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整体式混凝土声屏障
技术领域
本发明涉及交通噪声控制和环境保护领域，具体涉及一种用于客运专线铁路的声屏障。
背景技术
噪声的控制问题已越来越受到人们的重视，环境噪声直接关系到人们的生活质量，甚至对人的生理和心理健康有重要影响。
在以普通速度运营的铁路线多采用插板式声屏障，降低运行列车产生的噪声，满足相关技术条件，但在客运专线铁路上，安装在铁路沿线的声屏障会遭受由于高速行驶的列车通过而引起的相当大的脉动风力冲击。由于风动荷载的共振和疲劳效应，会大大降低声屏障的使用寿命。现有的插板式声屏障无法满足客运专线铁路对声屏障的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能减小脉动力对声屏障的影响、减少风动荷载的共振、提高抗疲劳能力，使用寿命长的整体式混凝土声屏障。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种整体式混凝土声屏障，包括至少两个整体式混凝土声屏障单元板，相邻的整体式混凝土声屏障单元板之间柔性连接。
本发明的柔性连接是通过柔性物将整体式混凝土声屏障单元板连接起来，因为柔性物件能吸收部分作用力，防止脉动力、风动荷载等作用力在声屏障上形成叠加，从而将脉动力、风动荷载等作用力断开，不会在声屏障上形成叠加，也使得声屏障的抗疲劳性能增加。
一种柔性连接指相邻的整体式混凝土声屏障单元板的相邻侧面上分别设置有相对应的凹槽，两凹槽内插有一柔性物。所述柔性物为沙袋或橡胶棒。所述橡胶棒为中空的橡胶棒，中空的橡胶棒具有良好的隔声性能。
另一种柔性连接指相邻的整体式混凝土声屏障单元板之间通过柔性物直接连接。所述柔性物为橡胶或胶水，也可以为其他柔性的化学物品。
所述整体式混凝土声屏障单元板，包括混凝土屏障，以及设置在混凝土屏障内壁的吸声板。混凝土屏障内壁是指混凝土屏障靠近铁轨的一侧。
采用预制混凝土来形成屏障作为吸声板的支撑结构，因为混凝土的高强度，与传统的插板式声屏障相比，本发明的声屏障单元具有更高的强度，使其可靠性高，能够解决了高速运行列车产生的脉动力对声屏障产生的疲劳破坏，提高声屏障的使用寿命。
所述吸声板通过螺栓连接在混凝土屏障内壁的凹槽内，所述吸声板与混凝土屏障内壁之间填充粘接剂。栓接连接目的是固定吸声板，防止脱落。采用粘接剂将吸声板与单元板接触面完全粘合，防止高速列车产生的脉动风撕裂接触面，甚至破坏吸声板，使其破损、断裂与掉块、脱落。
所述吸声板的外侧面与混凝土屏障内壁位于同一平面；所述混凝土屏障厚度从底端到顶端逐渐缩小。从而使整体式混凝土声屏障单元板的内壁形成一个直立面。从而在景观方面，实现声屏障与铁路建筑的协调、统一，整体外观流畅、美观。混凝土屏障厚度从底端到顶端逐渐缩小，符合脉动力随竖向高度增高而逐步递减、接近声屏障顶部时降低较快的分布规律。与等厚的混凝土屏障相比，这样可以节约材料。
所述混凝土声屏障的底部通过混凝土现浇连接到基础。与传统的连接方式相比，混凝土现浇更能满足声屏障强度的要求。基础可以是路基，也可以是桥上的基础。
与现有技术相比，本发明采用了多个整体式混凝土声屏障单元板来组成声屏障的方式。由于整体式混凝土声屏障单元板之间处于断开的状态，这样就提高了声屏障的自振频率，能阻碍内力的传递。再者，整体式混凝土声屏障单元板之间柔性连接组成声屏障。所述的柔性连接是指整体式混凝土声屏障单元板之间的连接方式不同于现有技术的连接方式，现有的连接方式使声屏障成为了一个连动的整体，这样就使脉动力对声屏障的影响存在叠加，从而极易破坏声屏障。本发明的柔性连接是通过柔性物将整体式混凝土声屏障单元板连接起来，因为柔性物件能吸收部分作用力，防止脉动力、风动荷载等作用力在声屏障上形成叠加，从而将脉动力、风动荷载等作用力断开，不会在声屏障上形成叠加，也使得声屏障的抗疲劳性能增加。再者，单元板为整体式混凝土声屏障单元板，这样就进一步的提高了声屏障的抗疲劳性，使声屏障提高了抗脉动力、风动荷载的共振的能力以及抗疲劳性，从而使声屏障很难被破坏而具有使用寿命长的特点。
下面结合说明书附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为图1的A-A向剖视图。
图3为图1的B-B向视图。
图4为实施例中脉动力沿声屏障高度分布的示意图。
图5为实施例中脉动力与列车运行速度关系的示意图。
具体实施方式
参照图1，图2，图3，整体式混凝土声屏障，包括至少两个整体式混凝土声屏障单元板，相邻的整体式混凝土声屏障单元板的相邻侧面上分别设置有相对应的凹槽101，102，两凹槽101，102从整体式混凝土声屏障单元板侧面的顶端开到底端，两凹槽101，102内插有一中空的橡胶棒4。其中为橡胶棒可以用沙袋或其他质地柔软的材料代替。整体式混凝土声屏障单元板通过混凝土现浇连接到基础(3)。
相邻的整体式混凝土声屏障单元板之间也可以通过橡胶或胶水等柔性物直接连接。
参照图4，图5，图4中第一曲线21为脉动力负压值沿声屏障高度分布情况，第二曲线22为脉动力正压值沿声屏障高度分布情况，第三曲线23为脉动力压力差幅值沿声屏障高度分布情况。图5中第四曲线11为脉动力压力差幅值随列车运行速度改变的情况，第五曲线12为脉动力正压值随列车运行速度改变的情况，第六曲线13为脉动力负压值随列车运行速度改变的情况。脉动力作用于声屏障上的冲击响应与运行列车产生的频率有关，两者频率接近时易发生共振。发生共振时脉动力将放大数倍，破坏声屏障的结构。为此，要解决客运专线铁路声屏障结构安全可靠性，必须避开高速运行列车产生的频率。借鉴德国高速铁路的实地测试数据——时速350公里运行列车产生的频率为3.3～4.4Hz。通过结构分析和理论研究确定单元板宽为2.0～4.0m。
下面介绍一个具体的整体式混凝土声屏障单元板的实施方式，对于高3.95m、厚0.2m，仅底边刚接、周边无约束的吸声体密度为841kg/m³的整体式声屏障，计算声屏障单元板的自振频率见表1。
                                     表1

 结构简称  结构描述  自振频率  第一阶  (Hz)  第二阶  (Hz)  第三阶  (Hz) 整体式声屏障 (高3.95m、厚 0.2m，仅底边刚 接、周边无约束)  吸声体的密度  841kg/m³  单元板宽2.0  7.61  24.30  38.32  单元板宽3.0  6.35  22.85  27.95  单元板宽4.0  4.99  15.38  20.28
从表中可知单元板2.0m宽时自振频率离时速350公里运行列车产生的频率3.3～4.4Hz较远，不会引起声屏障共振。
本实施例中，依据脉动力的大小、分布规律，采用宽2.0m、高3.95m的整体式混凝土单元板。
声屏障采用钢筋混凝土单元板，混凝土为C40标号的钢筋混凝土，为节约钢筋混凝土用量和单元板受力情况将单元板截面为变截面，其内侧为直立面、外侧为变截面，并设置阳线线条。
根据《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》的规定，本实施例中，整体式混凝土声屏障单元板采用HRB335钢筋，“主力”作用下HRB335钢筋的容许应力为[σ_钢筋]＝175MPa、混凝土[σ_h]＝13.5MPa；“主+附”作用下HRB335钢筋的容许应力为[σ_钢筋]＝230MPa、混凝土[σ_h]＝21.84MPa；裂缝容许值按[w]＝0.20mm控制。经试算，整个声屏障结构的剪力和轴力不起控制作用，由裂缝和疲劳检算控制，该结构可按受弯构件对截面进行开裂和疲劳检算。
声屏障荷载组合按下列四种工况执行，见声屏障荷载组合列表表2：
                    表2  序号  控制荷栽  声屏障荷载组合
  工况1  主力  屏障自重+列车脉动力(正压)  工况2  屏障自重+列车脉动力(负压)  工况3  主+附  屏障自重+列车脉动力(正压)+风荷载(20m/s)  工况4  屏障自重+列车脉动力(负压)+风荷载(20m/s
下面对整体式混凝土声屏障单元板的具体部位作相应分析：
(一)连接处3的检算
截面尺寸为300mm×2000mm，表示该处混凝土屏障1的厚度为300mm，宽度为2000mm，对应混凝土屏障内的钢筋为10根φ16mm的钢筋。
工况1：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力Q＝6.48kN/m计算弯矩W＝18.84kN*m/m；
工况2：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝-6.48kN/m计算弯矩W＝-9.53kN*m/m；
工况3：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝8.17kN/m，计算弯矩w＝22.53kN*m/m；
工况4：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝-8.17kN/m，计算弯矩W＝-13.28kN*m/m；
                           表3  序号  竖向力N(kN/m)  横向力F(kN/m)  弯矩W(kN*m/m)  工况1  18.56  6.48  18.84  工况2  18.56  -6.48  -9.53  工况3  18.56  8.17  22.53  工况4  18.56  -8.17  -13.28
工况1～工况4，按受弯构件计算，最大计算弯矩W＝22.53kN*m/m
经计算，钢筋最大应力σ＝83.04Mpa，混凝土最大压应力为σh＝3.71Mpa，裂缝宽度ω＝0.10mm。满足要求。
疲劳计算：
根据铁道部科学研究院的研究成果，影响声屏障结构疲劳破坏的控制因素是混凝土疲劳抗拉强度，混凝土抗拉疲劳强度采用铁科院的成果，即：
f r max / f r t = 1.32 ( 1 - 1 g N cr / 11.2 ) ]]>
f_r^max-重复荷载及有效预应力作用下混凝土截面边缘最大拉应力；
f_r^t-混凝土静力弯曲抗拉强度；
N_cr-荷载重复次数；
由上式可得， N cr = 10 ( 11.2 - 8.48 f r max / f r ) ]]>
工况1、工况2、工况3、工况4疲劳计算时重复荷载最大弯矩W＝11.40kN*m/m，列车每天运行210对，使用年限60年考虑，满足要求。
(二)混凝土1底端d的检算
截面为尺寸：430mm×2000mm，表示该处混凝土屏障1的厚度为430mm，宽度为2000mm，对应混凝土屏障内的钢筋为10根φ12mm的钢筋。
工况1：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝6.48kN/m，计算弯矩W＝18.36kN*m/m；
工况2：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝-6.48kN，计算弯矩W＝-7.22kN*m/m：
工况3：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝8.17kN/m，计算弯矩W＝21.70kN*m/m；
工况4：计算竖向力N＝18.56kN/m，横向力F＝-8.17kN/m，计算弯矩W＝-10.56kN*m/m；
                             表4  序号 竖向力N(kN/m)  横向力F(kN/m)  弯矩W(kN*m/m)  工况1 18.56  6.48  18.36  工况2 18.56  -6.48  -7.22  工况3 18.56  8.17  21.70  工况4 18.56  -8.17  -10.56
工况1～工况4，按受弯构件计算，最大计算弯矩W＝21.70kN*m/m
经计算，钢筋最大应力σ＝86.71Mpa，混凝土最大压应力为σh＝2.78Mpa，裂缝宽度ω＝0.11mm。满足要求。
疲劳计算：
工况1、工况2、工况3、工况4疲劳计算时重复荷载最大弯矩W＝18.36kN*m/m，列车每天运行210对，使用年限60年考虑，满足要求。
(三)第三检算截面a的检算
第三检算截面a在混凝土屏障上高于基础底端约645mm处，截面尺寸为210mm×2000mm，表示该处混凝土屏障1的厚度为210mm，宽度为2000mm，对应混凝土屏障内的钢筋为10根φ12mm的钢筋。
工况1：计算竖向力N＝13.60kNkN/m，横向力F＝6.48kN，计算弯矩W＝11.41kN*m/m；
工况2：计算竖向力N＝13.60kN/m，横向力F＝-6.48kN，计算弯矩W＝-11.41kN*m/m；
工况3：计算竖向力N＝13.60kN/m，横向力F＝8.17kN/m，计算弯矩W＝14.38kN*m/m；
工况4：计算竖向力N＝13.60kN/m，横向力F＝-8.17kN/m，计算弯矩W＝-14.38kN*m/m；
                          表5  序号  竖向力N(kN/m)  横向力F(kN/m)  弯矩W(kN*m/m)  工况1  13.60  6.48  11.41  工况2  13.60  -6.48  -11.41  工况3  13.60  8.17  14.38  工况4  13.60  -8.17  -14.38
工况1～工况4，按受弯构件计算，最大计算弯矩W＝14.38kN*m/m。
经计算，钢筋最大应力σ＝134.44Mpa，混凝土最大压应力为σh＝7.07Mpa，裂缝宽度ω＝0.19mm。满足要求！
疲劳计算：
工况1、工况2、工况3、工况4疲劳计算时重复荷载最大弯矩W＝11.41kN*m/m，列车每天运行210对，使用年限60年考虑，满足要求。
(四)第四检算截面b的检算
第四检算截面b在混凝土屏障上高于基础底端约1265mm处，此处对应安装在混凝土屏障凹槽内的吸声板的下端，截面尺寸为165mm×2000mm，表示该处混凝土屏障1的厚度为165mm，宽度为2000mm，对应混凝土屏障内的钢筋为10根φ12mm的钢筋。
工况1：计算竖向力N＝7.20kNkN/m，横向力F＝4.91kN，计算弯矩W＝6.56kN*m/m；
工况2：计算竖向力N＝7.20kN/m，横向力F＝-4.91N，计算弯矩W＝-6.56kN*m/m；
工况3：计算竖向力N＝7.20kN/m，横向力F＝6.19kN/m，计算弯矩W＝8.27kN*m/m；
工况4：计算竖向力N＝7.20kN/m，横向力F＝-6.19kN/m，计算弯矩W＝-8.27kN*m/m；
                         表6  序号  竖向力N(kN/m)  横向力F(kN/m)  弯矩W(kN*m/m)  工况1  7.20  4.91  6.56  工况2  7.20  -4.91  -6.56  工况3  7.20  6.19  8.27  工况4  7.20  -6.19  -8.27
工况1～工况4，按受弯构件计算，最大计算弯矩W＝8.27kN*m/m。
经计算，钢筋最大应力σ＝60.85Mpa，混凝土最大压应力为σh＝3.14Mpa，裂缝宽度ω＝0.08mm。满足要求！
疲劳计算：
工况1、工况2、工况3、工况4疲劳计算时重复荷载最大弯矩W＝6.56kN*m/m，列车每天运行210对，使用年限60年考虑，满足要求。
(五)第五检算截面c
第五检算截面c在混凝土屏障上高于基础底端约2915mm处，此处对应安装在混凝土屏障凹槽内的吸声板的上端，截面尺寸为102mm×2000mm，表示该处混凝土屏障1的厚度为102mm，宽度为2000mm，对应混凝土屏障内的钢筋为10根φ12mm的钢筋。
工况1：计算竖向力N＝1.70kNkN/m，横向力F＝2.30kN，计算弯矩W＝1.44kN*m/m；
工况2：计算竖向力N＝1.70kN/m，横向力F＝-2.30N，计算弯矩W＝-1.44kN*m/m；
工况3：计算竖向力N＝1.70kN/m，横向力F＝2.90kN/m，计算弯矩W＝1.81kN*m/m；
工况4：计算竖向力N＝1.70kN/m，横向力F＝-2.90kN/m，计算弯矩W＝-1.81kN*m/m；
                           表7  序号  竖向力N(kN/m)  横向力F(kN/m)  弯矩W(kN*m/m)  工况1  1.70  2.30  1.44  工况2  1.70  -2.30  -1.44  工况3  1.70  2.90  1.81  工况4  1.70  -2.90  -1.81
工况1～工况4，按受弯构件计算，最大计算弯矩W＝1.81kN*m/m
经计算，钢筋最大应力σ＝32.60Mpa，混凝土最大压应力为σh＝2.67Mpa，裂缝宽度ω＝0.05mm。满足要求！
疲劳计算：
工况1、工况2、工况3、工况4疲劳计算时重复荷载最大弯矩W＝1.44kN*m/m，列车每天运行210对，使用年限60年考虑，满足要求。
从上面的相关分析我们可以看出，本实施例的整体式混凝土声屏障单元板完全能满足客运专线铁路对声屏障的要求。
本实施例中，整体式混凝土声屏障单元板的厚度随高度的增加而递减，这是因为声屏障的上端受到的脉动力随声屏障的高度增加而减小，所以声屏障顶端的厚度就不需要和声屏障的底端厚度一样。这样也能节约大量的材料。当然，整体式混凝土声屏障单元板的厚度可以做成一个等厚的整体式混凝土声屏障单元板，只需将顶端的厚度做成跟底端厚度一样。
对于本领域的技术人员来说，只要最终的整体式混凝土声屏障单元板的强度能克服脉动力和风荷载的影响，完全可以采用不同于本实施例中的钢筋和混凝土来浇治整体式混凝土声屏障单元板，由于钢筋的种类和混凝土的标号选择不同，整体式混凝土声屏障单元板的厚度可能会改变，但这种替换对本领域的技术人员来说是显而易见的。