CN106468045B - 阻尼式铁路金属声屏障及其组合装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性阻尼式铁路金属声屏障及其组合装置，属于环境保护领域中的振动和噪声治理领域。该金属声屏障包括主要由增强型面板、弹性结构、吸声材料层、背板和铝合金框架组成的声屏障单元板，单元板从正面到背面依次为增强型面板、弹性结构、吸声材料层和背板，面板、吸声材料层和背板插装在铝合金框架的槽位内，在面板和吸声材料层之间及吸声材料层与背板之间的铝合金框架上设置弹性结构的承插槽，弹性结构插装在承插槽中。弹性结构降噪能力更强，该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。

Description

阻尼式铁路金属声屏障及其组合装置

技术领域

本发明涉及一种新型铁路金属声屏障及其组合装置，具体涉及一种弹性阻尼式铁路金属声屏障及其组合装置，适用于各速度等级铁路，特别适用于高速铁路。该弹性阻尼式铁路金属声屏障利用弹性材料的阻尼特性耗散能量，提高铁路声屏障的抗脉动荷载能力和结构安全性，属于环境保护领域中的振动和噪声治理领域。

背景技术

高速铁路运行速度快，声屏障距离线路中心较近(尤其在桥梁上)，声屏障表面受到列车气动荷载较大；列车速度350km/h条件下，列车风作用在声屏障上的脉动荷载近1000Pa(实测，不同车型有小幅变化)。常规声屏障不能对作用于其表面的列车气动荷载进行衰减，巨大的气动荷载能引起声屏障的摇摆和晃动。长期运行后，容易出现联结松动，甚至是结构破坏脱落的情况，对行车安全构成威胁。

我国目前的高铁声屏障，其设计机理是提高结构刚度适应高荷载和提高单元板的固有频率，避免共振的发生；但由于制作和安装质量的不可控，潜在很大的安全隐患，有必要从技术上进行全新的设计，利用弹性阻尼技术提高铁路声屏障的抗脉动荷载能力和结构安全性。

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衰减；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。

本发明的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其原理特征是利用弹性材料的阻尼特性耗散能量，结构特征是采用大开孔率的面板、铝合金型材和背板构成插板式声屏障单元板。

一种弹性阻尼式铁路金属声屏障，包括主要由增强型面板、弹性结构、吸声材料层、背板和铝合金框架等组成的声屏障单元板，所述的声屏障单元板从正面到背面依次为增强型面板、弹性结构、吸声材料层和背板，所述的面板、吸声材料层和背板插装在铝合金框架的槽位内，在面板和吸声材料层之间及吸声材料层与背板之间的铝合金框架上设置弹性结构的承插槽，所述的弹性结构插装在承插槽中。

所述的增强型面板和背板的上、下边缘均设置有向后(即内侧)的沟槽，弹性结构的承插槽插装在所述的沟槽内；所述的弹性结构与增强型面板或背板相接触或紧邻。

所述的增强型面板为开孔率47％(常规开孔率为22％)的冲孔面板，孔型为矩形，所述大开孔率面板的材料包括但不限于铝合金板、其它金属或非金属等。所述的增强型面板为利用压延或焊接加筋法进行增强处理的冲孔面板。

本发明采用弹性材料作为能量耗散部件，所述的弹性结构使用但不限于耐候性优良的三元乙丙发泡橡胶条。

所述的吸声材料层包括吸声材料和吸声材料两侧(前面和后面)的增强格栅，材料为铝合金型材或经过防腐处理的其他材料。

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，厚度为50～80mm；并利用金属格栅进行增强处理。

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。铝合金板材采用压延加筋方式或焊接加筋条等方式提高刚度。

所述的铝合金框架主要由主梁、龙骨和封头组成，上主梁型材、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。

上述铝合金框架配套材料为密闭胶管和板间胶管或解耦器。密闭胶管用于系统安装中实现单元板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。

所述的铝合金框架的上主梁型材和/或下主梁型材上还设置板间胶管的承插槽，所述的板间胶管插装在所述的承插槽中。

所述的铝合金框架的底部还安装解耦器，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；解耦器插入下主梁型材预制的承插槽中。

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。制作时，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；将经过加强处理的吸声材料和增强格栅插入对应位置；然后将另一根主梁安装到框架开口侧，构成封闭式结构；在主梁型材相应的位置插入弹性结构；分别从端部插入增强型面板和背板；在端部四角安装上封头型材，并插入密闭胶管。一种弹性阻尼式铁路金属声屏障组合装置，由两个以上的弹性阻尼式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。

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，面板后面的弹性结构将出现变形，缓冲了脉动能量，然后传递到铝合金框架；车头通过后，在弹性的作用下，面板复位；峰值能量在弹性形变中被部分吸收，传递给铝合金框架和钢立柱的能量被极大削弱；背板处于随动状态，基本不承受荷载。

车尾通过时，将出现负向脉动荷载，背板承受压差荷载，出现往内侧方向的压力，通过弹性材料的能量衰减，传递给铝合金框架的负向荷载降低；车辆通过后，背板弹性回复。

以上过程中，吸声材料也将承受部分脉动荷载，由于冲孔面板的阻流作用，内部压力相对较低，通过加强处理即可。

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，图1-1：无弹性结构；图1-2：有弹性结构；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，使用大开孔率的冲孔面板，这样大部分噪声能量将直接投射到吸声功能层，提高了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弹性结构上，形成荷载能量→面板→弹性结构→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→弹性结构→结构梁→钢立柱→基础结构。

如上所述，本发明利用弹性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。

本发明的弹性阻尼式铁路金属声屏障，利用弹性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；弹性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。

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：无弹性结构；图1-2：有弹性结构；

图2是本发明实测的混响室吸声系数；

图3是本发明主结构视图；

图4是本发明结构剖面图；

图5是本发明板间结构图。

主要附图标记说明：

1橡胶发泡弹性条 2板间避震胶管

3冲孔面板 4龙骨型材(两端+中间)

5增强格栅(前+后) 6吸声材料

7背板 8主梁型材(上+下)

9解耦器(板体在下部时使用)

具体实施方式

如图3和图4所示，本发明的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其单元板主要包括冲孔面板3、弹性阻尼结构--橡胶发泡弹性条1、吸声材料6、增强格栅5、背板7和铝合金框架等，从正面到背面依次为冲孔面板3、橡胶发泡弹性条1、增强格栅5、吸声材料6、增强格栅5、橡胶发泡弹性条1和背板7，冲孔面板3、吸声材料6和背板7插装在铝合金框架的槽位内，在冲孔面板3和吸声材料6之间及吸声材料6与背板7之间的铝合金框架上设置橡胶发泡弹性条1的承插槽，橡胶发泡弹性条1插入承插槽中。冲孔面板3和背板7的上、下边缘均设置有向后(即内侧)的沟槽，橡胶发泡弹性条1的承插槽插入上述沟槽内。

冲孔面板3为大开孔率的面板，开孔率为47％，面板的材料是铝合金板，孔型为矩形，采用压延加筋方式提高刚度，也可采用焊接加筋条等方式。

橡胶发泡弹性条1为弹性结构，采用耐候性优良的三元乙丙橡胶发泡而成，安装方式为卡槽承插。橡胶发泡弹性条1与冲孔面板3或背板7相接触或紧邻。

吸声材料层6采用岩棉，也可采用玻璃棉、高分子发泡材料或其他吸声材料，厚度为50～80mm；吸声材料的前后使用增强格栅5。

背板7材质为铝合金板材，采用压延加筋方式提高刚度，也可采用焊接加筋条等方式。

铝合金框架主要由主梁型材8、龙骨型材4、封头组成，上、下主梁型材8和两侧的龙骨型材4(含中部和端头)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、下主梁、龙骨和封头采用铝合金型材作为受力主结构。

铝合金框架的上主梁型材和/或下主梁型材上还设置板间避震胶管2的承插槽，板间避震胶管2插入该承插槽中。板间避震胶管2用于单元板叠层使用时相互间的弹性隔离。

当单元板体在下部时使用时，铝合金框架的底部还安装解耦器9，铝合金框架的下主梁型材8上设置解耦器9承插槽，将解耦器9插入下主梁型材8预制的承插槽中即可。

按本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)依次按增强格栅5+吸声材料6+增强格栅5顺序叠合成一体；

3)将上述组件插入由相邻龙骨型材4构成的安装槽中；

4)将另一根主梁安装到框架开口侧，构成封闭式结构；

5)在主梁型材8相应的位置插入橡胶发泡弹性条1；

6)分别按照安装图从端部插入冲孔面板3和背板7；

7)在端部四角安装上封头型材，并插入密闭避震胶管2。

由两个以上的弹性阻尼式铁路金属声屏障单元板可组成弹性阻尼式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，上部插入板间避震胶管2，下部插入解耦器9组件；

2)处于中部的单元板，上部插入板间避震胶管2；

3)处于顶部的单元板，不需安装板间避震胶管2和解耦器9。

单元板采用上下堆叠的方法组合，上下板之间利用板间避震胶管2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衰减，其效果见图1-1和图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。

如图2所示，是本发明实测的混响室吸声系数，图中包含与常规声屏障的比较曲线。本发明声屏障吸声系数NRC为1.02，常规声屏障吸声系数NRC为0.81，由此可见本发明的声屏障吸声效果大大优于常规声屏障。

本发明的金属声屏障主要包括增强型面板、弹性阻尼结构层、吸声材料层及增强格栅、增强型背板和铝合金框架组成的声屏障单元板，声屏障单元板从正面到背面依次为冲孔面板+橡胶发泡弹性条+增强格栅+吸声材料+增强格栅+橡胶发泡弹性条+背板。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；本发明采用的弹性结构具有优良的振动吸收性能，配合大开孔率的冲孔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。

Claims (8)

1.一种弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：包括主要由冲孔面板(3)、橡胶发泡弹性条(1)、吸声材料(6)、增强格栅(5)、背板(7)和铝合金框架组成，从正面到背面依次为冲孔面板(3)、橡胶发泡弹性条(1)、增强格栅(5)、吸声材料(6)、增强格栅(5)、橡胶发泡弹性条(1)和背板(7)，冲孔面板(3)、吸声材料(6)和背板(7)插装在铝合金框架的槽位内，在冲孔面板(3)和吸声材料(6)之间及吸声材料(6)与背板(7)之间的铝合金框架上设置橡胶发泡弹性条(1)的承插槽，橡胶发泡弹性条(1)插入承插槽中；冲孔面板(3)和背板(7)的上、下边缘均设置有向后的沟槽，橡胶发泡弹性条(1)的承插槽插入上述沟槽内；铝合金框架主要由主梁型材(8)、龙骨型材(4)、封头组成，上主梁型材、下主梁型材和两侧的龙骨型材(4)组成封闭式结构；橡胶发泡弹性条(1)及其承插槽为四个，所述橡胶发泡弹性条(1)的截面形状为圆形，分别位于冲孔面板(3)和背板(7)的上下端角，橡胶发泡弹性条(1)为弹性结构，安装方式为卡槽承插，橡胶发泡弹性条(1)与冲孔面板(3)或背板(7)相接触或紧邻。

2.根据权利要求1所述的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：所述的吸声材料层包括吸声材料和吸声材料两侧的增强格栅，所述的吸声材料为岩棉、玻璃棉或高分子发泡材料，厚度为50～80mm。

3.根据权利要求1所述的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：所述的增强型面板和背板为利用压延或焊接加筋法进行增强处理的金属或非金属板材。

4.根据权利要求3所述的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：所述的增强型面板和背板为铝合金板材。

5.根据权利要求1所述的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：所述的铝合金框架主要由主梁、龙骨和封头组成，上主梁型材、下主梁型材和两侧的龙骨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。

6.根据权利要求5所述的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：所述的铝合金框架的上主梁型材和/或下主梁型材上还设置板间胶管的承插槽，所述的板间胶管插在所述的承插槽中。

7.根据权利要求6所述的弹性阻尼式铁路金属声屏障，其特征在于：所述的铝合金框架的底部还安装解耦器，所述的解耦器插入下主梁型材预制的承插槽中。

8.一种弹性阻尼式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1-7中任一项所述的弹性阻尼式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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