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高速铁路结构直立型声屏障动力响应评价
摘要：本文的目的是对高速列车通行过程中直立型声屏障的动态响应有一个基本的了解，并在未来计划提高运行速度时开发一种实用的评估方法。日本高速铁路结构最近安装的直立型声屏障固有频率较低，因此，它们可能与火车脉动风压产生共鸣，直到现在还没有成为实际设计的关键条件。通过现场测量和数值模拟，发现列车运行激发的声屏障的动力响应可以通过列车牵引的脉冲激励与声屏障的固有频率之间的共振效应和尾部脉冲重叠效应来解释。显示了用多体系统推广共振效应的方法以及单自由度系统的自由振动理论的尾脉冲重叠效应。最后，提出了两种设计方法：基于仿真的精确方法和基于静力设计荷载的简单方法。当列车速度为260千米/小时或360千米/小时时，简单方法使用的设计列车脉动风压是声屏障固有频率的函数。
1.引言
诸如桥梁或高架桥的铁路结构通常在悬挂式平板的边缘处具有声屏障或桥栏杆。它们可以有效降低噪音，防雪，防风，为工作人员提供安全保护并防止擅自进入。在日本，高速基础设施上安装了障碍物，特别是根据邻近铁路线的使用情况来减少噪音。与先前使用的具有高刚性的传统简单RC墙相比，用H形钢支柱和预制PC板制造的障碍物现在是最常见的，以节省成本和劳动力。确定声屏障结构性能的H型钢支柱的设计必须考虑到各种影响：列车牵引力，疲劳，桥栏杆上的推进力，列车通过时产生的积雪，地震和风荷载，这对于设计来说通常是至关重要的[1]。一般来说，假设风速约为50 m / s，声屏障的H形钢支柱的设计具有足够的屈服强度，对设计风荷载为3.0 kN / m2。
然而，构成本文主要话题的列车脉动风压的设计荷载为1.0kN / m2。由于列车脉动风压的值通常低于风力载荷，因此在实际设计中通常不考虑故障评估，只考虑疲劳故障。基于先前对较低高度的传统声屏障的研究，1.0kN / m2的设计值是保守值。尽管如此，近年来，随着新干线的建成，越来越需要直立型声屏障来避开轨道环境。实际上，直立型声屏障的固有频率低于传统声屏障，因此需要对高速列车运行引起的动力共振放大进行调查。
大量的研究一直致力于隔声效率和隔声屏障的阻力性能，而其动力响应在很大程度上被忽略[2-4]。 Eurocode EN 1991-2：2003“桥梁交通荷载”中包含了对声屏障或车站建筑等结构的设计要求[5]。这些代码所依据的数据最初是由欧洲铁路研究所（ERRI）D189委员会开发的，也是铁路专用欧洲标准委员会标准[6]的基础。该规范概述了用峰值描述列车引风压力形式的程序，尽管它隐含地假设了静力加载而不考虑结构的共振放大。Backer等人[7]指出，之前的代码来源于与大陆G1测量仪有关的实验数据，将导致对GB测量仪条件的压力系数进行不适当的计算，并开发出适用于计算的两种校正方法这可以使结果适应英国的具体情况[8]。此外，代码对轻量级或柔性结构的适用性也被称为疲劳计算方面的问题。在德国，对声屏障的动力影响进行了部分研究，尽管调查是有限的，结果不能应用于日本的声屏障[9]。意大利的Belloli等人研究了声屏障结构作为悬链线支撑结构的一部分而不是标准电杆的情况，以及这种结构对高速受电弓中电流收集质量的影响，考虑到声屏障的动力响应[10]。日本的研究仍在进行中，评估可观测的列车脉动风压和声屏障动力响应，并调整设计方法。然而，本文的作者对此进行了有限的调查[11]。需要对声屏障的动力响应进行量化，以便深入了解未来可能因列车运行速度提高而产生的噪音问题。
本文的目的是获得对高速列车运行过程中直立型声屏障的动力响应的基本理解，并开发一种评估这些现象的实用方法，利用通过以前有关列车通风压力的研究收集的见解[ 12-16]。本文的第2部分首先描述了所使用的测量和分析方法，然后第3部分阐明了基于测量和分析的列车通行过程中声屏障动力响应的基本机制，而第4部分给出了总体概述和量化列车运行期间各种因素对声屏障响应的影响。最后，第5节提出了新的实用设计方法，用于评估列车运行时声屏障的动力响应。
2.方法
2.1.目标结构和声屏障
图1显示了本文讨论的目标结构的尺寸。目标结构由钢筋混凝土墙式桥墩，桥梁长度为10 m的RC梁和桥长为40 m的刚架高架桥组成。选择这些结构是因为它们是使用标准设计进行设计的，它们的尺寸代表了日本高速铁路网上的结构。
图1也显示了半覆盖积雪式声屏障的截面，这也将在本文中讨论，安装在高速铁路线高架桥上。这种类型的声屏障上的弯曲的H形钢支柱减少了落在桥面上的积雪量。本文的目标是在高度H等于轨道高度H 3.953米（以下简称为#39;RLthorn;4.0m#39;）和下行高度为RL2.0米的声屏障-线。R. L.已经是1.15米，因此，声屏障的总高度超过5米。上线的声屏障与传统声屏障的高度几乎相同。它们包括在桥轴方向以3米间隔安装的H型钢支柱和空心预应力混凝土板（以下简称“PC板”）。H型钢支柱的底座固定在桥栏钢筋混凝土（以下简称“RC”）上。PC面板用橡胶楔子固定在H型钢法兰上。
图1.目标结构和声屏障的尺寸
图2.测量设备的安装全景
图3.结构的动力模型
2.2.测量方法
2.2.1.测量设备
在实际结构上测量了火车的脉动风压，应变和加速度。用于列车脉动风压和应变测量的采样频率为1000Hz，用于加速度测量的采样频率为2000Hz。
2.2.2.测点布置
图2显示了测量设备的安装概况。加速度计，应变仪和气压计安装在声屏障和悬挂式平板上。加速度计和应变仪安装在铁路轨道内侧。在H型钢法兰的内侧和外侧安装空气压力计，距轨道中心水平距离为3.8 m，垂直距离为RL 1.0 m，在平板表面以上RL 2.5 m 。作用于声屏障的列车脉动风压值是根据两个空气压力表的测量值之间的差值计算出来的。
2.2.3.测量工况
为了评估列车脉动风压和动力响应，进行了冲击振动试验以了解声屏障的振动特性和列车运行试验。在冲击振动测试中，使用冲击锤在人工激励后测量加速度。总共进行了10次列车运行测试，其中包括上线5个和下线5个。在这些测试中，列车的脉动风压，应变和加速度在列车速度为238到258公里/小时之间进行测量。
2.3.分析方法
程序DIASTARS III被用来模拟铁路车辆和铁路结构之间的动力相互作用[17,18]。
2.3.1.结构的动力模型
图3显示了结构的动力模型。使用有限元方法对墙式墩，RC梁和刚架高架桥进行建模。将刚性框架高架桥的墙墩和立柱定义为梁单元，并将刚架和RC梁上部结构的悬挂板，中间板，竖向梁，横梁定义为壳单元。围绕RC梁的支承部分，围绕y轴旋转以外的任何运动受到限制。所有沿上线的高度为R.L. 4.0m的声屏障都建立了模型，而对于高度为R.L. 2.0m的沿下线声屏障，只考虑其质量。H型钢支撑杆由梁单元建模，PC板被定义为使用梁单元的网格模型。如图3中的照片所示，顶部悬链线系统（OCS）杆脚底部的RC墙也被定义为网格模型。围绕PC面板和H形钢支柱之间的连接的H型钢支柱轴线之外的任何运动都受到限制。没有考虑到PC面板和桥栏杆之间的连接，以确保模型正确地表达了实际结构的条件。对于在纵向上模拟结构旁边的38米PC梁和10米RC梁，只考虑了由支架承担的一半质量。将混凝土材料的杨氏模量Ec设定为26.5或31.0kN / mm2。假设H形钢支柱由杨氏模量为210kN / mm2的弹性材料制成。结构的阻尼作为模态阻尼考虑在内。根据后面提到的冲击振动试验，将声屏障和结构的每种模式的模态阻尼比设置为1％。
2.3.2.铁路车辆与轮轨相互作用的动力模型
图4显示了铁路车辆和轮轨相互作用的动力模型[17,18]。铁路车辆模型以多刚体的形式建立，其中包括一个车体，两个车架和四个带弹簧和阻尼器的轮对。这辆车获得了31个自由度。轮子和轨道之间的动力相互作用力是根据它们之间的垂直和水平相对位移来计算的。在垂直方向上，使用赫兹接触弹簧。
2.3.3.列车脉动风压的荷载模型
众所周知，过往列车会产生不稳定的瞬态空气动力学压力。实质上，随着列车通过，压力迅速上升到环境压力以上，达到正峰值，然后迅速通过环境压力下降到负（吸力）峰值，然后向环境值缓慢衰减。当火车尾部通过时，过程被逆转，具有负峰值，然后是正峰值。这些压力转换会导致声屏障上的瞬态力量。列车脉动风压的峰值与列车速度的平方成正比：BS EN 4067-4 [19]概述的当前程序描述了结构上列车引起的空气动力荷载，这使得基本设计假设垂直结构上的力的压力波采取以下形式：在桥上假定压力脉冲由在火车前方延伸5m的恒定正压组成。在垂直方向上，距离轨头表面顶部5米的高度也是一个常数。不考虑目标结构动态共振的静力分布荷载的设计特征值qlk N / m2由下式给出：
其中rho;是空气密度（frac14;1.25 kg / m3），v是列车速度m / s，Cp是由动压力归一化的压力系数，k1是列车形状系数（k1取值为1.0列车，常规旅客列车为0.85，在空气动力学上非常良好的流线型高速列车（如ICE，TGV和ETR）为0.60，k2为考虑到小型结构时取最大值的系数（k2取值1.3如果墙壁的小部分高度不超过1米或宽度不超过2.5米），并且ag是距轨道中心的距离。
至于控制列车牵引压力大小的Cp，先前的研究显示尾部脉冲的Cp不如头部脉冲的Cp大，Cp变得与距轨道的距离的平方成反比中心，Cp趋向于随着位置变高而降低，因为空气向外吹出，并且Cp根据车辆的鼻形而变化。至于空气动力学形状效应，已经发现Cp随着横截面逐渐变细而下降，当鼻形是楔形而不是锥形时，Cp减小，当没有地板覆盖裙部时，Cp变小，并且距离正负峰值之间的差异会根据车辆前部的前倾斜度而变化[7,13]。
图5.列车牵引压力（a）在桥梁轴线方向和（b）在垂直方向上的荷载模型
表1.用于参数分析的案例
图5还显示了在分析中引入的列车脉动风压的荷载模型。如图5（a）所示，假定列车脉动风压的波形形状为三角脉冲以表示桥轴方向的压力变化。基于测量的压力系数Cp设定每个脉冲的峰值。压力梯度Kin和Kout分别基于正到负峰值之间的测量距离lin和lout来设置。考虑到后面将要提到的测量结果，峰值之前和之后的梯度被设置为Kin和Kout的1/3。如图5（b）所示，列车脉动风压的形状被假定为垂直方向上的直线。通过线性内插气压计所在的测量压力（R.L. 1.0m和R.L. 2.5m）来设定直线。将声屏障和桥栏的面积分别分为三部分和两部分，然后对各区域的列车脉动风压进行积分，以确定五个移动线路荷载Fi（i = 1-5）。
2.3.4.计算方法
通过Newmark-beta;时间差分方案在每个时间增量Delta;t的模态坐标中求解列车的运动方程和结构。由于方程是非线性的，所以在每次增量时迭代计算是必要的，直到列车和结构之间的不平衡力在特定容差内变得足够小。基于模态简化法，分析中考虑了160阶结构模式。
2.3.5.分析工况
表1显示了用于参数分析的情况。工况-1是列车脉动风压和列车荷载同时应用的基本情况。工况-2是为了掌握只动力地应用列车脉动风压时对列车脉动风压的响应贡献。工况-3旨在了解只动力地应用头部脉冲时对列车脉动风压头部脉冲的响应贡献。工况-4是为了获取只对头部脉冲进行统计学处理时由于头部脉冲引起的静力响应分量。工况-5是为了获得只动力地应用列车荷载时由于列车荷载而引起的响应分量。假定混凝土的杨氏模量Ec为31.0kN / mm2，列车脉动风压的峰值设定为测量结果的平均值，设定了50列列车速度（即10,20，...，500 km / h），结构振型的模态阻尼比为2％，以保证分析条件尽可能接近实际测量值。
表2.固有频率和模态阻尼比
表6.声屏障(A)在钢筋混凝土梁上和(B)在刚架高架桥上的模态振动形态
3.分析和测量结果
3.1.声屏障的振型
表2示出了基于冲击振动试验识别声屏障的固有振型而得到的固有频率和模态阻尼比。应用了将自由振动波形与特征实现算法相结合的识别方法[20]。高度为R.L. 2.0米的声屏障的固有频率为8.8赫兹，高度为R.L. 4.0m的声屏障的固有频率为3.3赫兹或4.6赫兹。此外，即使在RC梁和刚架高架桥上具有相同高度R.L. 4.0m的声屏障，其固有频率也不同。这部分是由于RC梁上的声屏障在桥梁轴线方向上的OCS杆基的RC墙之间的约束距离比在刚性框架高架桥上的约束距离更短。声屏障的模态阻尼比在R
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