孫鳳珍

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,天津 300251)

1 高速鐵路聲屏障荷載組成

我國(guó)客運(yùn)專線鐵路的特點(diǎn)是車流密度大、列車運(yùn)行速度高,設(shè)計(jì)時(shí)速達(dá)350 km。國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果表明,當(dāng)列車以250 km/h速度行駛時(shí),列車風(fēng)就會(huì)產(chǎn)生脈動(dòng)力作用于聲屏障上,聲屏障結(jié)構(gòu)就要考慮疲勞影響。因此,高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算方法及合理的連接方式,解決高速鐵路列車大密度、長(zhǎng)期運(yùn)行聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞問題,成為高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

對(duì)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(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、列車風(fēng)引起的脈動(dòng)力三部分,必要時(shí)還要考慮溫度、濕度變化及地震等因素對(duì)結(jié)構(gòu)的作用,風(fēng)荷載和列車脈動(dòng)力是插板式金屬聲屏障結(jié)構(gòu)計(jì)算的主要荷載。

1.1 風(fēng)荷載

根據(jù)鐵道部鐵運(yùn)函(2006)462號(hào)文,確定時(shí)速350 km列車運(yùn)行時(shí)風(fēng)速按20 m/s計(jì)算,采用這個(gè)值是保證安全的。

特殊風(fēng)荷載,一般地區(qū)按重現(xiàn)期100年的最大風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算,臺(tái)風(fēng)地區(qū)風(fēng)速按60 m/s計(jì)算。

根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005),風(fēng)荷載強(qiáng)度按下式計(jì)算

wk=k1k2k3w0

(1)

式中wk——風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，Pa；

k1——風(fēng)載體型系數(shù)；

k2——風(fēng)壓高度變化系數(shù)；

k3——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)；

v——風(fēng)速，m/s。

1.2 脈動(dòng)力

脈動(dòng)力可按照等效荷載qDS進(jìn)行計(jì)算,而等效荷載qDS是基于脈動(dòng)力作用長(zhǎng)度正、負(fù)壓各5 m考慮的。對(duì)于具體的聲屏障計(jì)算單元,需要分析其荷載作用位置,按照最不利荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。脈動(dòng)力荷載幾何作用如圖1所示。

圖1 脈動(dòng)力荷載幾何作用(單位：m)

按照?qǐng)D1所示的荷載幾何作用圖建立聲屏障立柱荷載計(jì)算公式

(2)

式中 Lm——計(jì)算跨度，m。

計(jì)算跨度可按表1取值,中間值采用內(nèi)插法計(jì)算求得。

表1 計(jì)算跨度 m

柱底內(nèi)力計(jì)算按照?qǐng)D2及公式(3)、(4)計(jì)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?shù)母叨龋琺；

q1——墻底處的脈動(dòng)力，kN/m；

q2——墻頂處的脈動(dòng)力，kN/m。

脈動(dòng)力荷載豎向分布如圖2所示。

圖2 脈動(dòng)力荷載豎向分布

1.3 荷載組合

工況一，結(jié)構(gòu)自重+列車脈動(dòng)力；

工況二，結(jié)構(gòu)自重+列車脈動(dòng)力+風(fēng)力(風(fēng)速采用25 m/s)；

工況三，結(jié)構(gòu)自重+風(fēng)力(按重現(xiàn)期100年風(fēng)速計(jì)算)。

疲勞計(jì)算采用工況一,強(qiáng)度計(jì)算、穩(wěn)定性計(jì)算及變形計(jì)算采用工況二和工況三。

2 聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算方法

影響聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞強(qiáng)度的主要因素是作用的應(yīng)力幅或應(yīng)力比以及應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)。其中,應(yīng)力循環(huán)次數(shù)是指在連續(xù)重復(fù)荷載作用下由最大到最小的循環(huán)次數(shù),與使用壽命有關(guān)。一般來說,當(dāng)應(yīng)力幅小于一定數(shù)值時(shí),即使應(yīng)力無限多循環(huán),亦不至產(chǎn)生疲勞破壞,即達(dá)到通稱的疲勞極限。但由于高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)承受的列車脈動(dòng)力荷載為非連續(xù)作用,承受的應(yīng)力幅較大,結(jié)構(gòu)重要性高,疲勞允許應(yīng)力幅[Δσ0]應(yīng)按照疲勞抗力方程,以實(shí)際發(fā)生的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)(使用壽命內(nèi))計(jì)算。以京津城際為例,按50年使用年限計(jì)算,遠(yuǎn)期每天運(yùn)行195對(duì)列車,聲屏障在列車車頭和車尾通過時(shí)受2次脈動(dòng)風(fēng)壓的沖擊,所以計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N按每列車2次計(jì)算,即N=2×195×50×365=7.12×106次。

在疲勞作用計(jì)算時(shí),同時(shí)要考慮因速度增加導(dǎo)致大密度運(yùn)量增加而產(chǎn)生的疲勞損傷修正系數(shù)γn。另外厚板的材質(zhì)及焊接、制造工藝有許多比較難保證的因素,對(duì)疲勞強(qiáng)度將產(chǎn)生下降的影響。還要考慮板厚修正系數(shù)γt。

高速列車脈動(dòng)力屬于非對(duì)稱荷載,最大應(yīng)力和最小應(yīng)力不同,在相同的循環(huán)次數(shù)下,能承受的最大應(yīng)力也不同,設(shè)計(jì)時(shí)允許應(yīng)力幅用ρ=σmin/σmax=0表示,故在最大應(yīng)力控制時(shí),應(yīng)乘以應(yīng)力比修正系數(shù)γp。

2.1 聲屏障鋼立柱疲勞計(jì)算

鋼立柱的疲勞允許應(yīng)力幅類別根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定按Ⅰ類計(jì)算,其計(jì)算疲勞抗力方程式為

lgN+4lgσ=15

(5)

式中N——循環(huán)次數(shù)。

根據(jù)上式計(jì)算的σ值即為疲勞允許應(yīng)力幅[Δσ0]。

根據(jù)脈動(dòng)力研究得知,脈動(dòng)力為非對(duì)稱循環(huán)動(dòng)力荷載,為拉-壓構(gòu)件,應(yīng)力比在0.8～0.95,應(yīng)力比修正系數(shù)γp取0.6,根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定

(6)

式中γd——雙線橋的雙線系數(shù),取1.0；

γt——板厚修正系數(shù),取=1.0；

γp——應(yīng)力比修正系數(shù),取0.6；

K——安全系數(shù),取1.0。

2.2 螺栓疲勞計(jì)算

按機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第五篇第三章“螺栓連接計(jì)算”中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。

螺栓的疲勞極限應(yīng)力σ-1t計(jì)算,

計(jì)算應(yīng)力幅

(7)

(8)

式中σap——許用應(yīng)力幅；

ε——尺寸因數(shù);

Kt——螺紋制造工藝因數(shù);

KU——受力不均勻因數(shù)；

Kσ——缺口應(yīng)力集中因數(shù);

Sa——安全因數(shù);

CL/(CL+CF)——?jiǎng)偠认禂?shù)。

2.3 焊縫疲勞計(jì)算

焊縫的疲勞允許應(yīng)力幅類別根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定按Ⅱ類計(jì)算,其計(jì)算疲勞抗力方程式為

lgN+3.5lgσ=13.6

(9)

根據(jù)上式即可計(jì)算疲勞允許應(yīng)力幅σ=[Δσ0]。

如前所述,按-σmin=0.9σmax進(jìn)行計(jì)算,則按《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)規(guī)定

(10)

式中γd——雙線橋的雙線系數(shù),取1.0；

γn——損傷修正系數(shù),取1.3～1.5；

γt——板厚修正系數(shù),取=1.0。

3 聲屏障結(jié)構(gòu)連接方式

3.1 連接方式

聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接方式?jīng)Q定了聲屏障結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和抗疲勞性能。國(guó)外初期建造的高速鐵路聲屏障,由于聲屏障立柱與基礎(chǔ)連接方式不合理,聲屏障使用一段時(shí)間后,產(chǎn)生立柱底板松動(dòng)、立柱變形加大等現(xiàn)象,進(jìn)而造成了聲屏障板材破壞。因此,聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接方式是聲屏障結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。

根據(jù)作用于高速聲屏障結(jié)構(gòu)動(dòng)力荷載的特性,結(jié)合聲屏障現(xiàn)場(chǎng)安裝要求,提出如圖3所示的立柱與基礎(chǔ)連接方式,主要包括橋梁遮板預(yù)留接口與上部安裝兩部分。

圖3 聲屏障立柱與基礎(chǔ)連接

其主要技術(shù)特點(diǎn)如下。

(1)在橋梁遮板內(nèi)預(yù)埋摩擦型高強(qiáng)度螺栓。摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接緊密,變形小,耐疲勞,安裝簡(jiǎn)單,特別適合于受動(dòng)力荷載的聲屏障結(jié)構(gòu)。通過預(yù)先施加預(yù)緊力,可以將振動(dòng)荷載轉(zhuǎn)化為各連接單元的單一內(nèi)部振動(dòng)荷載。

(2)采用U形摩擦型高強(qiáng)度螺栓。列車脈動(dòng)力作用于聲屏障結(jié)構(gòu)時(shí),在垂直線路方向,基礎(chǔ)螺栓具有當(dāng)一側(cè)螺栓受力時(shí),另一側(cè)螺栓不受力的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn),在垂直線路方向采用U形螺栓,就可在滿足螺栓錨固長(zhǎng)度要求的情況下,有效減少了螺栓長(zhǎng)度。

(3)在立柱底板下設(shè)置調(diào)節(jié)螺母,用于聲屏障安裝時(shí)調(diào)節(jié)安裝高度,有利于現(xiàn)場(chǎng)安裝,從而能更好地滿足安裝精度要求。

(4)在調(diào)節(jié)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(dān),避免了交互的內(nèi)部荷載,改變了螺栓受力狀態(tài),提高了螺栓的耐疲勞性能。

(5)采用高強(qiáng)螺栓、防松動(dòng)墊圈和雙螺母三層防護(hù),確保了聲屏障立柱與基礎(chǔ)連接緊固,避免了出現(xiàn)螺母松動(dòng)現(xiàn)象。

3.2 工程中的應(yīng)用

京津城際客運(yùn)專線聲屏障設(shè)計(jì)采用了以上所述的這種設(shè)計(jì)方式,通過1年多的運(yùn)營(yíng)來看,效果很好,目前每天運(yùn)行的列車對(duì)數(shù)為59對(duì),最高時(shí)速為350 km,聲屏障高度設(shè)計(jì)為2種,即2.15 m和3.15 m,設(shè)置位置位于橋梁的遮板頂部。2008年10月中國(guó)鐵道科學(xué)研究院對(duì)京津城際聲屏障進(jìn)行了應(yīng)力應(yīng)變的測(cè)試,第3根立柱上應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置見圖4及圖5,測(cè)試地點(diǎn)在武清靜湖小區(qū),此處聲屏障高度為3.15 m,表2為測(cè)點(diǎn)6、7、8、9在各速度檔下的應(yīng)力幅值。

從表2可以看出,在列車時(shí)速320 km時(shí),最大應(yīng)力值為17.42 MPa,結(jié)構(gòu)允許值為140 MPa,偏于安全。但設(shè)計(jì)中是以構(gòu)件的疲勞應(yīng)力為控制應(yīng)力,允許疲勞應(yīng)力值要小于構(gòu)件強(qiáng)度本身允許應(yīng)力值,按照循環(huán)次數(shù)7.12×106計(jì)算鋼柱的疲勞允許應(yīng)力幅[σ0]=106.8 MPa(《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10002.2—2005)中表3.2.7-1),從測(cè)試結(jié)果看,對(duì)這種主要承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu),也是安全的。所以采用上述計(jì)算方法及構(gòu)件連接方式在實(shí)際應(yīng)用中是可行的。

圖4 第三根立柱應(yīng)力測(cè)點(diǎn)示意

圖5 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)

表2 第三根立柱不同測(cè)點(diǎn)在各速度檔下的應(yīng)力幅值統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

(1)高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)荷載主要包括結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、列車脈動(dòng)力三部分。

(2)聲屏障結(jié)構(gòu)疲勞計(jì)算應(yīng)按照實(shí)際的循環(huán)次數(shù)計(jì)算疲勞允許應(yīng)力幅。

(3)列車脈動(dòng)力荷載具有非對(duì)稱循環(huán)動(dòng)力荷載特性。由于高速鐵路列車運(yùn)行密度高,聲屏障主體結(jié)構(gòu)使用壽命長(zhǎng),聲屏障結(jié)構(gòu)必須具有很高的耐疲勞性能。

(4)聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接方式是聲屏障結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)。聲屏障立柱與基礎(chǔ)的連接應(yīng)采用摩擦型高強(qiáng)度螺栓連接。

[1]李慧彬.震動(dòng)理論與工程應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006.

[2]太原工學(xué)院《震動(dòng)計(jì)算》編寫組.震動(dòng)計(jì)算[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1978.

[3]胡人禮譯.工程中的震動(dòng)問題[M].北京：人民鐵道出版社，1978.

[4]鐵道部科學(xué)研究院.國(guó)外高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程匯編第1-3冊(cè)[Z].北京：鐵道部標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，1994.

[5]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.客運(yùn)專線聲屏障設(shè)計(jì)的研究報(bào)告[R].天津:2004．