【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种铁路插板式声屏障动力分析方法，特别涉及一种基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，属于噪声控制。
技术介绍
1、为降低铁路对沿线声环境影响，声屏障是广泛应用的降噪基础设施。现有的铁路声屏障，一般按照通用参考图设计设施，绝大部分为直立插板式声屏障。铁路声屏障属于典型轨旁设施，需承受列车高速通过引起的气动荷载作用，动力性能分析是评估结构安全可靠性的重要环节。
2、目前，现有的铁路声屏障，主要依据《铁路声屏障工程设计规范》(tb 10505-2019)开展结构设计，采用静力检算方法评估均布荷载作用工况下声屏障的力学性能。由于设计荷载与实际气动荷载作用情况存在差异，未能真实反映声屏障的动力作用特征。静力检算方法重点评估受力最大区域，即将荷载传递至桥梁的声屏障基础区域，对于单元板与钢立柱的挤压接触约束方式考虑不充分，难以准确描述单元板等主要构件的动力响应情况。
3、因此，建立铁路插板式声屏障动力响应分析方法，真实反映声屏障的动力作用特征，准确描述单元板等主要构件的动力响应情况，为声屏障结构设计与性能评估提供重要的技术手段，就成为该
急需解决的技术难题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种铁路插板式声屏障动力响应分析方法，基于插板式声屏障的构造特点，考虑受接触状态影响的非线性板柱连接刚度，建立声屏障动力分析模型，揭示列车激励作用下声屏障主要构件的动力作用机理，并获得结构动力响应特征，为声屏障结构设计与性能评估提供指导。p>
2、本专利技术的上述目的是通过以下技术方案达到的：
3、一种基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，包括如下步骤：
4、(1)构建铁路插板式声屏障动力分析模型；
5、(2)确定插板式声屏障结构动力分析关键参数取值；
6、按照声屏障安装施工状态，确定结构动力分析关键参数，包括动力控制方程中涉及的相关动力学参数以及边界条件；
7、(3)获取列车对声屏障的气动荷载
8、通过现场试验测量、经验值或气动仿真计算等方式获取列车对声屏障的气动荷载，将第i块单元板面积内的列车气动压力积分得到作用外力pi。
9、(4)数值求解声屏障结构的振动响应。
10、优选地，步骤(1)中，插板式声屏障主要构件包括h型钢立柱与单元板，采用等截面悬臂梁的动力控制方程，建立h型立柱的动力分析模型；考虑单元板具有较高的弯曲刚度，采用刚体运动方程，建立单元板的动力分析模型；考虑插板式声屏障的单元板与h型立柱之间胶条的挤压接触形成约束关系，通过弹簧与阻尼器模型描述单元板与h型立柱之间动力传递关系，不失一般性，定义x方向为横向振动方向，以远离线路方向运动为正，y方向为沿线路方向，z方向为声屏障高度方向，构建铁路插板式声屏障动力控制方程：
11、
12、
13、其中，t代表时间，eiy为h型钢立柱抗弯刚度，ρa为单位长度质量，ξ表示动挠度，z表示钢立柱高度位置；根据插板式声屏障的构造情况，每跨结构共有j块单元板堆叠而成，为便于模型描述，将单元板自下而上依次编号，以小标i区分不同高度的单元板，第i块单元板的质量和动位移分别为mi和xi，第i块单元板的板柱连接关系采用弹簧ki与阻尼器ci的组合方式进行描述，ki表示刚度系数，ci表示板柱连接阻尼系数，pi为作用于第i块单元板的列车气动力，p(z,t)为单元板通过约束弹簧及阻尼器传递给立柱的作用力，ξi表示第i块单元板对于高度处h型钢立柱动挠度，xi表示第i块单元板的动位移，mi表示第i块单元板的质量，ξ、ξi和xi上标“·”与“··”分别代表时间的一阶导数与二阶导数，对应速度与加速度；
14、动力分析模型还包括结构的边界条件与初始条件，h型钢边界条件为一端自由、另一端由螺栓约束状态决定，即：
15、ξ(0,t)＝f1,f1与f2是与螺栓紧固状态相关的参数；初始条件由为结构初速度及初位移均为0表示，即ξ(z,0)＝0,xi(0)＝0,
16、优选地，步骤(2)中，单元板板柱连接刚度考虑单元板内外侧胶条两个接触面的接触状态差异引起的非线性特征，采用分段线性函数描述，由板柱相对位移决定取值，如下式所示：
17、
18、其中，当第i块单元板位移xi大于或等于对应h型钢立柱高度处ξi时，刚度系数选取为ki+；当第i块单元板位移xi小于对应h型钢立柱高度处ξi时，刚度系数选取为ki﹣。
19、优选地，由于板柱间橡胶件非简单压缩变形状态，不宜直接用橡胶材料的弹性模量表征板柱连接刚度，考虑到接触变形的复杂性，按照不同的分析目的，确定适宜的取值方法：对于未实施的项目，根据类似项目的动力响应测试结果，采用类比方式，确定板柱连接刚度的取值范围；对于已实施的项目，根据列车较低速度通过工况或人工锤击工况下动位移实测结果，反演非线性板柱连接刚度。
20、优选地，步骤(2)中，板柱连接阻尼系数ci通过实验测量或参考橡胶材料的损耗因子确定。
21、优选地，步骤(2)中，动力控制方程中涉及的h型钢立柱抗弯刚度eiy与单位长度质量ρa、单元板质量mi通过实验测量或依据产品规格书、设计资料、检测报告等方式获取。
22、优选地，步骤(2)中，h型钢立柱边界条件由安装施工状态确定，在安装条件正常情况下，一端为自由边界、另一端为固支边界；当h型钢立柱螺栓松脱或紧固效果不佳时，通过模态试验确定边界条件。
23、优选地，步骤(3)中，列车对声屏障的气动荷载通过布设风压传感器，现场测试或类比测试获取，根据列车气动荷载沿声屏障高度方向的分布特征，采取靠近基础处测点布置稀松、靠近结构顶部测点布置密集的方式获取列车经过声屏障的压力信号，并通过数据拟合获得压力的垂向分布情况，进而得到各个单元板的作用外力。
24、优选地，步骤(4)具体如下：以高速列车距观测点具有一定距离为起始时刻，假设立柱与单元板的初始位移与初始速度均为零，以主要构件位移、速度与加速度为基本量，采用数值计算方法进行迭代计算，并通过联立求解方程组，获得各时间步长的基本量，获得声屏障结构的动力响应。
25、优选地，步骤(4)中，为求解铁路插板式声屏障动力控制非线性方程组，h型钢立柱动挠度采用模态叠加法描述，任意激励下，单元板的动位移采用杜哈梅积分描述，如下式所示：
26、
27、
28、其中，ωn和ωd分别为第i块单元板在对应约束状态下的固有频率与自然频率，ai为第i块单元板的阻尼比，wn(z)为悬臂梁的第n阶模态振型函数，模态振型函数的选取应覆盖关心频段，qn(t)为对应的时间函数；τ表示时间积分变量。
29、有益效果：
30、与现有技术相比，本专利技术的基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，基于插板式声屏障的构造特点，考虑了接触状态差异引起的板柱连接刚度非线性特征，建立本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，步骤如下：
2.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述板柱间动力传递关系，即单元板板柱连接刚度，考虑单元板内外侧胶条两个接触面的接触状态差异引起的非线性特征，采用分段线性函数描述。
3.根据权利要求2所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，所述非线性特征，即非线性连接刚度，通过类比测试、列车较低速度通过工况或人工锤击工况下动位移实测结果反演获得。
4.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述边界条件：通过模态试验确定边界条件，用于分析螺栓松脱或紧固效果不佳时结构动力响应。
5.根据权利要求4所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述边界条件：H型钢立柱安装条件正常情况下，一端为自由边界、另一端为固支边界。
6.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏
7.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述动力控制方程中涉及的相关动力学参数以及边界条件。
8.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述动力控制方程如下：
9.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(4)具体如下：H型钢立柱动挠度，采用模态叠加法描述，任意激励下单元板的动位移，采用杜哈梅积分描述，带入动力控制方程，以主要构件位移、速度与加速度为基本量，将力函数按分析时间步长，采用分段线性方式或其他高精度方式逼近，采用数值计算方法进行迭代计算，并通过联立求解方程组，获得各时间步长的基本量，获得声屏障结构的动力响应。
10.根据权利要求9所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，所述杜哈梅积分描述，如下式所示：
...【技术特征摘要】
1.一种基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，步骤如下：
2.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(1)中，所述板柱间动力传递关系，即单元板板柱连接刚度，考虑单元板内外侧胶条两个接触面的接触状态差异引起的非线性特征，采用分段线性函数描述。
3.根据权利要求2所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，所述非线性特征，即非线性连接刚度，通过类比测试、列车较低速度通过工况或人工锤击工况下动位移实测结果反演获得。
4.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述边界条件：通过模态试验确定边界条件，用于分析螺栓松脱或紧固效果不佳时结构动力响应。
5.根据权利要求4所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其特征在于，步骤(2)中，所述边界条件：h型钢立柱安装条件正常情况下，一端为自由边界、另一端为固支边界。
6.根据权利要求1所述基于接触非线性效应的铁路插板式声屏障动力响应分析方法，其...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈兴，刘兰华，伍向阳，周铁军，潘永琛，张毅超，王翀宇，
申请(专利权)人：中国铁道科学研究院集团有限公司节能环保劳卫研究所，
类型：发明
国别省市：
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