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关于上海轨道交通17号线声屏障工程的深入研究
摘要：简要介绍了上海轨道交通17号线声屏障工程深化设计，通过将既有的尖劈金属屏体优化设计为无铆钉金属屏体，使声屏障防腐性能更好、寿命更长、抗疲劳性能更好，施工速度更快。
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轨道交通声屏障目前并没有统一的设计规范，对金属屏体的防腐、隔声、强度、防腐等要求各城市均不相同，通常金属屏体主要用于吸声、隔声。屏体外壳采用金属材料，材料主要为铝板与镀锌钢板。金属材料通过钣金折弯或辊压后将吸声材料填置于空腔内。面板开孔主要有圆孔、百叶孔、微穿孔、复合针孔[1]。
对于金属屏体结构如何设计满足轨道交通要求，无明确的指导与验证。这就导致产品生产质量参差不齐，出现产品问题时无法界定责任，因此迫切需要进行深入的研究以改善现状。
1、项目背景
上海轨道交通17号线西起东方绿洲站，东至虹桥火车站站。线路自起点由西向东沿沪青平公路——淀山湖大道——盈港路——崧泽大道走行。线路长35.341km，共设车站13座。其中，高架线18.479km，地下线16.157km，敞开段0.705km。全线设徐泾车辆段和朱家角停车场各1座。高架沿线有居民住宅等建筑物，属噪声敏感点。
本项目声屏障原设计采用的为尖劈金属屏体，在常规的金属屏体吸声面，增加了2块尖劈状、2、块等腰T型状的小吸声屏，二者通过铆钉锚固在金属屏体中，从而增加了吸声面，较常规金属屏体可极大的提高吸声效果。
经过调查发现，这种形式的金属屏体，其尖劈部分在以往项目运营过程中出现一定程度的掉落，类似的轨道交通屏体存在不同程度的锈蚀，使用寿命不能达到设计使用寿命，并且掉落的尖劈小屏体对形成存在安全隐患，需要对声屏障进行重新的结构设计。
2、声屏障金属屏体设计
2.1现状调查与分析
2.1.1尖劈屏掉落：
通过对已使用该金属屏体运行的项目上海地铁3号线、6号线进行现场调研与技术分析，产品应用工况为轨道交通，声屏障主要受到四种荷载：
第一：风荷载，也是声屏障的主要荷载，声屏障由于起到了阻挡风的作用，当风经过时，风荷载传递至金属屏体，金属屏体传递至立柱，立柱传递至基础，风荷载的设计取值评估，对声屏障整体的安全性起到至关重要的作用。
第二：自重荷载，声屏障（包括立柱与屏体）荷载对屏下基础产生的荷载。
第三：脉冲动力，高速行驶的列车在通过声屏障的瞬间，产生强烈扰动会加剧。造成声屏障表面的空气压力突变，形成一种瞬态压力冲击，在约几十毫秒之间相继出现正、负压力峰值，这一瞬态压力冲击即为列车驶过声屏障时产生的列车风脉冲动力。脉动力的分布与列车的车速、轨道中心线至声屏障距离、列车的车头系数以及声屏障高度等因素有关。
第四：列车经过时，引起桥面振动进而引发金属屏体上下位移产生的微观剪切力。
通过查询规范GB/T51335-2018以及09MR603可知，目前声屏障的设计验算只考虑风荷载和自重荷载，对疲劳荷载和振动并没有合适的计算方式和具体的要求，设计要求存在一定程度的缺失。
结合轨道交通项目实际情况，原有的金属屏体采用尖劈式屏体，中心靠前，连接尖劈小屏体和主屏体之间铆钉所承受竖向剪切力，在振动的情况下进一步放大，导致铆钉松动脱落，进而引发尖劈屏体掉落，产品需重新设计。
2.1.2屏体锈蚀：
屏体锈蚀主要是因为采用了镀锌钢板，其作为背板、龙骨，通过铆钉与面板连接，由于镀锌钢板开孔位置后防腐性能变差，产生锈点，进而引发大面积的腐蚀。轨道交通声屏障一旦安装，更换维保的难度大、成本高，并且锈蚀后整体强度难以保证，上海又处台风地区，因此对材料也应重新进行设计。
2.2材料设计
铝板质轻、防腐性能好，在金属屏体中为主要结构材料，常用作金属屏体面板、背板。
镀锌钢板成本低，强度好，一般应用在非铁路项目。
声屏障项目中作为背板和龙骨的主要材料，但由于边缘易腐蚀，影响结构安全。镀锌钢板的牌号为：DX51D+Z,Z后面的即为钢板的镀锌量。通过性能对比可知，铝板的综合性能更好，因此，建议面板、背板材料选用铝合金板，材质为3系或5系铝板，具体牌号范围需通过强度验算后进行确认。
2.3结构设计
根据调研的情况，尖劈结构无法较好的应用在轨道交通，无论是铝板还是镀锌板，铆钉对板材均有破坏，同等材质厚度下，金属屏体板材在不断的振动情况下，力直接作用在刚性点上（即铆钉点与焊接点），板材容易拉裂、铆钉容易拉断、焊接点脱焊，引起结构破坏。
因此在轨道交通中，需采用更好的金属屏体加工方式。
通过对声屏障行业调研可知，与轨道交通声屏障相同工况的还有高速铁路声屏障，高速铁路声屏障的脉动力荷载与振动均高于轨道交通，并对声屏障的抗疲劳有明确的指标要求：在4Hz频率下进行400万次的疲劳测试，以验证产品抵抗脉动力荷载的能力，因此，其金属屏体的结构值得借鉴，通过调研发现，高铁采用金属屏体为无铆钉设计，屏体没有刚性节点，板材依靠自身拉伸性能整体分担荷载，结构更为安全。
2.4吸隔声设计
本项目金属屏体降噪系数≥0.7，计权隔音量30dB(A)，由于铝板密度为2700kg/m3，而镀锌钢板为7850kg/m3，同厚度下隔音量低于镀锌钢板，为满足本项目计权隔音量的要求，本项目采用70kg/m3岩棉+8mm水泥板进行吸隔声设计。
3、降噪效果及力学模拟分析
3.1产品设计尺寸图
经上述设计分析后，上海轨道交通地铁17号线声屏障金属屏体采用1.5mm铝合金板作为面背板材料，面背板通过无铆钉扣合式，内部采用70kg/m3岩棉+8mm水泥板，设计图如下：
图1金属声屏障结构示意图
3.2金属声屏障单元板有限元模拟分析
本节采用非线性有限元分析程序ANSYS，建立三维有限元分析模型，对金属声屏障单元板的结构受力性能进行模拟分析。实际的声屏障单元板采用面板和背板插接的方式进行装配，插接部分为双层铝合金板叠合。根据实际结构的传力模式，对有限元模型进行了简化，将叠合部分的双层铝合金板偏保守地简化为单层铝合金板。
(1)结构分析所采用的单元
结构分析采用壳单元SHELL181来模拟；
(2)模型网格划分
在ANSYS中，进行对称式建模，即只建立一半模型，如图2(a）所示。在模拟中，以施加均布力进行分析，试件对称后的有限元模型如图2(b）所示。模型单元网格划分情况如图2(c）所示。
图2有限元模型图
(3)加载与边界条件
金属声屏障单元板通过橡胶条嵌插在H型钢立柱之间，视为侧向简支约束；整体放置在下方金属声屏障单元板上，视为竖向支承约束，如图3所示。
自重，通过给定材料密度，程序自动施加。竖向荷载直接施加在上缘板，模拟上部结构的荷载。面荷载直接施加在面板上，模拟自然风荷载和气动风压。
图3模拟荷载图
(4)计算工况及分析结果
根据金属声屏障单元板的实际工作状态，选用轻轨极限荷载（自重+180kg竖向荷载+3.15kPa面荷载）,计算结果如下:
图4工况分析图
轻轨极限荷载（自重+180kg竖向荷载+3.15kPa面外荷载）下，单元板等效应力最大值为111MPa，低于屈服强度160MPa，满足设计要求。面板的面外变形最大值为26.6mm，而主屏体面外变形最大值为3.3mm，小于允许变形值19.6mm，满足设计要求。
3.3抗弯曲断裂荷载验证
为验证抗弯曲断裂荷载，通过模拟实验室测试条件，逐级加载荷载，其加载结果如下：
表1抗弯曲断裂荷载加载情况表
该样品LA=1960mm，最大弹性挠度在B处，测量值为9mm；最大残余变形在A处与B处，测量值为2mm。满足TB/T3122要求，样品结构刚度满足标准要求，且有较大的性能冗余。
3.4实验室实测结果
通过检测，产品降噪系数0.76，计权隔音量33dB(A),抗疲劳性能满足450万次不破坏，抗弯曲断裂荷载8.0kpa,各项指标均优于设计要求。
4、结束语
通过对轨道交通声屏障金属屏体的设计与研究，使得上海地铁17号线声屏障工程顺利实施，产品外形优美整齐，产品寿命长达25年，降低了维保更换成本；各项指标优于设计，更是提高了安全系数，对上海轨道交通声屏障设计起到了推动与帮助的作用。
参考文献:
[1]相增辉,王双闪,兰桂柳,等.声屏障的发展历程及其发展趋势[J].声学技术,2016,(1).58-62
[2]刘磊.宁波轨道交通1号线声屏障设计中的若干问题研究[J].声学技术,2020,39(03):342-348.
彭翰泽.上海轨道交通17号线声屏障工程深化设计[J].四川水泥,2020(09):292-293
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