CN105803964B - 双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障，该双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障包括声屏障板、立柱和混凝土底座；声屏障板固定在两根立柱之间的卡槽内，立柱通过底部预留的钢筋固定在混凝土底座上，声屏障板包括两块双曲面板、变异蜂巢隔声体和多级阻尼可控螺栓，声屏障板由两块双曲面板通过端部焊接而成，双曲面板内均匀分布有正六边形孔洞。本发明的优点在于：双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障的隔声效果好。双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障双向减载，效果好；双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障重量轻，强度高。双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障是一种组合结果，安装拆卸方便。

Description

双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障
技术领域
本发明涉及轨道交通工程技术领域，尤其是一种双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障。
背景技术
高速铁路、城际铁路及城市轨道交通带来的环境噪声问题是制约轨道交通快速、健康发展的关键问题之一。
为解决铁路噪声的污染，声屏障应运而生。声屏障的降噪原理是在声源和受声者之间插入声屏障，声波传至声屏障时，会发生反射、透射和绕射三种现象，声波的传播会有一个显著的附加衰减，从而达到降噪的目的。经过几十年的发展声屏障的种类繁多，根据所用的材料和结构形式分成多种类型的声屏障，然而声屏障的使用寿命短的问题一直未得到很好解决。究其原因，主要是列车在通过声屏障区域时，会在线路两侧声屏障范围内产生强大的风场，使得声屏障承受巨大的列车风荷载。另外，随着现在列车速度的提高，铁路桥梁占比越来越大，声屏障所处高度也越来越高，从而导致铁路桥梁上的声屏障承受的自然风载也越来越大，且方向反复无常。日积月累，声屏障在长期的列车风和自然风荷载作用下，极易产生疲劳破坏，严重时可导致列车安全事故。
发明内容
本发明的目的在于为延长高架桥声屏障的使用寿命，确保其安全性。本发明以减小高架桥梁声屏障所承受的风荷载为出发点，提供了一种阻尼式减载声屏障。该声屏障可在保障降噪效果不减的前提下，减小风荷载对声屏障的影响，有效提高声屏障的使用寿命，可以说是既安全又环保。
本发明的技术方案为：一种双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障，该双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障包括声屏障板、立柱和混凝土底座；声屏障板固定在两根立柱之间的卡槽内，立柱通过底部预留的钢筋固定在混凝土底座上，声屏障板包括两块双曲面板、变异蜂巢隔声体和多级阻尼可控螺栓，声屏障板由两块双曲面板通过端部焊接而成，双曲面板内均匀分布有正六边形孔洞，孔洞与孔洞之间留有15-20mm距离，供变异蜂巢隔声体固定使用，双曲面板四周预留焊接固定区域；变异蜂巢隔声体为六边体结构，六角预留螺栓孔洞，变异蜂巢隔声体形状类似沙漏，由两块六边双面锯齿型钢板在两侧通过螺丝夹住内侧隔声板而成，六边双面锯齿型钢板中间为双面锯齿形刚体，双曲面锯齿形刚体两侧表面敷设吸声材料，双面锯齿形刚体的锯齿采用波长为15mm-20mm的正弦波波形。
多级阻尼可控螺栓包括螺栓、螺帽、可调阻尼弹簧I和可调阻尼弹簧II。可调阻尼弹簧I和可调阻尼弹簧II的长度及阻尼系数等参数根据当地历史最大风速、列车的运行速度、列车运行的空气动力学特性和屏障厚度等确定。可调阻尼弹簧I和可调阻尼弹簧II的弹性系数可以采用下面公式进行计算：k＝G*D/(8*A*(B+C))其中：G为横弹性系数，D为弹簧头部钢丝直径，A为弹簧的卷数，B为弹簧的内径，C为弹簧尾部钢丝的直径。
为了保证屏障的声学性能，可调阻尼弹簧I和可调阻尼弹簧II的直径需采用一个渐变直径，阻尼弹簧尾部钢丝直径为C＝D+f×0.1，其中D为弹簧头部钢丝直径，f为渐变系数，可根据弹性系数k确定，一般取2或者3。
变异蜂巢隔声体可分为内侧安装和外侧安装两种安装方法，内侧安装法为：变异蜂巢隔声体的两块六边双面锯齿型钢板卡住靠近轨道侧的曲面板安装，外侧安装法则相反，变异蜂巢隔声体的两块六边双面锯齿型钢板卡住远离轨道侧的曲面板安装。当变异蜂巢隔声体采用内侧安装时，高空中的自然风在达到一定强度后，将在推动整个变异蜂巢隔声体向线路内侧移动的同时，使本变异蜂巢隔声体四周形成一个通道，让风顺利通过声屏障，达到减载的目的，列车引起的列车风由轨道向外侧将不能推动变异蜂巢隔声体，当自然风压减小后，在阻尼弹簧的作用下，变异蜂巢隔声体将恢复到原来位置；当变异蜂巢隔声体采用外侧安装时，高空中的列车风在达到一定强度后，将推动整个变异蜂巢隔声体向线路外侧移动，使变异蜂巢隔声体四周形成一个通道，让列车风顺利通过声屏障，达到卸载的目的，线路外侧的自然风将不能通过变异蜂巢隔声体，列车通过后，列车风消失，变异蜂巢隔声体将恢复原位。
双曲面板6的曲率采用λi为第i阶频率的声波波长。
本发明的优点在于：应该是发明技术方案的直接结果。可以通过对发明结构特征的分析和理论分析相结合或借助实验数据方式予以说明。
本专利的最大优点在于：
(1)双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障的隔声效果好。
为了研究阻尼式减载屏障的隔声效果，结合实际情况，选择面板厚度为0.25mm、0.5mm、0.75mm、1mm四组屏障在ANSYS和LMS软件中进行结构和声学建模，在31.5～1000Hz频率段做三分之一倍频程的谐响应分析，并将屏障两端空气中的算得的声压级相减，可得到下图中的不同面板厚度的屏障隔声量。从图13中可以看出，阻尼式减载屏障的减载效果和噪声频率、板材厚度等参数有关，最大隔声量可达68dB左右，具有良好的降噪效果。
(2)双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障双向减载，效果好；
通过在有限元软件ANSYS中建立传统直立型屏障和阻尼式减载屏障模型，分析不同风速条件下的屏障面板支撑立柱底部承受的最大弯矩，其结果如下表所示。通过分析发现，减载率通过控制阻尼弹簧1和阻尼弹簧2的弹簧系数，可使得减载率最高达60％左右，而且减载具有内外双向减载等突出优点。
表1减压效果对比
(3)双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障重量轻，强度高。
由于该屏障是中空结构，使得其重量大大减轻。根据测试，阻尼式减载屏障的重量大约是传统屏障的1/3左右。在同等厚度条件下，抗弯强度比传统屏障增加20％。
(4)双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障是一种组合结果，安装拆卸方便。
附图说明
图1为阻尼式减载屏障正立面图；
图2为立柱立面图；
图3为声屏障板侧立面图；
图4为双曲面板正立面图；
图5为变异蜂巢隔声体正立面图；
图6为A-A剖面图；
图7六边双面锯齿型钢板放大图；
图8阻尼可控螺栓结构示意图；
图9变异蜂巢隔声体内侧安装图；
图10自然风流向图；
图11变异蜂巢隔声体外侧安装图；
图12列车风流向图；
图13屏障隔声量效果图。
具体实施方式
一种双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障，该减载屏障包括声屏障板1、立柱2和混凝土底座3；声屏障板1固定在两根立柱2之间的卡槽4内，立柱2通过底部预留的钢筋5固定在混凝土底座3上，混凝土底座3通过现浇的方式浇筑在需要支设声屏障的部位，双曲面锯齿型阻尼可控减载屏障如图1所示，其由3部分组成，包括：声屏障板1、立柱2和混凝土底座3。声屏障板1固定在两根立柱2之间的卡槽4内，立柱2通过底部预留的钢筋5固定在混凝土底座3上，混凝土底座3通过现浇的方式浇筑在需要支设声屏障的部位，如高架铁路桥梁或者公路桥梁的两侧。立柱2如图2所示。
声屏障板1由两块双曲面板6、变异蜂巢隔声体7和多级阻尼可控螺栓8组装而成。两块双曲面板6通过端部焊接方法构成声屏障板1骨架，如图3所示。双曲面板6内均匀分布若干正六边形孔洞9，孔洞与孔洞之间留有一定的距离，双曲面板6四周预留焊接固定区域，双曲面板6正面图如图4所示。双曲面板6的曲率采用λi为第i阶频率的声波波长。
变异蜂巢隔声体7正立面图如图5所示，为六边体结构，六角预留螺栓孔洞10。变异蜂巢隔声体A-A剖面图如图6所示，由两块六边双面锯齿型钢板11、隔声板12组装而成，恰似由两个六边形漏斗尖对尖连接而成，形如沙漏。六边双面锯齿型钢板11如图7所示，其由两部分组成，包括双面锯齿形刚体13，吸声材料14。双面锯齿形刚体13的锯齿采用波长为15mm-20mm的正弦波形。
阻尼可控螺栓如图8所示。阻尼可控螺栓由螺栓15、螺帽16、可调阻尼弹簧I 17和可调阻尼弹簧II 18组成。可调阻尼弹簧I 17和可调阻尼弹簧II 18的长度及阻尼系数等参数根据当地历史最大风速、列车的运行速度、列车运行的空气动力学特性和屏障厚度等确定。可调阻尼弹簧I 17和可调阻尼弹簧II 18的弹性系数可以采用下面公式进行计算：k＝G*D/(8*A*(B+C))其中：G为横弹性系数，D为弹簧头部钢丝直径，A为弹簧的卷数，B为弹簧的内径，C为弹簧尾部钢丝的直径。为了保证屏障的声学性能，可调阻尼弹簧I 17和可调阻尼弹簧II 18的直径需采用一个渐变直径，为C＝D+f×0.1，其中D为弹簧头部钢丝直径，f为渐变系数，可根据弹性系数k确定，一般取2或者3。
变异蜂巢隔声体7可分为内侧安装和外侧安装两种安装方法，内侧安装法为：变异蜂巢隔声体7的两块六边双面锯齿型钢板11卡住靠近轨道侧的曲面板6安装，如图9。外侧安装法则相反，变异蜂巢隔声体7的两块六边双面锯齿型钢板11卡住远离轨道侧的曲面板6安装，如图11所示。当变异蜂巢隔声体7采用内侧安装时，高空中的自然风在达到一定强度后，将在推动整个变异蜂巢隔声体向线路内侧移动的同时，使变异蜂巢隔声体四周形成一个通道，让风顺利通过声屏障，达到减载的目的，内侧安装时的自然风流向图如图10所示。而在此时，列车引起的列车风由轨道向外侧将不能推动变异蜂巢隔声体。当自然风压减小后，在阻尼弹簧的作用下，变异蜂巢隔声体将恢复到原来位置。反之，当变异蜂巢隔声体采用外侧安装时，高空中的列车风在达到一定强度后，将推动整个变异蜂巢隔声体向线路外侧移动，使变异蜂巢隔声体四周形成一个通道，让列车风顺利通过声屏障，达到卸载的目的，外侧安装时的自然风流向图如图12所示。同时，线路外侧的自然风将不能通过变异蜂巢隔声体。列车通过后，列车风消失，变异蜂巢隔声体将恢复原位。
变异蜂巢隔声体7的安装方法可采用内侧安装或者外侧安装法均可。采用哪种安装法取决于高架线路周边空气动力学的模拟计算，根据计算结果确定内侧和外侧安装的变异蜂巢隔声体个数，确保效果最佳。

Claims (3)

1.一种双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障，其特征在于：该双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障包括声屏障板(1)、立柱(2)和混凝土底座(3)；声屏障板(1)固定在两根立柱(2)之间的卡槽(4)内，立柱(2)通过底部预留的钢筋(5)固定在混凝土底座(3)上，声屏障板(1)包括两块双曲面板(6)、变异蜂巢隔声体(7)和多级阻尼可控螺栓(8)，声屏障板(1)的骨架由两块双曲面板(6)通过端部焊接而成，双曲面板(6)内均匀分布有正六边形孔洞，孔洞与孔洞之间留有15-20mm距离，供变异蜂巢隔声体(7)固定使用，双曲面板(6)四周预留焊接固定区域；变异蜂巢隔声体(7)为六边体结构，六角预留螺栓孔洞(10)，变异蜂巢隔声体(7)形状类似沙漏由两块六边双面锯齿型钢板(11)两侧通过螺丝夹住内侧隔声板(12)而成，六边双面锯齿型钢板(11)中间为双面锯齿形刚体(13)，双面锯齿形刚体(13)两侧表面敷设吸声材料(14)，双面锯齿形刚体(13)的锯齿采用波长为15mm-20mm的正弦波波形；
多级阻尼可控螺栓(8)包括螺栓(15)、螺帽(16)、可调阻尼弹簧I(17)、可调阻尼弹簧II(18)；可调阻尼弹簧I(17)和可调阻尼弹簧II(18)的长度及阻尼系数等参数根据当地历史最大风速、列车的运行速度、列车运行的空气动力学特性和屏障厚度确定，可调阻尼弹簧I(17)和可调阻尼弹簧II(18)的弹性系数可以采用下面公式进行计算：k＝G*D/(8*A*(B+C))其中：G为横弹性系数，D为弹簧头部钢丝直径，A为弹簧的卷数，B为弹簧的内径，C为弹簧尾部钢丝的直径；
可调阻尼弹簧I(17)和可调阻尼弹簧II(18)的直径需采用一个渐变直径，阻尼弹簧尾部钢丝直径为C＝D+f×0.1，其中D为弹簧头部钢丝直径，f为渐变系数，根据弹性系数k确定。
2.根据权利要求1所述双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障，其特征在于：变异蜂巢隔声体(7)可分为内侧安装和外侧安装两种安装方法，内侧安装法为：变异蜂巢隔声体(7)的两块六边双面锯齿型钢板(11)卡住靠近轨道侧的双曲面板(6)安装，外侧安装法则相反，变异蜂巢隔声体(7)的两块六边双面锯齿型钢板(11)卡住远离轨道侧的双曲面板(6)安装；当变异蜂巢隔声体(7)采用内侧安装时，高空中的自然风在达到一定强度后，将在推动整个变异蜂巢隔声体向线路内侧移动的同时，使变异蜂巢隔声体四周形成一个通道，让风顺利通过声屏障，达到减载的目的，列车引起的列车风由轨道向外侧将不能推动变异蜂巢隔声体，当自然风压减小后，在阻尼弹簧的作用下，变异蜂巢隔声体将恢复到原来位置；当变异蜂巢隔声体采用外侧安装时，高空中的列车风在达到一定强度后，将推动整个变异蜂巢隔声体向线路外侧移动，使变异蜂巢隔声体四周形成一个通道，让列车风顺利通过声屏障，达到卸载的目的，线路外侧的自然风将不能通过变异蜂巢隔声体，列车通过后，列车风消失，变异蜂巢隔声体将恢复原位。
3.根据权利要求1所述双曲面锯齿型阻尼可控式减载屏障，其特征在于：双曲面板(6)的曲率采用λi为第i阶频率的声波波长。
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