CN105755974A - 阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，属于环境保护领域中的振动和噪声治理领域。该金属声屏障主要包括格栅型面板、阻尼结构层、吸声材料层、背板和支撑框架组成的声屏障单元板，从正面到背面依次为格栅型面板、阻尼结构层、吸声材料层和背板，插装在支撑框架的槽位内。本发明的设计方法使声屏障结构承受的冲击负荷减载且平缓，极大地提高结构抗疲劳寿命，特别适应高速铁路的运行特性，完全改变了现行高铁声屏障系统利用提高结构刚度来抵抗脉动荷载的被动处理方式；本发明采用的阻尼材料本身就是优良的吸声降噪材料，配合超大开孔率的格栅型面板和高吸声系数的吸声材料，提升了声屏障的插入损耗，降噪能力更强。

Description

阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障
技术领域
本发明涉及一种阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，属于环境保护领域中的振动和噪声治理领域。
背景技术
自京津高速城际线开始，中国高速客运专线进入了快速建设期，为解决高铁运行产生的噪声污染，大量应用了声屏障系统，尤其在京沪高铁上一次性建设量巨大。
高铁声屏障有其特殊的结构要求：高速列车运行速度高，列车通过时，由于车体与声屏障之间的空间距离小，其间的空气被急剧压缩而没有充足的压力释放时间，构成了局部的高压气流，施加在声屏障上，即脉动压力，声屏障需要足够的结构刚度来抵抗脉动荷载。
我国目前的高铁声屏障引进了德国的技术体系，由于该技术当时在德国并没有实际应用，引进后又没有对各子系统的技术细节进行全面的分析理解，在实际的工程应用中引发了诸多问题，有些直接影响到铁路的安全运行；但其设计机理是明确的，即提高结构刚度，适应高荷载和单元板的固有频率，避免共振的发生。
发明内容
随着高铁的实际运行数据采集，发明人对脉动力的特性有了更全面的了解；目前高速铁路的声屏障设计方法并不科学，系统安全性无法保障，通过提高设计冗余量来提高安全性既不科学也不经济；同时，现行高铁声屏障的降噪性能也待进一步优化提升。为此，本发明提供了一种全新的设计方法。
从德国引进的技术实际上采用提高结构刚度的方法解决抗荷载能力、降低材料内部应力及应力幅进而提高抗疲劳寿命，没有从本质上对脉动荷载进行削减；本发明提出另一种有效削弱脉动荷载传递的设计方法，降低了脉动力传递到声屏障壳体和钢立柱的荷载。
本发明的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其原理特征是利用阻尼材料耗散能量，结构特征是采用超大开孔率的格栅型面板、铝合金型材和背板构成插板式声屏障单元板。
一种阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，主要包括格栅型面板、阻尼结构层、吸声材料层、背板和支撑框架等组成的声屏障单元板，从正面到背面依次为格栅型面板、阻尼结构层、吸声材料层和背板，插装在支撑框架的槽位内。
所述的格栅型面板为超大开孔率的格栅型面板，开孔率为85％～95％(常规开孔率为20％～30％)，所述格栅型面板的材料是但不限于金属焊接型格栅网、金属或非金属冲孔网等。
本发明采用阻尼材料作为能量耗散部件，所述的阻尼结构层使用但不限于耐候性优良的三元乙丙发泡橡胶和三聚氰胺发泡板层叠粘接复合构成，其中三元乙丙发泡橡胶为耐候性面层，三聚氰胺发泡板为阻尼功能材料。
所述的吸声材料层使用但不限于岩棉作为吸声材料，还可采用玻璃棉、高分子发泡材料或其他吸声材料。
所述的背板采用金属或非金属板材，例如铝合金板材、水泥板等，作为结构背板。
所述的支撑框架主要由主梁、龙骨和封头组成，上、下主梁型材和两侧的龙骨(含中部和端头)型材组成封闭式结构，在端部四角安装封头型材，并插入密闭胶管。
上述支撑框架配套材料为密闭胶管和板间胶管和解耦器。
密闭胶管用于系统安装中实现单元板主体与钢立柱之间的弹性支撑；
板间胶管用于单元板叠层使用时相互间的弹性隔离；
解耦器也是橡胶制品，用于系统安装中隔离振动向单元板的传递，插入下主梁预制的承插槽中；
以上部件均采用承插头设计，可插入对应部位的承插槽中。
所述的主梁、龙骨和封头使用但不限于铝合金型材、钢材，作为受力主结构。使用时，先将一根主梁型材和龙骨(含中部和端头)型材组合成一开口型框架；依次按面板+阻尼垫+吸声棉+背板顺序，将零部件插入框架槽位的对应位置；然后将另一根主梁安装到框架开口侧，构成封闭式结构。
一种阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障组合装置，由两个以上的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障单元板组成，处于中间和底部的单元板的上部插入板间胶管，处于底部的单元板的下部插入解耦器组件；单元板采用堆叠的方法组合，上下板之间利用板间胶管隔离，防止相互擦碰和振动的传递。
列车车头通过时，脉动荷载峰值施加到处于浮动状态的面板上，面板后面的阻尼垫将出现弹性变形，缓冲了脉动能量；车头通过后，在阻尼垫的弹性作用下，面板复位；峰值能量由阻尼垫吸收，传递给吸声棉、壳体和钢立柱的能量极大削弱。
车尾通过时，将出现负向脉动荷载，由于板体内部处于正压状态，吸声棉将首先出现向面板方向的串动，通过压缩阻尼垫层实现能量的消减，因而，壳体承受的负向荷载降低；车辆通过后，吸声棉弹性回复。
上面描述中的变形和串动只是一种内在趋势，并不会产生视觉上的形变。
图1-1和图1-2可以表征阻尼产生的功效和能量传递对比；附图仅示意，图中数据不代表具体的运行参数，在不同运行速度下会有差异。
本发明为提高声屏障的吸声效能，使用超大开孔率的格栅型面板，这样噪声能量将直接投射到吸声功能层，提高吸声系数和降噪系数；同时，为避免面板承载的能量直接传递到主结构型材梁体，设计让其处于悬浮状态，这样荷载将被传递到阻尼结构层，形成荷载能量→面板→阻尼结构层→吸声材料→背板→结构梁→钢立柱→基础结构的传递过程；负压状态下：荷载能量→背板→吸声材料→阻尼结构层→面板→结构梁→钢立柱→基础结构。
上面描述中的吸声功能层为：阻尼结构层+吸声材料。
如上所述，本发明利用阻尼材料实现能量在传递过程中的有效衰减，降低了对结构的要求，进而提高了系统的安全性和寿命；充分提高有效吸声面积，从而提高了降噪效能。
本发明的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，利用阻尼材料的能量耗散特性，释放和削弱高速列车通过时由于空气被急剧压缩而产生的脉动荷载；阻尼材料一方面在形变过程中吸收消耗脉动机械能，同时材料形变过程为脉动气压的释放提供了更长的时间，从而传递到声屏障主结构的能量快速降低；这种设计方法使声屏障结构承受的冲击负荷减载且平缓，极大地提高结构抗疲劳寿命，特别适应高速铁路的运行特性，完全改变了现行高铁声屏障系统利用提高结构刚度来抵抗脉动荷载的被动处理方式；本发明采用的阻尼材料本身就是优良的吸声降噪材料，配合超大开孔率的格栅型面板和高吸声系数的吸声材料，提升了声屏障的插入损耗，降噪能力更强。
下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。
附图说明
图1-1和图1-2是能量特征波形对比图，图1-1：无阻尼结构；图1-2：有阻尼结构；
图2是本发明主结构视图；
图3是本发明结构剖面图；
图4是本发明板间结构图。
主要附图标记说明：
1格栅面板2阻尼结构层
3吸声材料层4背板
5上主梁6下主梁
7板间胶管8解耦器
具体实施方式
如图2-3所示，本发明的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其单元板主要包括格栅面板1、阻尼结构层2、吸声材料层3和背板4和支撑框架等，从正面到背面依次为格栅面板1、阻尼结构层2、吸声材料层3和背板4，它们均插入、安装在支撑框架的相应槽位。
格栅面板1为超大开孔率的格栅型面板，开孔率为85％-95％，面板的材料是冷拔钢丝焊接型格栅网，也可以为金属或非金属冲孔网等。
阻尼结构层2为耐候性优良的三元乙丙发泡橡胶和三聚氰胺发泡板层叠粘接复合构成，其中三元乙丙发泡橡胶为耐候性面层，三聚氰胺发泡板为阻尼功能材料。
吸声材料层3由岩棉作为吸声材料，也可采用玻璃棉、高分子发泡材料或其他吸声材料，厚度为80-100mm。
背板4采用铝合金板材作为结构背板，1.5mm，也可使用12mm厚及以上压力水泥板。
支撑框架主要由主梁、龙骨、封头组成，上主梁5、下主梁6型材和两侧的龙骨(含中部和端头)型材组成封闭式结构，在端部四角安装封头型材，并插入密闭胶管。主梁、龙骨和封头采用铝合金型材作为受力主结构。
支撑框架的底部还安装解耦器8，将解耦器8插入下主梁预制的承插槽中即可。
按发明设计图制造相关零部件，按下列顺序组装：
1)将一根主梁型材+龙骨(含中部和端头)型材组合成一开口型框架；
2)依次按面板+阻尼垫+吸声棉+背板顺序，将零部件插入框架槽位的对应位置；
3)将另一根主梁安装到框架开口侧，构成封闭式结构；
4)在端部四角安装上封头型材，并插入密闭胶管。
如图4所示，由两个以上的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障单元板组成阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障组合装置。
在声屏障应用组合中：
1)处于底部的单元板，上部插入板间胶管7，下部插入解耦器8组件；
2)处于中部的单元板，上部插入板间胶管7；
3)处于顶部的单元板，不需安装板间胶管7。
单元板采用上下堆叠的方法组合，上下板之间利用板间胶管隔离，防止相互擦碰和振动的传递。
本发明可对脉动荷载峰值进行有效消减，其效果见附图1-1和附图1-2；由于高开孔率提供了更大的有效吸声面积，吸声材料的功能得到最大的发挥，可获得1～2dB(A)的额外插入损耗。

Claims (9)

1.一种阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：主要包括格栅型面板、阻尼结构层、吸声材料层、背板和支撑框架组成的声屏障单元板，从正面到背面依次为格栅型面板、阻尼结构层、吸声材料层和背板，插装在支撑框架的槽位内。
2.根据权利要求1所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的格栅型面板为超大开孔率的格栅型面板，开孔率为85％-95％。
3.根据权利要求2所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的格栅型面板为金属焊接型格栅网、金属或非金属冲孔网。
4.根据权利要求1所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的阻尼结构层由三元乙丙发泡橡胶和三聚氰胺发泡板层叠粘接构成。
5.根据权利要求1所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的吸声材料层采用岩棉、玻璃棉或高分子发泡材料作为吸声材料。
6.根据权利要求1所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的背板为金属或非金属板材。
7.根据权利要求1所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的支撑框架主要由主梁、龙骨、封头组成，上主梁、下主梁型材和的龙骨型材组成封闭式结构，在端部四角安装封头型材；主梁、龙骨和封头采用铝合金型材或钢材作为受力主结构。
8.根据权利要求7述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障，其特征在于：所述的支撑框架的底部还安装解耦器，所述的解耦器插入下主梁预制的承插槽中。
9.一种阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障组合装置，其特征在于：由两个以上权利要求1-8中任一项所述的阻尼式高抗荷高吸声铁路金属声屏障组成，处于中间和底部的单元板的上部插入板间胶管，处于底部的单元板的下部插入解耦器组件；单元板采用上下堆叠的方法组合。
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