高速铁路非金属声屏障单元板结构性能分析

高速铁路非金属声屏障单元板结构性能分析

摘要：随着高速铁路的快速发展，轨道噪声不可避免的对沿线居民造成一定的影响，设置声屏障是有效控制噪声的手段。非金属声屏障单元板由于其造价低，耐久性能好，正逐渐替代金属声屏障，广泛应用在铁路声屏障建设中。由于非金属声屏障单元板材质及结构多样化，通过对铁路上常见的三种非金属结构进行有限元模拟计算，分析各类结构的安全性并给出相应的优化建议。

关键词：高速铁；声屏障；非金属声屏障单元板；有限元分析；结构优化

伴随着铁路建设的快速发展，高速铁路带来的噪声也影响着沿线的居民，需要大量设置声屏障控制轨道噪声。和金属单元板相比较，非金属单元板具有造价低、耐久性好的特点，正逐渐替代金属声屏障，广泛应用在铁路声屏障建设中。但非金属单元板质量问题层出不穷，安装运营后开裂破损现象较多，其安全性及耐久性能否满足高速铁路的气动荷载有待商榷。由于非金属单元板材质及结构的多样性，目前高速铁路上常见的非金属单元板分为三种：挤拉板，与建筑工程中墙面板工艺类似，没有配备钢筋；双层复合板，通常结构为混凝土背层复合轻质吸声面层；现浇中空板，结构形式通

长为20～30mm混凝土面板与背板，结构中空，内填吸声材料。本文利用ANSYS有限元软件对以上三种结构进行有限元模拟计算，对三种非金属结构进行安全分析。

1 声屏障荷载

本声屏障单元板考虑的设计荷载有自重、列车脉动力、自然风荷载和地震力等，本文主要研究在以上荷载作用下声屏障单元板的抗弯能力分析。根据《时速350km客运专线铁路路基插板式非金属声屏障》（铁路工程建设通用参考图，通环（2009）8326），声屏障单元板的抗弯曲断裂荷载如下表1：

抗弯曲断裂荷载台风地区≥7kPa

一般风速地区≥3.5kPa

2 声屏障基础参数设置

两种声屏障单元板均为由面板、背板、竖肋构成的中空预制C40普通钢筋混凝土板，面（背）板厚度和竖肋宽度均为20mm；面板上布置吸音孔，背板无吸音孔，吸音孔布置按降噪要求进行设计；中间填充或内嵌网格布、岩棉吸声材料；单元板嵌插在H型钢立柱上，按两边简支分析；具体构造如下表2：

声屏障类型配筋外观尺寸竖肋个数

SPZ1 无1960*500*140 6

SPZ2 3960*500*140 3

通过有限元模拟软件ANSYS对声屏障单元板进行模拟，对声屏障单元板的挠度和应力等进行抗弯分析。混凝土采用SOLID65单元，弹性模量E=3.25E4，泊松比λ=0.2，混凝土裂缝张开的剪力传递系数为0.45，裂缝闭合的剪力传递系数为0.9，抗拉强度为2.39，由于不考虑混凝土抗压破坏，取单轴抗压强度为-1；钢筋采用PIPE16单元钢筋的弹性模量E=2E5，泊松比λ=0.3。

3 声屏障单元板模拟分析

声屏障SPZ1模拟分析（台风地区、抗弯曲断裂荷载

7kPa）：

单元板变形

混凝土拉应力

该单元板竖肋较多，通过增大截面尺寸来增强截面的抗弯能力。在台风地区，抗弯曲断裂荷载7kPa的情况下，单元板跨中最大挠度仅为0.28mm远少于规定限值ω≤15mm；混凝土最大拉应力为1.474N/mm2也少于C40混凝土抗拉强度设计值ft=1.71N/mm2，此时声屏障单元板上没有裂缝。该板能满足7kPa抗弯曲荷载的设计要求，适用于台风地区，但考虑到素混凝土为脆性材料，应在板内配置适量的构造钢筋，且配筋率不少于规定的最少配筋率。

声屏障SPZ2模拟分析（一般风速地区、抗弯曲断裂荷载3.5kPa）：

单元板变形

混凝土拉应力

该板截面简单，自重较小且制作方便；板内配置了适量的钢筋，具有较好的抗弯能力。在一般风速地区抗弯曲断裂荷载3.5kPa的情况下，跨中最大挠度11.55mm小于规定限值ω≤15mm，满足变形要求；混凝土最大拉应力达到了2.386mm，接近混凝土的抗拉强度标准值，单元板可能已经开裂。为了使该板能适用于一般风速地区，建议使用强度等级更高的混凝土（如C60）或增大竖肋和面（背）的厚度来提高板的抗弯能力。

4 结语

声屏障SPZ1的跨度较小，抗弯曲能力强，适用于弯曲荷载较大的台风地区。声屏障SPZ1虽然自重较大，但是只配置少量钢筋更加经济。声屏障SPZ2的跨度较大，相对来说抗弯能力较弱。

参考文献

[1] JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[2] GB50010-2010.混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] GB50009-2012.建筑结构规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

作者简介：谭晓燕（1965- ），女，湖南邵阳人，本科，

工程师，研究方向：土木工程结构。