预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板

摘要

本发明涉及一种预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板。预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板包括预制混凝土单元插板、吸声面板，预制混凝土单元插板、吸声面板均为矩形构件，吸声面板通过螺栓与预制混凝土单元插板连接；预制混凝土单元插板左右两侧均设有加厚肋柱、顶部和底部分别设有加厚肋梁，在其底部的加厚肋梁带有凹槽，预制混凝土单元插板内设有水平、竖向预应力钢筋。本发明的预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板能有效抵抗最高时速380～400km高速列车的脉动风荷载与自然台风荷载长期作用，具有良好的抗疲劳性能、耐久性能、降噪效果显著，制作预应力混凝土声屏障吸声插板费用底，安装更换便捷。

说明书

技术领域

本发明涉及一种铁路工程中应用的构件，尤其是涉及一种隔离高速铁路噪声的声屏障吸声插板。

背景技术

近年来，中国高速铁路发展迅猛，至2010年9月，随着沪杭高铁开通运营，中国已投入运营的高速铁路营运里程达到7055公里，居世界第一位。此外包括京沪高速铁路等已经开工建设的客运专线及城际铁路项目约40项，并将于2012年高速铁路运营里程达到1.3万km，超过其他各国总和。目前，中国已经成为世界上高速铁路系统技术最全、集成能力最强、运营里程最长、运行速度最高、在建规模最大的国家。在高速铁路里程迅猛发展的同时，列车的运营速度同样走在世界的前列，国产CRH3型“和谐号”动车组列车于2008年6月24日曾经在京津城际高铁上创造了394.3公里的世界铁路运营最高时速纪录。2010年9月28日，中国国产“和谐号”CRH380A新一代高速动车组，在沪杭高铁从杭州到上海虹桥试运行途中，最高时速达到416.6公里，再次刷新世界铁路运营试验最高速。因此我国有望突破目前350km/h的最高运营速度，率先进入380km/h甚至达到400km/h的高速。

声屏障是防治铁路列车运行噪声对周围环境污染的主要措施之一，已在国内外广泛采用。德国法兰克福-科隆线路在列车运营速度250km/h～330km/h时，高速列车产生的脉动风压力导致其金属立柱插板式声屏障的铝合金单元插板断裂，钢立柱与基础的连接螺栓松动等，结果使得该条线路声屏障不得不全线拆除重建。此外，目前尚无时速高于350km/h的高速铁路声屏障，可见设计出适合高速至400km/h，且性能优良耐久性好的声屏障已经成为当今国际高速铁路建设中的难题。

随着高速列车速度的提高，列车高速运行时施加给声屏障的脉动风压力也越来越大，脉动风压峰值基本与速度平方成正比，脉动频率基本与速度成正比。目前设计与应用尚无针对350km/h以上时速的声屏障，其次目前的设计与应用声屏障尚未解决好高速铁路列车脉动风压力的动态与疲劳受力问题。

现有技术中，目前常用的高速铁路声屏障主要有金属立柱插板式声屏障，整体混凝土声屏障。前者多采用H型钢立柱，配合金属铝合金等金属单元板以及透明隔声板适用。后者包括普通混凝土整体式声屏障和预应力整体式声屏障。对于普通混凝土声屏障自重大，抗裂性差，耐疲劳性差，与路基或桥梁连接薄弱，施工不便，发生病害后不易维修与更换。对于预应力混凝土声屏障同样自重大，耐疲劳性差，与路基或桥梁连接薄弱，施工复杂，发生病害后不易维修与更换。对于金属立柱插板式声屏障，常用的金属插板不能适应250km/h高速列车脉动风压力的动态反复作用，容易发生疲劳破坏，金属插板在中部与插入的两侧附近率先出现疲劳裂纹，最后发展为波浪形褶皱状开裂损坏。现研发的带肋的玻璃纤维加劲塑料单元插板(GRP)具有良好的力学性能与弹性变形能力，自重轻，降噪效果好，但其缺点是费用太过昂贵，不便推广使用。

发明内容

为克服现有高速铁路插板式声屏障技术不足，本发明提供一种结构安全性高、耐疲劳、耐久性良好、施工方便、便于更换、造价低的预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板。

本发明采用如下技术方案：

预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板，包括预制混凝土单元插板、吸声面板，预制混凝土单元插板、吸声面板均为矩形构件，吸声面板通过螺栓与预制混凝土单元插板连接；其特征在于：预制混凝土单元插板左右两侧均设有加厚肋柱，顶部和底部分别设有加厚肋梁，在其底部的加厚肋梁带有凹槽，预制混凝土单元插板内设有水平、竖向预应力钢筋。

优选地，预制混凝土单元插板在加厚肋梁内设有双层水平预应力钢筋，在非加厚部分设有单层水平中心预应力钢筋；预制混凝土单元插板在其两侧加厚肋柱内设有双层竖向预应力钢筋，在非加厚部分设有单层竖向中心预应力钢筋。

优选地，预制混凝土单元插板在两侧加厚肋柱与非加厚处形成过渡竖向三角梗腋，预制混凝土单元插板在其顶部、底部的加厚肋梁与非加厚处形成过渡竖向三角梗腋。

优选地，预制混凝土单元插板与吸声面板的连接采用预埋螺栓孔再栓接固定；预埋螺栓孔是一螺母通过钢管与钢板焊接构成、仅将螺母侧面外露预埋在混凝土单元板内。

优选地，预制混凝土单元插板在顶板预埋螺栓孔，用来连接吊装的连接件；预埋螺栓孔是一螺母通过钢管与钢板焊接构成、仅将螺母侧面外露预埋在混凝土单元板内。

优选地，混凝土采用C50及以上级别，混凝土采用碎石粗骨料，碎石粗骨料最大粒径不大于2.0cm。

优选地，声屏障插板高度为轨道顶面以上2.05m，声屏障插板的宽度为1.95m或者1.27m。

优选地，预应力混凝土单元插板的非加厚部分为8cm厚，预应力混凝土单元插板的加厚肋梁、加厚肋柱在垂直于预应力混凝土单元插板平面方向的尺寸为16cm、12cm或10cm。

优选地，吸声面板采用5cm厚水泥基吸声板材。

优选地，预应力筋选用钢丝、钢绞线或精轧螺纹钢。

预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板的施工方法，采用先张法或后张法，其特征在于：

先张法施工过程：(1)、严格准确下料普通钢筋；(2)、绑扎普通钢筋形成钢筋骨架；(3)、调校普通钢筋尺寸与位置，并焊接固定，同时焊接连接各类预埋件如预留螺栓孔以及装运扣件；(4)、在张拉台座间立模板并将钢筋骨架入模板；(5)、计算预应力钢丝下料长度并下料；(6)、预应力钢丝穿过钢筋固件并固定在配合张拉台座上张拉；(7)、模板封模；(8)、浇注混凝土并养护至设计强度；(9)、拆模；(10)、放张预应力；(11)、处理预应力钢丝端头；(12)、封补预留张拉孔洞并进行表面处理；

后张法施工过程：(1)、计算预应力钢丝下料长度并下料；(2)、镦钢丝一端的头；(3)、穿上锚具；(4)、穿上波纹管；(5)、穿上锚垫板；(6)、严格准确下料普通钢筋；(7)、绑扎普通钢筋形成钢筋骨架；(8)、调校普通钢筋尺寸与位置，并焊接固定，同时焊接连接各类预埋件如预留螺栓空以及装运扣件；(9)、立模板并将钢筋骨架入模板；(10)、模板封模；(11)、浇注混凝土并养护至设计强度；(12)、拆模；(13)、张拉预应力钢丝，并锚固；(14)、孔道灌浆；(15)、封补预留张拉孔洞。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

在混凝土插板上施加竖向、横向双向预应力，有效抵抗高速至400km/h列车脉动风荷载与自然台风荷载的长期作用，预制混凝土单元插板不出现拉应力，有效防止插板的开裂。预应力混凝土插板的刚度大，具有良好的抗疲劳性能、耐久性能。在预制混凝土单元插板内侧安装吸声板可有效吸收铁路噪声，配合隔声效果良好的预制混凝土单元插板，降噪效果显著。制作预应力混凝土声屏障吸声插板费用底，安装更换便捷。

本发明采用预制预应力混凝土单元插板，可大规模工厂预制，施工便捷，预应力板结构整体刚度好，耐久性好。在板的顶部、底部、两侧边部设加厚肋，便于安装且合理受力，设置的梗腋有效消除应力集中。预应力混凝土插板底部带凹槽配合带凸块的橡胶垫(作为声音隔离装置)有效隔声并固定插板底部。在预应力钢筋的布置中，在加厚肋部采用双层预应力钢筋，其余部位采用单层中心预应力钢筋布置，有效抵御列车脉动风压力的正压与负压力作用。除预应力钢筋外还布置双层普通钢筋网，并在加厚肋部加设普通钢筋，提高板的抗裂能力、抗疲劳性能及耐久性能。吸声板可采用多空吸声材料如木屑混凝土、珍珠岩多孔吸声材料等与水泥基材料复合而成的5.0cm厚板材，通过吸声面板可以有效吸收噪声，有效提高隔声效果。吸声面板通过预埋的螺栓与混凝土插板连接固定。可以在工厂预先装配，也可以于现场安装，施工便捷。预制混凝土单元插板通过预埋在顶板的螺栓孔，可以应用于运输、吊装。预制混凝土单元插板隔声，并配合吸声板降噪，使得结构力学性能与降噪效果达到最优化。

附图说明

图1是本发明的预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板结构示意图；

图2A是图1中A-A剖面示意图；

图2B是图1中A-A剖面预应力钢筋示意图；

图2C是图1中A-A剖面非预应力钢筋示意图；

图3A是图1中B-B剖面示意图；

图3B是图1中B-B剖面预应力钢筋示意图；

图3C是图1中B-B剖面非预应力钢筋示意图；

图4A是图1中C-C剖面示意图；

图4B是图1中C-C剖面预应力钢筋示意图；

图4C是图1中C-C剖面非预应力钢筋示意图；

图5A是图1中D-D剖面示意图；

图5B是图1中D-D剖面预应力钢筋示意图；

图5C是图1中D-D剖面非预应力钢筋示意图；

图6是吸声面板结构示意图；

图7是图6中吸声面板E-E剖面结构示意图；

图8是图6中吸声面板F-F剖面结构示意图；

图9是吸声面板同预应力混凝土插板连接螺栓预埋件与螺钉的示意图；

图10是预应力混凝土单元插板预埋在顶板的螺栓孔俯视示意图；

图11是预应力混凝土单元插板预埋在顶板的螺栓孔剖面示意图；

图中：1、预应力混凝土单元插板，2、吸声面板，5、吸声面板连接螺栓，7、预埋吊装的预埋螺栓孔，11、竖向加厚肋柱，12、加厚肋梁，13、带有凹槽的加厚肋梁，31、单层水平预应力钢筋，32、双层水平预应力钢筋，41、单层竖向预应力钢筋，42、双层竖向预应力钢筋，61、竖向三角梗腋，62、横向三角梗腋。

具体实施方式

如图1所示，预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板包括：预制预应力混凝土单元插板1、吸声面板2，吸声面板2通过吸声面板连接螺栓5安装在预制预应力混凝土单元插板1上。预制预应力混凝土单元插板1为一矩形结构，预制预应力混凝土单元插板1左右两侧设有的加厚肋柱11，预制预应力混凝土单元插板1在其顶部设有加厚肋梁12，预制预应力混凝土单元插板1在其底部为带有凹槽的加厚肋梁13。预制预应力混凝土单元插板1在其顶部的加厚肋梁、底部带有凹槽的加厚肋梁设有双层水平预应力钢筋31，在非加厚补部分设有单层水平预应力钢筋32；预制预应力混凝土单元插板1在其两侧加厚肋柱设有双层竖向预应力钢筋41，在非加厚补部分设有竖向中心预应力钢筋42。预应力布置技术，基本采用中心布置的位置以应对脉动风压正负压相差不大的情况，预应力钢筋的数量，张拉力的设计，使得在正负脉动风压作用下，预应力插板两侧均处于受压状态，并处于弹性受力状态，从而结构不开裂，具有良好的耐久性与抗疲劳性能。预制预应力混凝土单元插板在两侧加厚肋柱11与非加厚处形成的过渡竖向三角梗腋61，预制预应力混凝土单元插板1在其顶部的加厚肋梁、底部的凹槽加厚肋梁与非加厚处形成的过渡横向三角梗腋62。预制预应力混凝土单元板1与吸声面板2的连接采用预埋螺栓孔5再栓接固定。预制混凝土单元插板在顶板预埋螺栓孔7用来连接吊装的连接件。声屏障插板一般高度为轨道顶面以上2.05m，可根据实际情况适当调整；预制预应力混凝土单元插板结构几何尺寸的设计是声屏障结构受力要求与隔声降噪要求相结合的结果。结构受力要求是在满足列车脉动风荷载与自然风荷载的条件下尽可能降低自重，并便于施工安装等。本发明通过有限元软件对几何参数的详细分析优化，选取8cm厚预制预应力混凝土插板，使得声屏障的自重降至最低，显著降低制造、运输、安装成本。对于列车最高时速介于350km/h～400km/h，预应力混凝土插板为8cm厚，四周加厚肋增厚至16cm；对于列车最高时速介于350km/h～400km/h，预应力混凝土插板为8cm厚，四周加厚肋增厚至12cm；对于列车最高时速不超过350km/h，，考虑台风荷载至50m/s最大风速的情况，预应力混凝土插板为8cm厚，四周加厚肋增厚至12cm；对于列车最高时速不超过350km/h，预应力混凝土插板为8cm厚，四周加厚肋增厚至10cm；对于列车最高时速不超过250km/h，不考虑台风荷载，预应力混凝土插板为8cm厚，四周加厚肋增厚至10cm；声屏障插板的宽度，标准宽度为1.95m，在桥梁上的端部可根据实际情况调整为1.27m适合32m、24m、20m标准梁。并可根据不同的列车速度与自然风荷载条件而具体调整合适的宽度。混凝土采用C50及以上级别，采用高强度的碎石粗骨料，最大粒径不大于2.0cm。吸声面板可选用水泥基多孔材料如木屑混凝土、珍珠岩多孔吸声材料等，矿棉吸声板，聚酯纤维吸声板等。吸声材料尽量选用高NRC的离心玻璃棉、岩棉等材料。预应力采用先张法有粘结钢筋，预应力筋的种类可选钢丝、钢绞线、精轧螺纹钢等；也可以采用后张法，相关的锚具可采用小型的镦头锚具、改进的挤压锚具。

上述预应力混凝土高速铁路声屏障吸声插板具体的施工过程可以如下：

先张法施工过程：(1)严格准确下料普通钢筋；(2)绑扎普通钢筋形成钢筋骨架；(3)调校普通钢筋尺寸与位置，并焊接固定，同时焊接连接各类预埋件如预留螺栓孔以及装运扣件；(4)在张拉台座间立模板并将钢筋骨架入模板；(5)计算预应力钢丝下料长度并下料；(6)预应力钢丝穿过钢筋固件并固定在配合张拉台座上张拉；(7)模板封模；(8)浇注混凝土并养护至设计强度；(9)拆模；(10)放张预应力；(11)处理预应力钢丝端头；(12)封补预留张拉孔洞并进行表面处理。

后张法施工过程：(1)计算预应力钢丝下料长度并下料；(2)镦钢丝一端的头；(3)穿上锚具；(4)穿上波纹管；(5)穿上锚垫板；(6)严格准确下料普通钢筋；(7)绑扎普通钢筋形成钢筋骨架；(8)调校普通钢筋尺寸与位置，并焊接固定，同时焊接连接各类预埋件如预留螺栓空以及装运扣件；(9)立模板并将钢筋骨架入模板；(10)模板封模；(11)浇注混凝土并养护至设计强度；(12)拆模；(13)张拉预应力钢丝，并锚固；(14)孔道灌浆；(15)封补预留张拉孔洞。

安装中，将吊装扣件的螺栓拧入预埋在插板顶部的预埋螺栓孔中进行吊装。