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学习制作高铁混凝土声屏障单元板

 


【机构】 桂林理工大学广西岩土力学与工程重点实验室;上海中驰集团有限公司;
【摘要】 轻质高强是混凝土声屏障发展的趋势,其壳体材料选择和结构设计是关键。为解决台风区高速铁路混凝土声屏障容易开裂、变形过大等问题,壳体材料采用钢纤维高性能混凝土。通过理论计算、结构试验并考虑施工因素,制作内空腔无隔板,壳体最小壁厚25 mm的新型声屏障单元板。试验研究表明,背板在8.0 k Pa极限弯矩作用下,单元板没有开裂破损,跨中挠度较小,与有限元分析结果比较吻合。而且单元板自重小,制作方法简单,运输方便,具有良好的抗弯性能,满足台风地区高铁混凝土声屏障的要求。 
【关键词】 声屏障;  钢纤维;高性能混凝土;抗弯性能; 有限元分析;       
0前言   
    伴随着我国经济的飞速增长,高速公路、铁路、城市轨道等交通设施也迅速发展,在建造过程中难免要穿过人口集中的居住区,所产生的交通噪声给道路附近居民的工作、生活、学习带来了一定的干扰,设置声屏障是解决这些噪声污染的一种有效方式。金属声屏障是最常用的声屏障,但金属声屏障存在造价高、维护费用贵、易受腐蚀、抗疲劳性能和耐久性差等缺陷,在氯盐环境下,与基础连接的部位还容易遭受破坏[1]。混凝土复合材料声屏障正越来越受欢迎,我国早在20年代90初就对不同复合材料的混凝土声屏障进行了研究。贾志锋[2]介绍了炉渣无砂大孔混凝土高速公路声屏障工程实例的建筑设计、材料选用、隔声性能及造价比较等。于洪涛[3]将纤维自密实混凝土应用于声屏障,通过对不同种类纤维自密实混凝土的试验和对比,研制了一种具有良好抗收缩性能和力学性能的声屏障。唐玉斌、朱立和李昊等[4]结合南京地铁二号线东延线工程,介绍了活性粉末混凝土声屏障结构单元板的制备、搅拌、浇筑和养护等施工工艺,以及活性粉末混凝土单元板在工程中的应用情况。虽然混凝土声屏障有众多优点,但普通混凝土声屏障的材料抗拉强度才4Mpa左右,在弯曲荷载作用下容易产生裂缝和变形过大等问题。在列车气动力循环荷载作用下声屏障的裂缝加速发展,疲劳性能差,难以达到预期寿命。台风地区高速铁路声屏障的水平荷载较大,其声屏障的强度要求更高。
    我国自1997年起开始研究高性能的活性粉末混凝土[5],发展至今技术已渐成熟,目前其抗拉强度已达到20~30MPa,抗压强度达100~230MPa。本文将活性粉末混凝土应用于台风地区高速铁路声屏障,可以减轻结构自重,提高声屏障的抗弯强度,解决其耐久性问题。
1  声屏障单元板构造设计
声屏障单元板根据高铁非金属声屏障通用参考图进行设计,以吸声憎水型吸音岩棉为主,表面衬以防水耐碱GRC玻纤网格布,外包混凝土壳体。为达到降噪系数≥0.7,隔声量≥30dB的性能指标,吸音岩棉厚度取90 mm,其具体结构构造如图1
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为了增大吸音效果和减少自重,壳体混凝土结构设计为布置有吸音孔的长方体空心结构,外形尺寸3960mm×500mm×140mm,厚度尽可能减薄,且内空腔不设增强结构刚度的隔板;壳体朝向铁路的面板有吸音孔,孔隙率为30%,孔尺寸为20mm×150mm
壳体是主要承受荷载的结构,为了提高抗弯能力,其面板和背板均布置10Φ8的纵向钢筋。壳体材料和厚度设计是声屏障板的关键。为了控制单元板的自重和成本,混凝土壳体厚度不宜过大,但也不宜过小,否则施工成型有难度,质量也不易控制。首先按照工艺要求,然后通过计算分析进行确认。
2  单元板受力理论分析
2.1 截面最大拉应力计算
   声屏障工作时,水平荷载分别作用在面板和背板上,当截面受拉区边缘拉应力大于材料的抗拉强度时就会产生裂缝,水平荷载作用在背板上时为截面最不利工况,所以只需计算水平荷载作用在背板时截面受拉区边缘的应力。单元板在未开裂阶段钢筋发挥的作用小且配筋量较少,本节为了简化计算,先不计钢筋作用。根据《时速350km客运专线铁路  路基插板式非金属声屏障》(铁路工程建设通用参考图,通环(20098326),最大弯矩取7.0kPa(即作用在单元板上的极限线荷载),单元板简化截面如图2
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3  单元板结构有限元模拟分析
    采用非线性有限元分析程序ANSYS,建立三维有限元分析模型,对声屏障单元板的结构受力性能进行静力模拟分析。由于声屏障单元板上水平荷载主要由壳体承担,所以仅模拟壳体的受力性能,吸音材料和网格布的作用可以忽略。进行对称式建模,建立一半模型,施加约束和荷载计算模型如图4所示。
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单元板两端简支,面荷载7.0kPa施加在背板上。混凝土采用SOLID65单元,弹性模量E=5.1x104MPa,泊松比λ=0.25,混凝土裂缝张开的剪力传递系数为0.45,裂缝闭合的剪力传递系数为0.9,抗拉强度为9.0,由于不考虑混凝土的抗压破坏,取单轴抗压强度为-1;钢筋采用PIPE16单元,弹性模量=2 x105MPa,泊松比λ=0.3   
    计算得到的板混凝土第一主应力如5
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 由图5得出单元板中混凝土最大应力8.376MPa,与理论计算值8.315MPa非常接近,表明面板开孔并没有造成太大的应力集中,依然小于设定的混凝土抗拉强度值9MPa,单元板不会开裂。图6钢筋的最大应力为25.871MPa,远远小于极限应力,安全富裕度很大。单元板的跨中挠度最大值2.839mm,比理论计算值3.288还小,说明钢筋的加入提高了结构刚度。
   ANSYS分析结果总结如表2,单元板的各项受力性能指标均满足设计要求。
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4  声屏障单元板制作
4.1  钢纤维高性能混凝土配制
    钢纤维高性能混凝土声屏障单元板使用的材料如下,其配合比见表3
    水泥:普通P·Ⅱ 52.5R硅酸盐水泥。
    细集料:中细河砂。
    掺合料:粉煤灰、粉煤灰、硅灰。
    外加剂:聚羧酸高效减水剂。
    钢纤维:长度13mm,直径0.18mm,平直型钢纤维。
    根据钢纤维高性能混凝土配制的经验,所配制的钢纤维高性能混凝土的劈裂抗拉强度将近15MPa,按照换算经验和换算理论,将其折合成不小于9MPa轴心抗拉强度的混凝土具有很大的可靠性。
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4.2  声屏障单元板模具
    制作声屏障单元板的模具如图8、图9所示,整体模具由底板和四块钢板组合而成,底板为木板及在其上的PVC塑料板固定而成,上面的“凸起”为预留吸音孔而布置,四块相互嵌插的钢板支立在底板上。
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4.3  制作工艺
    制作过程如下:
1)、在平整的地面将声屏障单元板的整体模具组装固定好,并且在模具内涂抹脱模油,注意涂抹均匀;
2)、将钢纤维高性能混凝土的原材料按照配合比投入搅拌机,使拌合料充分混合,再将减水剂和拌合水加入拌合料中,搅拌数分钟;
3)、将搅拌好的混凝土均匀铺在底板上,大概到“凸起”一半高度时放置钢筋,再将搅拌机中剩下的混凝土铺在钢筋上,振捣抹平,高度与“凸起”齐平;
4)、在混凝土上铺一层网格布,在网格布上放置吸音岩棉,预留两侧侧板和两端端板位置,再在吸音岩棉上铺一层网格布;
5)、按照步骤(2)中的方法搅拌好混凝土,在网格布上、岩棉预留的位置内铺放混凝土,放置钢筋,再铺一层混凝土,振捣抹平,整个板的高度与模具齐高;
6)、24小时后拆模,养护28天,在标准养护条件下养护。制作的声屏障单元板试件如图10
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5  单元板性能试验
5.1  吸音性能测试
   本文制作的钢纤维高性能混凝土声屏障单元板在国家建筑材料测试中心按TB/T3122-2010《铁路声屏障声学构件技术要求及测试方法》进行了降噪系数和隔声量的测试,降噪系数达0.75,大于标准要求值0.7;隔声量为40dB,大于标准要求值30dB,证明该型声屏障单元板的声学性能优良。
5.2 抗弯性能试验
声屏障单元板抗弯性能测试方法为四点弯曲加载法,将荷载加载到背板上,在板的跨中布置应变片,观察板面上是否有裂缝产生,并记录跨中挠度值。若板面上无裂缝出现则满足抗裂要求,且跨中挠度必须小于设计限值19.8mm。
   对3块单元板试件进行试验检测,在面荷载7.0kPa时,板面上无肉眼可见裂缝产生,跨中挠度为3~4mm,远小于其限值,当加载到8.0kPa时单元板仍未见破坏,表明弯曲荷载作用下单元板满足抗裂要求和变形要求,抗弯强度较高。
6  结论
    1、试验研究表明,钢纤维高性能混凝土声屏障单元板不仅吸音性能优良,而且壳体厚度可取最小厚度25mm,内部完全中空不含支撑隔板,有效地控制了自重。在弯矩8.0kPa作用下,单元板未发生开裂破损,跨中变形小,满足台风地区高速铁路声屏障单元板的抗弯要求。
    2、单元板结构构造简单、施工工序少,并可将模具分拆运输,便于在高速铁路附近施工生产,显著降低运输成本和损坏几率,具有很好的推广应用价值。
    3、以裂缝为主要控制目标,通过理论计算和有限元软件模拟结果作为参考数据,成功研制出符合要求的声屏障单元板,有效地减少了试验工期和成本,研制方法可靠实用。 
参考文献:
[1]贺丽平.GRC高速铁路声屏障板正截面受弯承载力的理论分析与试验研究[D].北京:北京交通大学,2013.
[2]贾志锋.炉渣无砂大孔混凝土在声屏障工程的应用[J].新型建筑材料,1994,(6):28-30.
[3]于洪涛.混杂纤维自密实混凝土在预制声屏障中的应用[D].大连:大连理工大学,2007.
[4]唐玉斌,朱立,李昊.活性粉末混凝土在地铁声屏障结构单元板中的应用[J].混凝土,2010,(3):139-141.
[5]刘子健,李晨光,超高性能活性粉末混凝土研究现状与应用前景探讨[J].建筑技术开发,2009,(4):58-63.
[6]王冲,Liza O’Moore.高性能微钢纤维增韧混凝土的制备及其力学性能研究[J].土木工程学报,2009,(6).
[7]杜修力,田予东,窦国钦.纤维高性能混凝土的制备及力学性能试验研究[J].混凝土与水泥制品,2011,(2):44-71.
[8]韩嵘,赵顺波,曲福来.钢纤维混凝土抗拉性能试验研究[J].土木工程学报,2006,(11):63-67.
[9]中铁第四勘察设计院集团有限公司.时速350km客运专线铁路 路基插板式非金属声屏障[Z].铁道部经济规划研究院,2009.
[10]游海波,梁勇.高速铁路混凝土声屏障单元板整体压制成型自动化生产技术[J].混凝土与水泥制品,2012,(4):58-63.
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