可调式自动减载声屏障.pdf

本发明公开一种可调式自动减载声屏障，该减载声屏障包括：上层板、中层板、下层板、基座和立柱。本发明的优点在于：通过理论分析、数值仿真计算可知，上部板和下部板的无缝结构可以正面阻挡吸收主要受电弓和轮轨传来噪声；中部板可以在保证列车风和自然风自由通过的同时，可有效改变声波的传播方向和传播距离，达到降噪的目的；安装方便、经济：该型声屏障为装配式结构，可流水施工，提高工作效率，缩短施工时间，节省大量人力成本；节省成本；结构耐用：产品消除了风荷载对声屏障的不利影响，减少了列车风和自然风荷载对声屏障结构的疲劳破坏，从而达到了延长屏障结构维修周期和使用寿命的目的，大大节省了使用成本。

1.  一种可调式自动减载声屏障，其特征在于：该减载声屏障包括：上层板（1）、中层板（2）、下层板（3）、基座（4）和立柱（5）；基座（4）为混凝土结构，固定于高速铁路桥梁最外侧桥面上，两根立柱5通过地脚螺栓固定在基座4上，上层板（1）、中层板（2）和下层板（3）分别从上至下地固定在两根立柱（5）之间，上层板（1）和下层板（3）由内、外两层组成，外层（6）为吸声材料，内层（7）为声屏障塑钢内骨架，上层板（1）、下层板（3）的固定利用带螺栓孔角钢和螺栓将板内骨架（7）和立柱（5）连接；中层板（2）包括多块长条隔声板（9）从上至下错落相间排列而成，隔声板（9）由螺栓固定在两立柱（5）之间，隔声板与隔声板之间留有气流通道（8）。

2.  根据权利要求1所述可调式自动减载声屏障，其特征在于：长条隔声板（9）截面为梯形，包括由长条铝板制作而成的侧卧梯形状隔声板骨架（10），隔声板骨架（10）上、下表面和水平线之间分别呈夹角θ，隔声板骨架（10）右侧面为铅垂面，隔声板骨架（10）左侧面为开口弧形面，开口位置位于弧形面中间，并利用铰（12）在开口处连接，隔声板（9）空腔内部沿声屏障宽度方向每隔20-40cm均匀布置钢弹簧（13），钢弹簧（13）的两端连接在隔声板骨架10的两梯形腰部，隔声板骨架（10）外粘贴有的网状的吸声材料层（11）。

3.  根据权利要求1所述可调式自动减载声屏障，其特征在于：θ调节范围为0-30⁰。

4.  根据权利要求1所述可调式自动减载声屏障，其特征在于：隔声板（9）空腔内部沿声屏障宽度方向每隔20-40cm均匀布置钢弹簧（13），钢弹簧（13）的两端连接在隔声板骨架（10）的两梯形腰。

5.  根据权利要求1所述可调式自动减载声屏障，其特征在于：中层板（2）中长条隔声板（9）通过等边角钢与立柱（5）连接。

可调式自动减载声屏障
技术领域
本发明涉及一种铁道工程技术领域，尤其是一种可调式自动减载声屏障。
背景技术
桥梁是构建铁路的重要基础设施之一，也是铁路建设的关键技术。从节约土地资源和环境保护出发，并根据技术的需要，时速200km以上的高速铁路（包括客运专线、城际铁路）线路中，桥梁所占比例要比普通线路高得多。国外高速铁路桥梁比例最高的是日本，其上越新干线和东北新干线桥梁累计长度占全线总长的比例分别为61.5%和58.1%。中国京津城际高速铁路桥梁比例高达87.7%，京沪高速铁路桥梁比例80.5%，哈大客运专线为73.4%，而广珠城际铁路则达到了94.2%。随着高架桥在城际铁路和高速铁路中的广泛应用，其运营期对铁路两侧辐射噪声也产生了严重的环境污染。在我国首次200km/h以上高速铁路论证会上，专家提出与高速铁路行车速度有关的环境问题主要有大气污染与噪声污染，并认为噪声干扰对社会影响最大，严重影响了铁路两侧居民的正常工作和学习生活。如何有效减少和控制环境噪声对周边居民带来的危害，成为亟具解决的课题。目前，声屏障是一种有效解决铁路环境噪声污染的方法之一，它们被广泛应用于铁路沿线环境噪声治理工程中。
过去的几十年里，声屏障的设计主要考虑了如何提高其吸声降噪的性能，大量的试验方法和数值仿真应用于声屏障的隔声吸声效果的研究，由此诞生了多种多样的声屏障。声屏障存在不同的分类方法，如按照声屏障的使用材料可以分为混凝土类、金属类、透明材料类等；按照声学特性可以划分为吸声型和反射型两大类；按照结构形式可以分为砲体式声屏障、整体型声屏障和插板式声屏障三种；按照外观形态可以分为直立式、L型、Y型、封闭型、倾斜型以及带有顶部装置的声屏障等。然而，当高速行驶的动车组通过高架桥设置了声屏障的路段时候，车辆与声屏障间的空气扰动将会加剧，形成强烈的列车风，这使得声屏障表面的空气压力发生突变，形成瞬态压力冲击，在很短时间内相继出现正负压力峰值，产生对声屏障结构的脉动压力波，导致高速铁路中采用螺栓连接的声屏障在运营后不久就相继出现松动和混凝土局部开裂等现象发生。高速铁路高架桥路段最高行车速度可达300km/h以上，且其与声屏障间的距离也较近，因此，高速通过的动车组对声屏障产生的风荷载作用影响巨大。现场测试数据表明，当列车速度为200km/h时，在轨面上方0.814m，距列车水平距离1.75米处的列车风风速可达到17m/s，相当于7级风。另外，高达20米左右的高架桥上自然风对声屏障的强度考验和疲劳影响也不容忽视。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调式自动减载声屏障，该装置能保障其在高速铁路高架桥路段的布设既能有效降低环境噪声污染，又能使列车风和自然风顺利通过声屏障，特别是遇到最恶劣大风条件下，能最大限度保障声屏障的使用安全，增加声屏障的使用年限。
本发明的技术方案为：一种可调式自动减载声屏障，该减载声屏障包括：上层板、中层板、下层板、基座和立柱。基座为混凝土结构，固定于高速铁路桥梁最外侧桥面上，两根立柱通过地脚螺栓固定在基座上，上层板、中层板和下层板分别从上至下地固定在两根立柱之间，上层板和下层板由内、外两层组成，外层为吸声材料，内层为声屏障塑钢内骨架，上层板、下层板的固定可利用带螺栓孔角钢和螺栓将内层和立柱连接；中层板包括多块长条隔声板从上至下错落相间排列而成，隔声板由螺栓固定在两立柱之间，隔声板与隔声板之间留有气流通道，中层板中长条隔声板通过等边角钢与立柱连接。
长条隔声板截面为梯形，包括由长条铝板制作而成的侧卧梯形状隔声板骨架，隔声板骨架上、下表面和水平线之间分别呈夹角θ，θ调节范围为0-30⁰。
隔声板骨架右侧面为铅垂面，隔声板骨架左侧面为开口弧形面，开口位置位于弧形面中间，并利用铰在开口处连接，隔声板空腔内部沿声屏障宽度方向每隔20-40cm均匀布置钢弹簧，钢弹簧的两端连接在隔声板骨架的两梯形腰部，隔声板骨架外粘贴有的网状的吸声材料层。
隔声板空腔内部沿声屏障宽度方向每隔20-40cm均匀布置钢弹簧，钢弹簧的两端连接在隔声板骨架的两梯形腰。
通过声学列阵测量方法进行声源识别，可确定主要高速列车声源位置和每个声源对综合噪声的贡献大小。大量的现场测试表明高速列车的两个主要噪声源分别为下部轮轨接触部位和上部受电弓部位，其它较低声源分布在高速列车车门周边、散热百叶窗等部位。根据高速列车声源特点，本发明对传统声屏障结构进行了改造和优化。
为了有效降低声屏障上的列车脉动风压和自然风风压对声屏障结构的影响，本发明根据高速列车声源主要集中在受电弓和轮轨两部的特点，利用声波遇到障碍物会产生反射、散射和透射现象的原理，将声屏障面板结构分成上中下三部分，由上下两部分最大限度地吸收和隔阻由受电弓和轮轨正面辐射而来的主噪声源声波，而中间面板部分在保证列车风和自然风能够顺利通过的同时，通过结构的合理布置调整改变声波传递方向和路径，减弱向外辐射的声波能量，达到减载并降噪的目的。而且该型声屏障在受到极端大风等恶劣天气下，中层隔声板上下表面将被压缩成矩形结构，加快风的通过速度，保证声屏障结构安全。通过理论和数值分析可知，该型声屏障通过对结构调整和优化，不仅可保证声屏障良好的降噪效果，且可有效消除风载对声屏障安全的不利影响，达到既降噪又保安全的目的。
本发明的优点在于：通过理论分析、数值仿真计算可知，上部板和下部板的无缝结构可以正面阻挡吸收主要受电弓和轮轨传来噪声；中部板可以在保证列车风和自然风自由通过的同时，可有效改变声波的传播方向和传播距离，达到降噪的目的；采用该型声屏障，降噪效果和传统声屏障降噪效果基本相同。另外，通过隔声板在风压条件下的θ角和面板2高度的调整，可有效减少风压承载面积，降低作用在声屏障的风荷载。根据理论分析可知，该型声屏障可降低风载20-40%左右；安装方便、经济：该型声屏障为装配式结构，可流水施工，提高工作效率，缩短施工时间，节省大量人力成本；节省成本；根据测算，尖劈式减载声屏障成本可比传统直立型声屏障减少20%左右；结构耐用：产品消除了风荷载对声屏障的不利影响，减少了列车风和自然风荷载对声屏障结构的疲劳破坏，从而达到了延长屏障结构维修周期和使用寿命的目的，大大节省了使用成本。
附图说明
图1为本发明可调式自动减载声屏障结构示意图；
图2为本发明可调式自动减载声屏障A-A剖视图；
图3为本发明可调式自动减载声屏障的上层板、下层板结构示意图
图4为本发明可调式自动减载声屏障的中层板结构示意图；
图5为本发明可调式自动减载声屏障隔声板立体图；
图6为本发明可调式自动减载声屏障隔声板断面图；
图7为本发明可调式自动减载声屏障隔声板风压作用效果图；
图8为本发明可调式自动减载声屏障中层板降噪原理图；
图9为本发明可调式自动减载声屏障立柱与隔声板连接示意图。
具体实施方式
一种可调式自动减载声屏障，该减载声屏障包括：上层板1、中层板2、下层板3、基座4和立柱5。基座4为混凝土结构，固定于高速铁路桥梁最外侧桥面上，两根立柱5通过地脚螺栓固定在基座4上，上层板1、中层板2和下层板3分别从上至下地固定在两根立柱5之间，上层板1和下层板3由内、外两层组成，外层6为吸声材料，内层7为声屏障塑钢内骨架，上层板1、下层板3的固定可利用带螺栓孔角钢和螺栓将内层7和立柱5连接；中层板2包括多块长条隔声板9从上至下错落相间排列而成，隔声板9由螺栓固定在两立柱5之间，隔声板9空腔内部沿声屏障宽度方向每隔20-40cm均匀布置钢弹簧13，钢弹簧13的两端连接在隔声板骨架10的两梯形腰。隔声板与隔声板之间留有气流通道8，中层板2中长条隔声板9通过等边角钢与立柱5连接，连接面为图示两阴影面，详细见图9所示，连接后必须保证隔声板9其余三个平面能够自由移动。
长条隔声板9截面为梯形，包括由长条铝板制作而成的侧卧梯形状隔声板骨架10，隔声板骨架10上、下表面和水平线之间分别呈夹角θ，θ调节范围为0-30⁰。隔声板骨架10右侧面为铅垂面，隔声板骨架10左侧面为开口弧形面，开口位置位于弧形面中间，并利用铰12在开口处连接，隔声板9空腔内部沿声屏障宽度方向每隔20-40cm均匀布置钢弹簧13，钢弹簧13的两端连接在隔声板骨架10的两梯形腰部，隔声板骨架10外粘贴有的网状的吸声材料层11。
本发明根据高铁高架桥路段噪声和风压特点，重新地从结构上布置了主噪声阻挡区和和风压降压区。声屏障上部和下部结构可最大限度地隔阻主要声源受电弓和轮轨部位向外辐射的噪声，中部结构可在实现通风减压的同时，做到在正常使用情况下任一方向的噪声不能直线穿透中部结构。另外，为了保障极端气象和高速列车通过条件下的声屏障结构安全，该型声屏障在中部隔声板内部还做了特别设计，在隔声板开口处进行铰接，另外在隔声板内部设置了弹簧连接上表面和下表面。通过调节弹簧的弹簧力，可保证当自然风风速在六级风以下或者列车运行时速低于200km/h时，空腔内均匀分布的弹簧将不能被压缩，但当风速或者车速继续增加时，隔声板9上、下表面在风压的作用下，将压缩弹簧，同时骨架铰12连接处将向外侧滑移，增大隔声板与隔声板的气流通道8，加快风的通过，降低声屏障立柱5底部的弯矩，另外，当自然风风速或者列车风风速降低以后，隔声板9上下表面在弹簧的作用下将恢复原状。
为了验证该型声屏障的隔音和减压效果，利用理论分析、空气动力学软件Fluent和声学软件Virtual.Lab Acoustics软件，建立空气动力学动力学模型和声学模型，分析该型声屏障在不同风速条件下、不同速度列车通过条件下的隔音和减压效果，并和等尺寸的传统直立型声屏障的数据进行了对比，结果如下表所示：
表1  减压效果对比

表2  降噪效果对比

注：测点布置在声屏障3米外距轨面高1米处
通过计算分析可知，该型声屏障可以大幅度地降低声屏障表面压力，特别是在碰到十级风以上等极端天气下，可减压40%左右。另外，该型声屏障的降噪能力相较于传统声屏障差0.2-0.7dBA左右，考虑到环境噪声的影响，该差距可忽略不计。