宋滿榮, 許格致, 張騰飛, 孔紹東, 葉子健

(1 合肥工業(yè)大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，合肥 230009；2 合肥工業(yè)大學(xué)土木工程結(jié)構(gòu)與材料安徽省重點實驗室，合肥 230009；3 中鐵上海局集團建筑工程有限公司，上海 201900)

0 引言

我國高速鐵路系統(tǒng)的快速發(fā)展給人們?nèi)粘３鲂泻统鞘虚g物質(zhì)交換帶來了極大的便利,但環(huán)境噪聲影響民生的問題日益突出[1]。目前應(yīng)用最為普遍的降噪手段是建造簡單、技術(shù)成熟、成本低廉的直立式聲屏障。但當(dāng)高速鐵路穿越居民區(qū)或生態(tài)保護區(qū)時,普通直立式聲屏障已經(jīng)無法達到降噪標(biāo)準(zhǔn),氣密性、隔聲性能更好的全封閉聲屏障應(yīng)運而生[2]。聲屏障不僅要滿足聲學(xué)性能,還要滿足力學(xué)性能和物理性能[2-4]。

當(dāng)列車通過聲屏障時,列車脈動風(fēng)壓會對聲屏障產(chǎn)生拉壓作用,在設(shè)計使用壽命期,需承受數(shù)百萬次的列車脈動風(fēng)壓作用。鐵路聲屏障抗疲勞性能是其力學(xué)性能的一項重要指標(biāo),需要在最不利設(shè)計荷載工況下對聲屏障產(chǎn)品進行疲勞試驗,以考察其抗疲勞性能。當(dāng)列車速度較高時,聲屏障為全封閉結(jié)構(gòu)時,列車脈動壓力對聲屏障的作用效果更加明顯[5-7]。

國內(nèi)外學(xué)者對于全封閉聲屏障力學(xué)性能方面的研究涉及很少。Thomas Keller等[8]通過試驗研究了強化玻璃纖維塑料(GFRP)材料的直立式聲屏障柱的疲勞性能。Berthellemy Jacques等[9-10]研究了聲屏障柱腳與混凝土基座之間連接復(fù)合銷釘?shù)牧W(xué)性能,詳細介紹了循環(huán)荷載下的疲勞行為,并在模型的基礎(chǔ)上優(yōu)化了設(shè)計概念。Bernd Bültemeier、Detlef Ulbrich[11]分析了德國鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)連接預(yù)應(yīng)力錨桿的抗剪和疲勞性能,并與以前摩擦焊接錨桿的性能作比較。在國內(nèi),為了更好地提高聲屏障的實際降噪效果,呂堅品[12]提出一種簡化脈動風(fēng)載荷激勵輸入的方法來分析聲屏障脈動風(fēng)致響應(yīng),給出了有關(guān)插板式聲屏障以及整體式聲屏障的建議。馬馳[13]設(shè)計了足尺全封閉聲屏障模型,模擬了聲屏障在等效列車脈動風(fēng)壓下的鋼梁和連接螺栓的疲勞性能。杜健[14]給出了列車和聲屏障表面的壓力時程曲線,并與英國規(guī)范BS EN 1991-1-4∶2005的曲線進行了比較。

新建京雄城際鐵路北落店村工程為國內(nèi)外首例設(shè)計時速達到350km/h的高速鐵路全封閉式聲屏障工程,需進行系統(tǒng)技術(shù)研究。本文主要針對該聲屏障工程在列車通過時產(chǎn)生的脈動壓力以及其他多種載荷作用下的疲勞性能展開研究[15]。

1 工程概況

京雄城際鐵路北落店村工程列車設(shè)計速度為350km/h,配置全封閉聲屏障,全長847.25m,見圖1,包含16～32m、2～24m的簡支梁,一聯(lián)(73+128+73)m的連續(xù)梁。

全封閉聲屏障主體結(jié)構(gòu)創(chuàng)新地采用了全焊接圓弧形H型鋼框架,跨度13.28m,高度9.4m,由三段弧形H型鋼梁焊接構(gòu)成,如圖2所示。鋼框架之間由間距大約2m的系桿相連接,全封閉聲屏障側(cè)面和頂部分別設(shè)置通長柱間支撐和通長水平支撐,柱腳為剛接形式,形成穩(wěn)定單元結(jié)構(gòu)。全封閉聲屏障各部位所選用的材料詳見表1,鋼結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為2972t。

鋼柱腳采用向內(nèi)開口的靴型柱腳,便于后期橋梁內(nèi)側(cè)檢修。圖3為靴型鋼柱腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計,鋼柱腳與混凝土箱梁連接節(jié)點創(chuàng)新地采用了“四橫兩縱”式U形螺栓。

2 整體有限元分析

2.1 有限元模型建立

采用MIDAS Civil軟件建立全封閉聲屏障整體模型,模擬其在恒荷載、活荷載、風(fēng)荷載以及列車氣動力多種荷載組合下的受力情況。

對于全封閉聲屏障鋼結(jié)構(gòu)主體部分,一般一個節(jié)段為一整跨箱梁。選取一孔32m簡支梁上的全封閉聲屏障為代表進行建模。該有限元模型主要由三部分構(gòu)成:全封閉聲屏障框架、系桿以及支撐結(jié)構(gòu),共計663個節(jié)點以及986個單元數(shù)。全封閉聲屏障有限元模型如圖4所示。

2.2 工況簡述及荷載取值

全封閉聲屏障在使用過程中受到的荷載主要由恒載、活載、風(fēng)荷載以及列車氣動力組成[14-15]。

關(guān)于列車氣力取值,隨著列車運行速度的增大和凈空面積的減小(即阻塞率增加),聲屏障壁面壓力峰值及幅值相應(yīng)增大。當(dāng)列車以350km/h的速度在1/2截面會車時為最不利工況,此時列車風(fēng)在聲屏障內(nèi)表面產(chǎn)生的最大壓力峰值和壓力幅值數(shù)值大于其他位置會車和單車工況,作為設(shè)計控制荷載。

綜合考慮《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》(TB 10621—2014)中的建議值和中南大學(xué)數(shù)值模擬結(jié)果建議值,確定列車氣動壓力作用下全封閉聲屏障正風(fēng)壓為5.9kPa,負風(fēng)壓為-8.9kPa。同時,考慮左右壓差對結(jié)構(gòu)的受力更不利影響,壓差設(shè)計值取值2.0kPa。

對以上四種荷載進行組合,對組合而成的10種工況進行數(shù)值模擬分析。選取部分工況于列于表2中,其中工況9即恒載+活載+風(fēng)荷載+氣動力(負壓差)組合時荷載取值最大,為21.34kN/m。

表2 荷載組合

2.3 荷載加載情況

使用MIDAS Civil軟件模擬2.2節(jié)中所述的四種主要荷載,模擬結(jié)果如如圖5所示。

圖5 荷載加載情況

2.4 有限元分析結(jié)果

采用MIDAS Civil對10種工況進行模擬,得到各工況下聲屏障應(yīng)力云圖,其中工況9應(yīng)力云圖如圖6所示。由圖6可知,結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在柱腳加勁肋附近極小的區(qū)域。

圖6 MIDAS Civil模擬工況9應(yīng)力云圖/MPa

考慮到MIDAS Civil簡化模型忽略了鋼框架加勁肋等影響,應(yīng)力狀態(tài)不一定能精確反映節(jié)點的工作狀態(tài),忽略支撐和系桿可能提供的縱向剛度,采用ANSYS WORKBENCH建立一榀框架的聲屏障有限元數(shù)值模型并輸入工況9,計算其應(yīng)力場分布情況,其中工況9應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 ANSYS WORKBENCH模擬工況9應(yīng)力云圖/MPa

由兩種軟件模擬的聲屏障應(yīng)力云圖(圖6、7)可以看出,柱腳加勁肋附近極小的區(qū)域的應(yīng)力均遠大于聲屏障其他部位,出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。靴型柱腳是整體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),受力情況最為復(fù)雜,因此對其疲勞性能進行研究。

3 柱腳疲勞試驗

3.1 試件設(shè)計

3.1.1 鋼柱腳設(shè)計

結(jié)合2.4節(jié)模擬計算結(jié)果和實驗室條件確定的試驗加載方案,按足尺試驗考慮,設(shè)計并制作了鋼柱腳和混凝土臺座試件。鋼柱腳構(gòu)件高2.1m,由應(yīng)力分析結(jié)果,根據(jù)最不利應(yīng)力以及最不利工況反推得到加載高度為1600mm。在距離柱腳頂部向下0.5m處設(shè)置加載端板,最大限度地模擬柱腳實際受力情況。鋼柱腳翼緣厚20mm,腹板厚12mm,底板厚30mm,U形螺栓直徑30mm。焊接鋼板采用Q345D。端板厚度為30mm,十字形鋼板厚度為20mm,加勁肋鋼板厚度為12mm。鋼柱腳試件構(gòu)造及幾何尺寸見圖8。

3.1.2 混凝土臺座設(shè)計

臺座尺寸為1 500×1 100×1 100,混凝土強度等級為C40,預(yù)留直徑為10cm的PVC管道,與鋼柱腳之間由U形螺栓連接,與地槽之間使用地腳螺栓連接固定?；炷僚_座構(gòu)造及幾何尺寸見圖9。

3.2 材料性能試驗

U形螺栓為8.8級摩擦型高強螺栓,符合《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺栓》(GB/T 1228—2006)和《鋼結(jié)構(gòu)用高強度大六角頭螺母》(GB/T 1229—2006)等的規(guī)定。按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對試樣進行拉伸試驗,結(jié)果如表3所示。

表3 U形螺栓的力學(xué)性能

鋼材等級為Q345D,符合《碳素結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 700—2006)及《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T 1591—2018)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。按照標(biāo)準(zhǔn)試驗方法對試樣進行拉伸試驗,得到鋼材力學(xué)性能如表4所示。

表4 鋼材的力學(xué)性能

3.3 試驗方案

3.3.1 試驗裝置

試驗在合肥工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程實驗室完成。試驗裝置包括美國MTS液壓伺服系統(tǒng)、反力墻、動態(tài)采集儀、靜態(tài)采集儀等。按試驗方案,在施工現(xiàn)場預(yù)制混凝土基座,在原鋼結(jié)構(gòu)加工廠加工好靴型柱腳構(gòu)件,分別運至實驗室再進行拼裝。拼裝完成后將試件就位。采用10.6級M60高強地腳螺栓穿過混凝土臺座PVC管固定在地面槽道上,利用精軋螺紋鋼和工具梁拉結(jié)和限位共同保證臺座與地面固結(jié)。MTS作動器通過加載端板作用于鋼柱腳試件施加水平疲勞荷載,試驗加載裝置及加載現(xiàn)場見圖10。

圖10 試驗加載裝置及加載現(xiàn)場

3.3.2 加載方案

根據(jù)2.4節(jié)模擬計算結(jié)果,工況9負為最不利工況,柱腳產(chǎn)生的應(yīng)力最大。由最大應(yīng)力確定試驗荷載,疲勞下限荷載取5kN,疲勞上限荷載取60.4kN。對于疲勞加載試驗,施加正弦脈沖循環(huán)(5,60.4)kN,共計加載400萬次,由動態(tài)采集儀采集數(shù)據(jù)。

通過脈動風(fēng)壓的頻譜-幅值曲線(圖11)可知列車通過時脈動風(fēng)壓主頻為 0.2Hz,幅值約為 1.3kPa。結(jié)合實驗室實際條件和時間限制,加載按頻率為4Hz左右加載時出現(xiàn)了明顯的共振現(xiàn)象,本次疲勞試驗加載頻率選擇了10Hz。

圖11 脈動風(fēng)壓的頻譜-幅值曲線

疲勞試驗前,先完成一次靜力循環(huán)加載并采集數(shù)據(jù)。在進行循環(huán)荷載加載次數(shù)達到100 萬、210 萬、250 萬、290 萬、320 萬、380 萬、400 萬次時,分別停機,轉(zhuǎn)換動態(tài)采集為靜態(tài)采集,進行靜力加載,加載方案如圖12所示。每級荷載加完之后靜止1min后記錄應(yīng)變。

圖12 靜力加載制度

3.3.3 測量方案

根據(jù)有限元分析結(jié)果和試驗測試的可能性,分別在鋼柱腳翼緣、U形螺栓預(yù)埋部分及混凝土表面布置應(yīng)變片。為了測量多個方向的應(yīng)變及應(yīng)力,在鋼柱腳底板、腹板以及加勁肋上布置應(yīng)變花。在鋼柱腳底板和U形螺栓螺帽相應(yīng)部位布置位移計,觀測可能出現(xiàn)的轉(zhuǎn)動。應(yīng)變片測點布置方案如圖13～16所示,其中翼緣測點最多,分別為Y1～Y15,共計15個測點。

圖13 鋼柱腳測點布置圖/mm

圖14 混凝土臺座測點布置圖

圖15 1～3號U形螺栓測點布置圖

圖16 5～4號U形螺栓測點布置圖

圖13～16中矩形應(yīng)變片和三角形應(yīng)變片的采集頻率分別為1Hz和200Hz,由靜態(tài)采集儀采集;圓形應(yīng)變片的采集頻率為1 000Hz,由動態(tài)采集儀采集。

為測定制動器以及混凝土臺座處的位移,分別設(shè)置位移計W1、W2位于制動器中部以及底板外側(cè)翼緣部位,如圖17所示。

圖17 位移計布置

3.4 試驗結(jié)果與分析

3.4.1 試驗現(xiàn)象

試驗前和每次停機做靜力試驗時均對翼緣腹板進行了觀察,未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形,漆皮未有掉落,焊縫完整,結(jié)構(gòu)性能在試驗中未受到影響。對U形螺栓進行了觀察,錨固良好,未發(fā)現(xiàn)其產(chǎn)生變形,螺帽與底板之間未有縫隙,底層螺帽較試驗前出現(xiàn)細微的轉(zhuǎn)動。對混凝土臺座進行了觀察,400萬次疲勞試驗結(jié)束后,混凝土臺座結(jié)構(gòu)完整,未發(fā)生位移,也無裂縫產(chǎn)生,結(jié)構(gòu)性能在試驗中未受到影響。400萬次循環(huán)荷載結(jié)束后試件相應(yīng)部位情況如圖18所示。

圖18 試件各部位試驗結(jié)果

3.4.2 靜力加載應(yīng)力與位移分析

靜力加載試驗得到各測點在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-加載級數(shù)曲線見圖19。

圖19 部分測點應(yīng)力-加載級數(shù)關(guān)系

加載過程中鋼柱腳外側(cè)翼緣始終受拉,內(nèi)側(cè)翼緣受壓,Y14測點為外側(cè)翼緣靠近柱腳放大處的轉(zhuǎn)折點,是外側(cè)翼緣應(yīng)力最大處,由圖19(a)可得最大壓力值達到13MPa。腹板F9測點始終受拉,F1、F4、F5測點處始終受壓,F5測點靠近內(nèi)側(cè)翼緣截面轉(zhuǎn)折處有明顯的應(yīng)力集中,由圖19(b)可得其應(yīng)力最大值達到60MPa。柱腳底板處,底板D10、D12測點始終受壓,D6、D7測點始終受拉,可見轉(zhuǎn)動中心在D6、D10測點之間,由圖19(c)～(f)可得最大應(yīng)力值出現(xiàn)在D7測點,為30MPa,遠大于D6測點的10MPa,D12測點為25MPa,遠大于D10測點的15MPa。U形螺栓埋入混凝土部分應(yīng)力迅速衰減,靠近臺座砂漿層處應(yīng)力值最大,由圖19(g)可得,大U形螺栓2-6測點應(yīng)力達到16MPa,直彎交界處力值已很小,處于0～2MPa之間,底部應(yīng)力接近0,沒有波動。由圖19(h)可得,小U形螺栓同一深度處所受應(yīng)力在0～2MPa之間,遠小于大U形螺栓?；炷翍?yīng)力相對于鋼柱腳的應(yīng)力要小很多。應(yīng)力大小都在1MPa以內(nèi)。

綜上,加載與卸載曲線線性關(guān)系明顯,歷經(jīng)不同疲勞加載次數(shù)后的應(yīng)力曲線基本重合,表明鋼柱腳的受力特性在該疲勞荷載作用下未發(fā)生改變。

圖20為鋼柱腳、U形螺栓和混凝土上各個測點分別在荷載循環(huán)次數(shù)達到20萬、100萬、190萬、280萬、320萬、400萬次時的最大應(yīng)力曲線,用以觀察各個測點在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的最大應(yīng)力的變化范圍。從圖20中可以看出:1)絕大部分測點的最大應(yīng)力走向基本呈直線狀,說明鋼柱腳體系在疲勞加載過程中自身的力學(xué)性能較為穩(wěn)定。2)個別測點最大應(yīng)力值出現(xiàn)波動,如Y6測點在疲勞加載循環(huán)次數(shù)為190萬～320萬次時出現(xiàn)波動,F5測點在疲勞加載循環(huán)次數(shù)為20萬～190萬次時出現(xiàn)波動,4-5測點在疲勞加載循環(huán)次數(shù)為20萬～190萬次時出現(xiàn)波動?；炷罤1測點在20萬～190萬次時出現(xiàn)了大幅度波動,可能是試驗測量時出現(xiàn)問題。

圖20 測點最大應(yīng)力與典型疲勞加載循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

圖21為位移-加載級數(shù)關(guān)系曲線,W1測點位移大小變化范圍為-1.5～1.0mm,荷載的加載與卸載曲線線性關(guān)系明顯。W2測點位移大小變化范圍為0～-0.5mm,表明和靴型柱腳與混凝土臺座之間發(fā)生了微小松動。在不同荷載循環(huán)次數(shù)下,該曲線形狀及走勢大致相同,各測點在相同加載級數(shù)下取得最大位移。位移-加載級數(shù)曲線在加載與卸載兩個過程中是對稱的,表明試件可恢復(fù)性性能好。

圖21 位移-加載級數(shù)關(guān)系曲線

3.4.3 疲勞加載應(yīng)力分析

圖22為鋼結(jié)構(gòu)翼緣、腹板和U形螺栓部分測點在荷載循環(huán)次數(shù)為0、100萬、200萬、300萬、400萬次時的應(yīng)力隨時間變化的時程曲線。各曲線均呈正弦波形式,與加載曲線一致。在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的時程曲線形狀基本重合,具有相近的周期及振幅。

圖22 測點動態(tài)應(yīng)力時程曲線

圖23為部分測點在不同疲勞加載循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力幅曲線。由圖23可見隨疲勞循環(huán)加載次數(shù)的變化,鋼柱腳各部位和U形螺栓應(yīng)力幅沒有發(fā)生衰減,基本呈水平直線狀;動態(tài)應(yīng)變變化與荷載變化保持一致,很好得體現(xiàn)了鋼材的彈性優(yōu)點,其應(yīng)變最大值(受拉或受壓)和靜載時相應(yīng)最大值基本吻合。

圖23 測點應(yīng)力幅與疲勞加載循環(huán)次數(shù)關(guān)系曲線

從試驗結(jié)果看,各測點應(yīng)力均較低,應(yīng)力幅低于疲勞截至限,材料有較大程度的富余,鋼柱腳尺寸上有較大優(yōu)化空間。

4 結(jié)論

(1)通過MIDAS Civil和ANSYS WORKBENCH軟件模擬全封閉聲屏障實際受力情況,得到柱腳加勁肋附近極小的區(qū)域的應(yīng)力均遠大于聲屏障其他部位,并且出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)400萬次疲勞試驗加載完成后,鋼柱腳鋼板、焊縫、加勁肋未見開裂或壓屈,除底層螺帽有輕微轉(zhuǎn)動,U形螺栓未見損壞,鋼柱腳整體結(jié)構(gòu)具有良好的抗疲勞性能。

(3)同一測點在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)力-加載級數(shù)曲線形狀和變化趨勢保持一致,并且在卸載前后應(yīng)力-加載級數(shù)曲線具有對稱性,說明構(gòu)件具有良好的恢復(fù)性和抗疲勞性能。各測點在不同荷載循環(huán)次數(shù)下的時程曲線包括振幅、頻率等保持高度的一致并且應(yīng)力變化范圍較小,說明在疲勞荷載作用下構(gòu)件具有良好的穩(wěn)定性。

(4)試驗過程中及400萬次疲勞加載結(jié)束時U形螺栓應(yīng)力狀態(tài)一直穩(wěn)定,說明具有非常良好的疲勞性能。