和时间限制,加载按频率为4Hz左右加载时出现了明显的共振现象,本次疲劳试验加载频率选择了10Hz。

图11 脉动风压的频谱-幅值曲线

疲劳试验前,先完成一次静力循环加载并采集数据。在进行循环荷载加载次数达到100 万、210 万、250 万、290 万、320 万、380 万、400 万次时,分别停机,转换动态采集为静态采集,进行静力加载,加载方案如图12所示。每级荷载加完之后静止1min后记录应变。

图12 静力加载制度

3.3.3 测量方案

根据有限元分析结果和试验测试的可能性,分别在钢柱脚翼缘、U形螺栓预埋部分及混凝土表面布置应变片。为了测量多个方向的应变及应力,在钢柱脚底板、腹板以及加劲肋上布置应变花。在钢柱脚底板和U形螺栓螺帽相应部位布置位移计,观测可能出现的转动。应变片测点布置方案如图13～16所示,其中翼缘测点最多,分别为Y1～Y15,共计15个测点。

图13 钢柱脚测点布置图/mm

图14 混凝土台座测点布置图

图15 1～3号U形螺栓测点布置图

图16 5～4号U形螺栓测点布置图

图13～16中矩形应变片和三角形应变片的采集频率分别为1Hz和200Hz,由静态采集仪采集;圆形应变片的采集频率为1 000Hz,由动态采集仪采集。

为测定制动器以及混凝土台座处的位移,分别设置位移计W1、W2位于制动器中部以及底板外侧翼缘部位,如图17所示。

图17 位移计布置

3.4 试验结果与分析

3.4.1 试验现象

试验前和每次停机做静力试验时均对翼缘腹板进行了观察,未发现结构产生变形,漆皮未有掉落,焊缝完整,结构性能在试验中未受到影响。对U形螺栓进行了观察,锚固良好,未发现其产生变形,螺帽与底板之间未有缝隙,底层螺帽较试验前出现细微的转动。对混凝土台座进行了观察,400万次疲劳试验结束后,混凝土台座结构完整,未发生位移,也无裂缝产生,结构性能在试验中未受到影响。400万次循环荷载结束后试件相应部位情况如图18所示。

图18 试件各部位试验结果

3.4.2 静力加载应力与位移分析

静力加载试验得到各测点在不同荷载循环次数下的应力-加载级数曲线见图19。

图19 部分测点应力-加载级数关系

加载过程中钢柱脚外侧翼缘始终受拉,内侧翼缘受压,Y14测点为外侧翼缘靠近柱脚放大处的转折点,是外侧翼缘应力最大处,由图19(a)可得最大压力值达到13MPa。腹板F9测点始终受拉,F1、F4、F5测点处始终受压,F5测点靠近内侧翼缘截面转折处有明显的应力集中,由图19(b)可得其应力最大值达到60MPa。柱脚底板处,底板D10、D12测点始终受压,D6、D7测点始终受拉,可见转动中心在D6、D10测点之间,由图19(c)～(f)可得最大应力值出现在D7测点,为30MPa,远大于D6测点的10MPa,D12测点为25MPa,远大于D10测点的15MPa。U形螺栓埋入混凝土部分应力迅速衰减,靠近台座砂浆层处应力值最大,由图19(g)可得,大U形螺栓2-6测点应力达到16MPa,直弯交界处力值已很小,处于0～2MPa之间,底部应力接近0,没有波动。由图19(h)可得,小U形螺栓同一深度处所受应力在0～2MPa之间,远小于大U形螺栓。混凝土应力相对于钢柱脚的应力要小很多。应力大小都在1MPa以内。

综上,加载与卸载曲线线性关系明显,历经不同疲劳加载次数后的应力曲线基本重合,表明钢柱脚的受力特性在该疲劳荷载作用下未发生改变。

图20为钢柱脚、U形螺栓和混凝土上各个测点分别在荷载循环次数达到20万、100万、190万、280万、320万、400万次时的最大应力曲线,用以观察各个测点在不同荷载循环次数下的最大应力的变化范围。从图20中可以看出:1)绝大部分测点的最大应力走向基本呈直线状,说明钢柱脚体系在疲劳加载过程中自身的力学性能较为稳定。2)个别测点最大应力值出现波动,如Y6测点在疲劳加载循环次数为190万～320万次时出现波动,F5测点在疲劳加载循环次数为20万～190万次时出现波动,4-5测点在疲劳加载循环次数为20万～190万次时出现波动。混凝土H1测点在20万～190万次时出现了大幅度波动,可能是试验测量时出现问题。

图20 测点最大应力与典型疲劳加载循环次数关系曲线

图21为位移-加载级数关系曲线,W1测点位移大小变化范围为-1.5～1.0mm,荷载的加载与卸载曲线线性关系明显。W2测点位移大小变化范围为0～-0.5mm,表明和靴型柱脚与混凝土台座之间发生了微小松动。在不同荷载循环次数下,该曲线形状及走势大致相同,各测点在相同加载级数下取得最大位移。位移-加载级数曲线在加载与卸载两个过程中是对称的,表明试件可恢复性性能好。

图21 位移-加载级数关系曲线

3.4.3 疲劳加载应力分析

图22为钢结构翼缘、腹板和U形螺栓部分测点在荷载循环次数为0、100万、200万、300万、400万次时的应力随时间变化的时程曲线。各曲线均呈正弦波形式,与加载曲线一致。在不同荷载循环次数下的时程曲线形状基本重合,具有相近的周期及振幅。

图22 测点动态应力时程曲线

图23为部分测点在不同疲劳加载循环次数下的应力幅曲线。由图23可见随疲劳循环加载次数的变化,钢柱脚各部位和U形螺栓应力幅没有发生衰减,基本呈水平直线状;动态应变变化与荷载变化保持一致,很好得体现了钢材的弹性优点,其应变最大值(受拉或受压)和静载时相应最大值基本吻合。

图23 测点应力幅与疲劳加载循环次数关系曲线

从试验结果看,各测点应力均较低,应力幅低于疲劳截至限,材料有较大程度的富余,钢柱脚尺寸上有较大优化空间。

4 结论

(1)通过MIDAS Civil和ANSYS WORKBENCH软件模拟全封闭声屏障实际受力情况,得到柱脚加劲肋附近极小的区域的应力均远大于声屏障其他部位,并且出现了明显的应力集中现象。

(2)400万次疲劳试验加载完成后,钢柱脚钢板、焊缝、加劲肋未见开裂或压屈,除底层螺帽有轻微转动,U形螺栓未见损坏,钢柱脚整体结构具有良好的抗疲劳性能。

(3)同一测点在不同荷载循环次数下的应力-加载级数曲线形状和变化趋势保持一致,并且在卸载前后应力-加载级数曲线具有对称性,说明构件具有良好的恢复性和抗疲劳性能。各测点在不同荷载循环次数下的时程曲线包括振幅、频率等保持高度的一致并且应力变化范围较小,说明在疲劳荷载作用下构件具有良好的稳定性。

(4)试验过程中及400万次疲劳加载结束时U形螺栓应力状态一直稳定,说明具有非常良好的疲劳性能。