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原文传递高速铁路插板式及整体式声屏障结构研究

论文题名：	高速铁路插板式及整体式声屏障结构研究
关键词：	插板式声屏障;整体式声屏障;动力响应;抗震性能;高速铁路;噪声污染
摘要：	随着我国高速铁路事业的发展，沿线噪声污染日趋严重，在铁路沿线设置声屏障是降低噪声有效方法。但是，与普速铁路声屏障工程相比，高速铁路列车脉动力对声屏障的作用显著增强。德国科隆-法兰克福高速铁路声屏障在设计时没有考虑列车脉动力的作用，于2003年当列车速度超过250km/h而共振破坏。近年来，高速铁路声屏障结构的研究已经成为了高速铁路领域的前沿和热点之一，高速铁路声屏障的受力特性和结构性能研究对我国高速铁路事业具有重要意义。　　论文对我国高速铁路常用的插板式及整体式声屏障的若干关键问题进行了较为深入的探讨。通过计算流体力学CFD(Computational Fluid Dynamits)仿真分析、在线行车试验、有限元分析、低周反复试验、动力特性试验等方法对声屏障结构特性进行了详细的阐述，并提出了结构设计方法和设计建议。详细内容总结如下：　　首先，对德国纽伦堡-英格斯塔特高速铁路声屏障在线行车试验结果进行了分析，讨论了脉动力的特征、车速对脉动力的影响以及在不同位置的分布。采用CFD软件PHOENICS对列车脉动力进行了模拟并与同条件下的德国铁路实测脉动力曲线进行了对比，分析了车速、距离等因素对脉动力的影响。结果表明，作用在声屏障的列车脉动力由头波、中间波和尾波组成，压力峰值出现在头波范围，尾波约为其的1/3～1/2；CFD软件能够较好模拟列车脉动力，与在线行车试验实测脉动力峰值结果基本一致；脉动力峰值与车速的平方呈线性关系，与外轨道中心线至声屏障的距离的平方呈反比；流线型车头列车引起的脉动力峰值要小于钝形车头和方形车头列车，脉动力峰值随列车鼻长的增大而降低；声屏障中部的脉动力峰值比两端大，同时，沿高度减小；考虑防撞墙的影响后，脉动力峰值沿声屏障高度先增大后减小，在2m高度处达到最大；作用在桥梁翼缘板的竖向脉动力峰值则随与声屏障的距离增大而线性增大。　　其次，提出了一种考虑行波效应的简化脉动力激励输入方法，用以进行声屏障结构的脉动风致响应分析，并提出了一种新型整体式声屏障；根据路基声屏障结构的受力情况，采用FLAC3D软件分析了文中所示路基情况下的桩基础水平向受力特性；采用有限元软件ANSYS分析了插板式和整体式声屏障的动力特性和脉动风致响应，并详细研究了各因素对脉动风致响应的影响。结果表明，插板式声屏障的脉动风致响应峰值与列车速度呈平方关系；沿声屏障长度方向，响应峰值先增大后减小，再增大再减小，最大值出现在倒数第二根立柱处；响应最大值随声屏障长度的增加而先增大后减小，当声屏障长度达到150m后趋于稳定；响应最大值与外轨道中心线和声屏障的距离呈-1-5次关系，与声屏障的高度基本上呈平方关系。整体式声屏障的脉动风致响应峰值随结构频率的增大而降低，与列车速度呈平方关系，与外轨道中心线和声屏障的距离呈-2次关系。高速铁路路基声屏障桩基础在水平荷载作用下的桩身水平位移随深度先减小，至0位移后再反向增大，正向和反向加载的桩身0位移的深度基本一致；路基插板式声屏障脉动风致响应分析结果与同条件下的桥梁声屏障的分析结果接近；路基整体式声屏障的响应最大值均出现在头波阶段，中间波引起的结构的响应为逐渐降低的过程。　　再次，论文提出了一种新型墩头锚具，并进行了静载锚固性能试验；通过7个PCSB预应力混凝土整体式声屏障的低周反复试验，研究了整体式声屏障的受力性能和抗震性能，考察了竖墙宽度、竖墙配筋、张拉控制应力、肋柱加腋等因素对抗震性能的影响。试验结果表明，新型墩头锚具有较好的锚固性能，回缩变形小于1mm；PCSB试件具有良好的抗裂性能、变形能力和承载能力；后浇竖墙宽度决定结构的破坏形式，当竖墙宽度大于250mm时，预制结构首先发生破坏；提高张拉控制应力能够有效提高结构的开裂弯矩，但是肋柱根部加腋则效果不明显；详细分析了各PCSB试件抗裂能力、承载力、滞回曲线、骨架曲线、位移延性、耗能能力、刚度退化等指标。　　然后，对PCSB试件进行了不同状态下的动力特性测试，包括固有频率和阻尼比。试验结果表明，PCSB试件开裂将引起固有频率明显下降，当翼缘板开裂时，结构频率下降幅度可达30％；正常工作状态下，结构的阻尼比仅为1％左右，当肋柱或翼缘开裂时，阻尼比急剧增大，达到3％左右。　　最后，论文基于理论研究和试验结果，给出了高速铁路插板式及整体式声屏障的荷载组合工况、结构设计计算方法、验算方法及其建议。论文附录在PCSB试件制作的基础上，给出了整体式声屏障的施工工艺、技术和验收安装标准，可为混凝土整体式声屏障的大规模生产和应用提供参考。
作者：	吕坚品
专业：	土木工程;防灾减灾工程及防护工程
导师：	张继文
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文