新型軌道吸聲板工程適用性優(yōu)化改進(jìn)研究

欒皓翔，朱萬旭，周紅梅，秦亦偲，酆磊

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006；

2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

新型軌道吸聲板工程適用性優(yōu)化改進(jìn)研究

欒皓翔1，朱萬旭2，3，周紅梅1，秦亦偲1，酆磊1

（1.廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西柳州 545006；

2.廣西巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；3.桂林理工大學(xué)土木與建筑工程學(xué)院，廣西桂林 541004）

地鐵軌道噪聲越來越成為地鐵發(fā)展的影響因素，用來降低地鐵軌道噪聲的水泥基陶粒軌道吸聲板越來越多地應(yīng)用在實(shí)際工程案例中。介紹了新型軌道吸聲板的制作工藝及其吸聲性能，并在保證吸聲性能的前提下，提出一些改進(jìn)優(yōu)化措施。并利用有限元分析軟件ANSYS對其進(jìn)行了力學(xué)性能對比分析，進(jìn)一步探究其工程適用性。

陶粒吸聲板；改進(jìn)優(yōu)化；ANSYS；適用性

0 前言

發(fā)聲體在非周期性震動時產(chǎn)生的聲音即噪聲，此時它的聲音波形圖是不規(guī)律的曲線。噪聲是由不同頻率和不同強(qiáng)度的聲音無規(guī)律的組合而產(chǎn)生。噪聲已經(jīng)成為軌道交通發(fā)展面臨的重要影響因素之一。但城市軌道交通的快速發(fā)展極大的改善了城市交通狀況，極好的方便了人們的出行同時推動了城市的經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展。如何在保證城市軌道交通快速發(fā)展的同時降低噪聲對人們的身心健康及城市整體環(huán)境的影響已經(jīng)成為越來越受人們重視的嚴(yán)重問題。因此各種吸聲降噪產(chǎn)品不斷地被研發(fā)出來，水泥基陶粒城市軌道吸聲板就是較好的產(chǎn)品之一，水泥基陶粒地鐵軌道吸聲板具有良好的吸聲性能，生產(chǎn)過程簡便，不會對環(huán)境造成污染[1]。同時能夠滿足設(shè)計和便利施工的要求，符合國家的吸聲降噪標(biāo)準(zhǔn)，能夠廣泛應(yīng)用于地鐵特殊的地下隧道環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 水泥基陶粒軌道吸聲板的制作

水泥基陶粒軌道吸聲板和其它形式的吸聲板相比，微穿孔形式的吸聲板僅對固定頻率的噪聲有一定效果，工程適用性受限制。礦物棉織品纖維類吸聲產(chǎn)品生產(chǎn)加工以及實(shí)際安裝施工過程都比較復(fù)雜。橡膠類的有機(jī)吸聲材料產(chǎn)品具有易燃的特性，并不能大范圍推廣使用。鋁纖維類金屬類吸聲產(chǎn)品可能會浪費(fèi)資源，而且產(chǎn)品造價比較貴，并沒有實(shí)際的工程推廣應(yīng)用價值。然而水泥基陶粒吸聲板的制備生產(chǎn)過程簡便，不會對環(huán)境造成污染，而且具有良好的吸聲降噪效果，同時實(shí)際工程的施工安裝，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值[2]。

1.1 水泥基陶粒軌道吸聲板的制作原材料

陶粒吸聲板能夠滿足設(shè)計和便利施工的要求，同時符合國家的吸聲降噪標(biāo)準(zhǔn)，能夠廣泛應(yīng)用于地鐵特殊的環(huán)境需要。水泥基陶粒軌道吸聲板的主要材料是陶粒、水泥、外加劑等。

粉煤灰陶粒是以工業(yè)廢渣或廢棄的礦物廢料、劣質(zhì)頁巖等為原料，摻入少量粘結(jié)劑、添加劑等，經(jīng)過混合、成球、免燒結(jié)等工藝制作而成的一種人造輕骨料，屬于綠色環(huán)保型建筑材料[3-4]。它具有孔隙率大、密度小、抗凍融、抗堿集料反應(yīng)性優(yōu)異、抗震耐磨等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于地鐵、高鐵等特殊環(huán)境中，以達(dá)到吸聲降噪的效果。

水泥是吸聲制品的另一個主要原材料，水泥基陶粒吸聲板選用P·O42.5水泥及P·O52.5水泥，吸聲材料的強(qiáng)度主要由陶粒強(qiáng)度、水泥強(qiáng)度、陶粒和水泥之間的粘結(jié)力共同決定，水泥作為水硬性無機(jī)膠凝材料，硬化后的強(qiáng)度發(fā)展對吸聲材料的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。

聚丙烯纖維性質(zhì)比較穩(wěn)定，與水泥及外加劑不會發(fā)生任何沖突，在混凝土中具有良好的抗裂性能。纖維加入混凝土中可起到三維亂向分布的網(wǎng)狀承托作用，阻礙混凝土內(nèi)部形成微裂紋，從而提高材料的抗裂性能。

吸聲板的制作過程中會加入一定量的減水劑，減水率20%左右。吸聲材料的結(jié)構(gòu)要求其制作時采用較小的水灰比，當(dāng)用水量較少時，其拌合料干硬而松散，和易性不佳，不易成型。加入減水劑之后，在保證和易性的情況下，減少拌合物的用水量，從而提高吸聲材料的早期強(qiáng)度和最終強(qiáng)度。

此外，粉煤灰陶粒制作過程中還會加入少量的防水劑，加入防水劑會使得材料具有疏水功能，當(dāng)外部灰塵飄落到表面或空隙中，有雨水沖刷時，能多方向快速排水，帶走表面和空隙中的灰塵，凈化了吸聲板的表面和內(nèi)部空隙，從而保證吸聲效果穩(wěn)定。

水泥基陶粒吸聲材料的基準(zhǔn)配合比見表1。

表1 水泥基陶粒吸聲材料的基準(zhǔn)配合比

1.2 水泥基陶粒軌道吸聲板的生產(chǎn)工藝流程

（1）準(zhǔn)備工作。將攪拌機(jī)試運(yùn)轉(zhuǎn)2 min，壓模開啟振動2 min，檢查設(shè)備是否工作正常。檢查輸電系統(tǒng)，保證無漏電現(xiàn)象。檢查鋼模具尺寸、外形，保證鋼模符合標(biāo)準(zhǔn)。檢查原材料是否齊全，以便提前備料，保證生產(chǎn)工作的正常進(jìn)行。查看攪拌時原材料配合比是否正確，查看原材料的配合比，準(zhǔn)備好原材料，并對陶粒表面進(jìn)行灑水預(yù)濕。

（2）攪拌。將粗陶粒、細(xì)陶粒、水泥等原材料逐次加入攪拌機(jī)中攪拌均勻3 min，最后加入水?dāng)嚢?，直至將拌均勻?/p>

（3）裝模成形。事先準(zhǔn)備安放好模板，將攪拌均勻的拌合料倒入模板內(nèi)，同時在拌合料內(nèi)部布置適量的玻璃纖維筋，放到震動臺上震動密實(shí)。

（4）拆模養(yǎng)護(hù)。拆模并檢查表面及側(cè)面是否密實(shí)、平整，尺寸是否符合標(biāo)準(zhǔn)。在拆模時不得觸碰擠壓吸聲板，以防出現(xiàn)塌邊現(xiàn)象。參考現(xiàn)場天氣情況決定是否定期灑水養(yǎng)護(hù)。

吸聲板的生產(chǎn)尺寸和三維CAD分別如圖1、圖2所示。

圖1 吸聲板的平面尺寸示意

圖2 吸聲板三維CAD示意

2 水泥基陶粒吸聲板的吸聲性能及有限元模擬分析

2.1 水泥基陶粒軌道吸聲板的吸聲性能分析

在地鐵地下的隧道空間內(nèi)，聲音會不斷的傳播、輻射且反射，會產(chǎn)生一定的疊加效應(yīng)，使得噪聲污染更加難以解決。參考室內(nèi)聲場的研究理論，預(yù)測軌道吸聲板降噪值時，采用統(tǒng)計聲學(xué)和幾何聲學(xué)的方法[1，5]。

設(shè)表面積為S，平均吸聲系數(shù)為a（遠(yuǎn)小于1），按式（1）計算房間系數(shù)R：

設(shè)輪軌噪聲源附近放置吸聲板前后的房間常數(shù)分別為R1、R2，輪軌噪聲聲源的聲功率級為Lw，則距聲源r處相應(yīng)的聲壓級分別為：

放置軌道吸聲板前后輪軌噪聲聲源的聲壓級之差，即各點(diǎn)的吸聲降噪量為：

可以看出，當(dāng)測點(diǎn)不受直射聲影響時降噪量最大，該式可以簡化為：設(shè)V為體積，混響時間T可按式（6）計算：

代入前式得：

參考實(shí)際的工程條件，取隧道壁的吸聲系數(shù)為0.06，取吸聲板的吸聲系數(shù)為0.89，吸聲板的表面積為1.2 m2，圓形盾構(gòu)的直徑為5.4 m，鋪設(shè)吸聲板前后的混響時間及吸聲板理論降噪量分別為：T1=3.62 s，T2=1.67 s，VLP=3.4 dB。

從理論計算結(jié)果可見，此種類型的水泥基軌道吸聲板的吸聲降噪效果很好。

2.2 水泥基陶粒軌道吸聲板的有限元模擬分析

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)行業(yè)規(guī)范，水泥基陶粒軌道吸聲板需要滿足一定的技術(shù)使用要求：28 d抗壓強(qiáng)度≥8.0 MPa，抗折強(qiáng)度≥2.0 MPa。借助于專業(yè)有限元分析軟件ANSYS對水泥基陶粒吸聲板進(jìn)行有限元受力分析[6-7]。

根據(jù)吸聲板結(jié)構(gòu)和受力薄弱位置的對稱性原則進(jìn)行建立模型。吸聲板模型選取solid185實(shí)體單元劃分六面體網(wǎng)格，彈性模量取20 000 GPa，泊松比取0.167，在極限使用狀態(tài)下，薄弱位置上受到均布荷載作用，如圖3～圖6所示。

圖3 吸聲板的ANSYS計算模型

圖4 吸聲板的荷載以及約束示意

圖5 吸聲板的總位移

圖6 吸聲板的第一主應(yīng)力

由圖5和圖6的計算結(jié)果可得，吸聲板在安裝過程和實(shí)際使用狀態(tài)下的薄弱位置加上荷載以后，其受最大拉應(yīng)力為0.545 MPa，最大壓應(yīng)力為0.05 MPa，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸聲板試塊的強(qiáng)度值，吸聲板的最大位移為0.042 mm，位移量非常小。所以，軌道吸聲板在施工安裝過程和實(shí)際使用狀態(tài)下都是安全穩(wěn)定的。

3 水泥基陶粒吸聲板結(jié)構(gòu)構(gòu)造優(yōu)化研究

從吸聲板的工程實(shí)際應(yīng)用情況中發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有軌道吸聲板的結(jié)構(gòu)構(gòu)造比較復(fù)雜，吸聲板的原有外形尺寸比較大，棱角比較多而密。在吸聲板的制作過程中，混凝土的澆筑與養(yǎng)護(hù)是十分重要的環(huán)節(jié)，因?yàn)椴灰?guī)整的特殊外觀形式，模具的拼裝與整合就會比較復(fù)雜繁瑣，澆筑與養(yǎng)護(hù)過程中，并不能保證混凝土?xí)涯＞叩撞拷锹湟赃_(dá)到相應(yīng)的強(qiáng)度等級要求。同時由于過大的外形和比較大的自重，會對施工人員提出較高的要求，而且在實(shí)際工程應(yīng)用施工過程中，地鐵軌道絕大多數(shù)處于地下隧道的狹小空間里，吸聲板的復(fù)雜外形會在鋪設(shè)安裝的過程造成一定的困難。所以在保證吸時降噪性能不變的情況下，研究其優(yōu)化改進(jìn)措施。

3.1 水泥基陶粒吸聲板構(gòu)造優(yōu)化

在充分考慮吸聲板的結(jié)構(gòu)構(gòu)造的前提下，現(xiàn)在的吸聲板外形尺寸如圖1所示，經(jīng)過重新考察設(shè)計，在原有吸聲板的基礎(chǔ)上經(jīng)過改進(jìn)優(yōu)化以后得到一種全新尺寸的吸聲板，其尺寸大小及外形如圖7和圖8所示。

圖7 新型吸聲板的平面尺寸

圖8 新型吸聲板的三維CAD示意

通過對比圖1、圖2和圖7、圖8可以發(fā)現(xiàn)，2種類型的吸聲板外形變化較大。但根據(jù)尺寸示意圖所示，在先有的軌道吸聲板的預(yù)留孔洞凹槽內(nèi)，鋪設(shè)安裝兩塊改進(jìn)后的新型吸聲板，在兩塊吸聲板之間安裝橡膠墊，達(dá)到減振緩沖的效果，同時恰好能滿足孔洞凹槽的尺寸要求。并且兩者都有內(nèi)部空腔，經(jīng)理論計算發(fā)現(xiàn)吸聲降噪效果基本接近。

3.2 水泥基軌道吸聲板應(yīng)用優(yōu)化

改進(jìn)前后1塊軌道吸聲板的預(yù)留孔洞安裝示意如圖9、圖10所示。

圖9 改進(jìn)前軌道吸聲板拼裝示意

圖10 改進(jìn)后軌道吸時板拼裝示意

從圖9、圖10可以看出，改進(jìn)后的吸聲板與改進(jìn)前吸聲板相比較，減小了尺寸，改進(jìn)后的吸聲板在中間有改成圓弧的地方。在同樣以水泥基陶?；炷翞樵牧系那闆r下，可以有效減輕自重，更加方便施工過程中工作人員進(jìn)行鋪設(shè)安裝。同時吸聲板的外形也有很大的改變，這樣不僅對制作過程中因?yàn)閺?fù)雜的外形，而可能會使模具底部角落的混凝土振搗不密實(shí)的問題得到有效改善。在后期的養(yǎng)護(hù)過程中也會方便很多。

4 優(yōu)化改進(jìn)后的水泥基陶粒軌道吸聲板受力分析

參考原有吸聲板的模型建立過程，改進(jìn)后的吸聲板同樣模型選取solid185實(shí)體單元劃分六面體網(wǎng)格，彈性模量取20 000 GPa，泊松比取0.167，在極限使用狀態(tài)下，薄弱位置上受到均布荷載作用，如圖11～圖14所示。

圖11 改進(jìn)后吸聲板的ANSYS計算模型

圖12 吸聲板的荷載以及約束示意

圖13 改進(jìn)后吸聲板的總位移

圖14 改進(jìn)后吸聲板的第一主應(yīng)力

從圖13和圖14可知，吸聲板在安裝過程和實(shí)際使用狀態(tài)下的薄弱位置加上荷載以后，其受最大拉應(yīng)力為1.51 MPa，最大壓應(yīng)力為0.015 MPa，均遠(yuǎn)小于吸聲板試塊的強(qiáng)度值，吸聲板的最大位移為0.013 mm，位移量非常小。由此可知，吸聲板在安裝過程和實(shí)際使用狀態(tài)下是安全穩(wěn)定的。而且和原有吸聲板相比，改進(jìn)優(yōu)化吸聲板的最大位移量要小的多，所以更能安全穩(wěn)定地適用于更多地鐵吸聲工程。

5 結(jié)論

（1）陶粒地鐵軌道吸聲板的生產(chǎn)過程簡便，不會對環(huán)境造成二次污染。同時根據(jù)理論計算結(jié)果可知，軌道吸聲板具有良好的吸聲降噪性能，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

（2）改進(jìn)前吸聲板的最大拉應(yīng)力為0.545 MPa，最大壓應(yīng)力為0.04 MPa，吸聲板的最大位移為0.042 mm。改進(jìn)后的吸聲板的最大拉應(yīng)力為1.51 MPa，最大壓應(yīng)力為0.015 MPa，吸聲板的最大位移為0.013 mm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于吸聲板試塊的強(qiáng)度值，位移量非常小。改進(jìn)后吸聲板性能均能滿足安全使用的要求。

（3）改進(jìn)后吸聲板和原有吸聲板相比較，在保證吸聲降噪效果的前提下，結(jié)構(gòu)構(gòu)造得到優(yōu)化，減輕了自重，更方便于吸聲板的施工安裝，而且在極限使用狀態(tài)下的薄弱位置的位移也更小，更能適用于較為復(fù)雜的地鐵隧道環(huán)境。

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The studies on the applicability improvement and the optimization of new tracks sound-absorbing boards

LUAN Haoxiang1，ZHU Wanxu2，3，ZHOU Hongmei1，QIN Yicai1，F(xiàn)ENG Lei1
（1.College of Civil and Architecture Engineering，Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou 545006，China；2.Guangxi Key Laboratory For Geotechnics，Guilin 541004，China；3.College of Civil and Architecture Engineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China）

Metro rail noise is becoming more and more influential factor for the development of the subway.The cement track ceramsite sound-absorbing boards reducing the noise are increasing applied in practical cases.This article describes the production process of new tracks sound-absorbing boards and their acoustic performance，and in the premise of the sound absorption performance，then put forward some improvement measures.The finite element analysis software ANSYS are used to analyze and compare the mechanical properties of the boards.Then explore their engineering applicability further.

ceramic sound-absorbing board，improvement and optimization，ANSYS，applicability

TU74

A

1001-702X（2016）07-0120-05

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項(xiàng)目（桂科攻1598007-5）

2015-12-30

欒浩翔，男，1992年生，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖ滦铜h(huán)保材料的研發(fā)。