新型轨道吸声板工程适用性优化改进研究

栾皓翔，朱万旭，周红梅，秦亦偲，酆磊

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；

2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004）

新型轨道吸声板工程适用性优化改进研究

栾皓翔1，朱万旭2，3，周红梅1，秦亦偲1，酆磊1

（1.广西科技大学土木建筑工程学院，广西柳州 545006；

2.广西岩土力学与工程重点实验室，广西桂林 541004；3.桂林理工大学土木与建筑工程学院，广西桂林 541004）

地铁轨道噪声越来越成为地铁发展的影响因素，用来降低地铁轨道噪声的水泥基陶粒轨道吸声板越来越多地应用在实际工程案例中。介绍了新型轨道吸声板的制作工艺及其吸声性能，并在保证吸声性能的前提下，提出一些改进优化措施。并利用有限元分析软件ANSYS对其进行了力学性能对比分析，进一步探究其工程适用性。

陶粒吸声板；改进优化；ANSYS；适用性

0 前言

发声体在非周期性震动时产生的声音即噪声，此时它的声音波形图是不规律的曲线。噪声是由不同频率和不同强度的声音无规律的组合而产生。噪声已经成为轨道交通发展面临的重要影响因素之一。但城市轨道交通的快速发展极大的改善了城市交通状况，极好的方便了人们的出行同时推动了城市的经济文化发展。如何在保证城市轨道交通快速发展的同时降低噪声对人们的身心健康及城市整体环境的影响已经成为越来越受人们重视的严重问题。因此各种吸声降噪产品不断地被研发出来，水泥基陶粒城市轨道吸声板就是较好的产品之一，水泥基陶粒地铁轨道吸声板具有良好的吸声性能，生产过程简便，不会对环境造成污染[1]。同时能够满足设计和便利施工的要求，符合国家的吸声降噪标准，能够广泛应用于地铁特殊的地下隧道环境，具有广阔的应用前景。

1 水泥基陶粒轨道吸声板的制作

水泥基陶粒轨道吸声板和其它形式的吸声板相比，微穿孔形式的吸声板仅对固定频率的噪声有一定效果，工程适用性受限制。矿物棉织品纤维类吸声产品生产加工以及实际安装施工过程都比较复杂。橡胶类的有机吸声材料产品具有易燃的特性，并不能大范围推广使用。铝纤维类金属类吸声产品可能会浪费资源，而且产品造价比较贵，并没有实际的工程推广应用价值。然而水泥基陶粒吸声板的制备生产过程简便，不会对环境造成污染，而且具有良好的吸声降噪效果，同时实际工程的施工安装，具有广泛的推广应用价值[2]。

1.1 水泥基陶粒轨道吸声板的制作原材料

陶粒吸声板能够满足设计和便利施工的要求，同时符合国家的吸声降噪标准，能够广泛应用于地铁特殊的环境需要。水泥基陶粒轨道吸声板的主要材料是陶粒、水泥、外加剂等。

粉煤灰陶粒是以工业废渣或废弃的矿物废料、劣质页岩等为原料，掺入少量粘结剂、添加剂等，经过混合、成球、免烧结等工艺制作而成的一种人造轻骨料，属于绿色环保型建筑材料[3-4]。它具有孔隙率大、密度小、抗冻融、抗碱集料反应性优异、抗震耐磨等特点，被广泛应用于地铁、高铁等特殊环境中，以达到吸声降噪的效果。

水泥是吸声制品的另一个主要原材料，水泥基陶粒吸声板选用P·O42.5水泥及P·O52.5水泥，吸声材料的强度主要由陶粒强度、水泥强度、陶粒和水泥之间的粘结力共同决定，水泥作为水硬性无机胶凝材料，硬化后的强度发展对吸声材料的力学性能起着至关重要的作用。

聚丙烯纤维性质比较稳定，与水泥及外加剂不会发生任何冲突，在混凝土中具有良好的抗裂性能。纤维加入混凝土中可起到三维乱向分布的网状承托作用，阻碍混凝土内部形成微裂纹，从而提高材料的抗裂性能。

吸声板的制作过程中会加入一定量的减水剂，减水率20%左右。吸声材料的结构要求其制作时采用较小的水灰比，当用水量较少时，其拌合料干硬而松散，和易性不佳，不易成型。加入减水剂之后，在保证和易性的情况下，减少拌合物的用水量，从而提高吸声材料的早期强度和最终强度。

此外，粉煤灰陶粒制作过程中还会加入少量的防水剂，加入防水剂会使得材料具有疏水功能，当外部灰尘飘落到表面或空隙中，有雨水冲刷时，能多方向快速排水，带走表面和空隙中的灰尘，净化了吸声板的表面和内部空隙，从而保证吸声效果稳定。

水泥基陶粒吸声材料的基准配合比见表1。

表1 水泥基陶粒吸声材料的基准配合比

1.2 水泥基陶粒轨道吸声板的生产工艺流程

（1）准备工作。将搅拌机试运转2 min，压模开启振动2 min，检查设备是否工作正常。检查输电系统，保证无漏电现象。检查钢模具尺寸、外形，保证钢模符合标准。检查原材料是否齐全，以便提前备料，保证生产工作的正常进行。查看搅拌时原材料配合比是否正确，查看原材料的配合比，准备好原材料，并对陶粒表面进行洒水预湿。

（2）搅拌。将粗陶粒、细陶粒、水泥等原材料逐次加入搅拌机中搅拌均匀3 min，最后加入水搅拌，直至将拌均匀。

（3）装模成形。事先准备安放好模板，将搅拌均匀的拌合料倒入模板内，同时在拌合料内部布置适量的玻璃纤维筋，放到震动台上震动密实。

（4）拆模养护。拆模并检查表面及侧面是否密实、平整，尺寸是否符合标准。在拆模时不得触碰挤压吸声板，以防出现塌边现象。参考现场天气情况决定是否定期洒水养护。

吸声板的生产尺寸和三维CAD分别如图1、图2所示。

图1 吸声板的平面尺寸示意

图2 吸声板三维CAD示意

2 水泥基陶粒吸声板的吸声性能及有限元模拟分析

2.1 水泥基陶粒轨道吸声板的吸声性能分析

在地铁地下的隧道空间内，声音会不断的传播、辐射且反射，会产生一定的叠加效应，使得噪声污染更加难以解决。参考室内声场的研究理论，预测轨道吸声板降噪值时，采用统计声学和几何声学的方法[1，5]。

设表面积为S，平均吸声系数为a（远小于1），按式（1）计算房间系数R：

设轮轨噪声源附近放置吸声板前后的房间常数分别为R1、R2，轮轨噪声声源的声功率级为Lw，则距声源r处相应的声压级分别为：

放置轨道吸声板前后轮轨噪声声源的声压级之差，即各点的吸声降噪量为：

可以看出，当测点不受直射声影响时降噪量最大，该式可以简化为：设V为体积，混响时间T可按式（6）计算：

代入前式得：

参考实际的工程条件，取隧道壁的吸声系数为0.06，取吸声板的吸声系数为0.89，吸声板的表面积为1.2 m2，圆形盾构的直径为5.4 m，铺设吸声板前后的混响时间及吸声板理论降噪量分别为：T1=3.62 s，T2=1.67 s，VLP=3.4 dB。

从理论计算结果可见，此种类型的水泥基轨道吸声板的吸声降噪效果很好。

2.2 水泥基陶粒轨道吸声板的有限元模拟分析

根据国家标准和有关行业规范，水泥基陶粒轨道吸声板需要满足一定的技术使用要求：28 d抗压强度≥8.0 MPa，抗折强度≥2.0 MPa。借助于专业有限元分析软件ANSYS对水泥基陶粒吸声板进行有限元受力分析[6-7]。

根据吸声板结构和受力薄弱位置的对称性原则进行建立模型。吸声板模型选取solid185实体单元划分六面体网格，弹性模量取20 000 GPa，泊松比取0.167，在极限使用状态下，薄弱位置上受到均布荷载作用，如图3～图6所示。

图3 吸声板的ANSYS计算模型

图4 吸声板的荷载以及约束示意

图5 吸声板的总位移

图6 吸声板的第一主应力

由图5和图6的计算结果可得，吸声板在安装过程和实际使用状态下的薄弱位置加上荷载以后，其受最大拉应力为0.545 MPa，最大压应力为0.05 MPa，均远远小于吸声板试块的强度值，吸声板的最大位移为0.042 mm，位移量非常小。所以，轨道吸声板在施工安装过程和实际使用状态下都是安全稳定的。

3 水泥基陶粒吸声板结构构造优化研究

从吸声板的工程实际应用情况中发现，现有轨道吸声板的结构构造比较复杂，吸声板的原有外形尺寸比较大，棱角比较多而密。在吸声板的制作过程中，混凝土的浇筑与养护是十分重要的环节，因为不规整的特殊外观形式，模具的拼装与整合就会比较复杂繁琐，浇筑与养护过程中，并不能保证混凝土会把模具底部角落以达到相应的强度等级要求。同时由于过大的外形和比较大的自重，会对施工人员提出较高的要求，而且在实际工程应用施工过程中，地铁轨道绝大多数处于地下隧道的狭小空间里，吸声板的复杂外形会在铺设安装的过程造成一定的困难。所以在保证吸时降噪性能不变的情况下，研究其优化改进措施。

3.1 水泥基陶粒吸声板构造优化

在充分考虑吸声板的结构构造的前提下，现在的吸声板外形尺寸如图1所示，经过重新考察设计，在原有吸声板的基础上经过改进优化以后得到一种全新尺寸的吸声板，其尺寸大小及外形如图7和图8所示。

图7 新型吸声板的平面尺寸

图8 新型吸声板的三维CAD示意

通过对比图1、图2和图7、图8可以发现，2种类型的吸声板外形变化较大。但根据尺寸示意图所示，在先有的轨道吸声板的预留孔洞凹槽内，铺设安装两块改进后的新型吸声板，在两块吸声板之间安装橡胶垫，达到减振缓冲的效果，同时恰好能满足孔洞凹槽的尺寸要求。并且两者都有内部空腔，经理论计算发现吸声降噪效果基本接近。

3.2 水泥基轨道吸声板应用优化

改进前后1块轨道吸声板的预留孔洞安装示意如图9、图10所示。

图9 改进前轨道吸声板拼装示意

图10 改进后轨道吸时板拼装示意

从图9、图10可以看出，改进后的吸声板与改进前吸声板相比较，减小了尺寸，改进后的吸声板在中间有改成圆弧的地方。在同样以水泥基陶粒混凝土为原材料的情况下，可以有效减轻自重，更加方便施工过程中工作人员进行铺设安装。同时吸声板的外形也有很大的改变，这样不仅对制作过程中因为复杂的外形，而可能会使模具底部角落的混凝土振捣不密实的问题得到有效改善。在后期的养护过程中也会方便很多。

4 优化改进后的水泥基陶粒轨道吸声板受力分析

参考原有吸声板的模型建立过程，改进后的吸声板同样模型选取solid185实体单元划分六面体网格，弹性模量取20 000 GPa，泊松比取0.167，在极限使用状态下，薄弱位置上受到均布荷载作用，如图11～图14所示。

图11 改进后吸声板的ANSYS计算模型

图12 吸声板的荷载以及约束示意

图13 改进后吸声板的总位移

图14 改进后吸声板的第一主应力

从图13和图14可知，吸声板在安装过程和实际使用状态下的薄弱位置加上荷载以后，其受最大拉应力为1.51 MPa，最大压应力为0.015 MPa，均远小于吸声板试块的强度值，吸声板的最大位移为0.013 mm，位移量非常小。由此可知，吸声板在安装过程和实际使用状态下是安全稳定的。而且和原有吸声板相比，改进优化吸声板的最大位移量要小的多，所以更能安全稳定地适用于更多地铁吸声工程。

5 结论

（1）陶粒地铁轨道吸声板的生产过程简便，不会对环境造成二次污染。同时根据理论计算结果可知，轨道吸声板具有良好的吸声降噪性能，具有广阔的推广应用前景。

（2）改进前吸声板的最大拉应力为0.545 MPa，最大压应力为0.04 MPa，吸声板的最大位移为0.042 mm。改进后的吸声板的最大拉应力为1.51 MPa，最大压应力为0.015 MPa，吸声板的最大位移为0.013 mm，均远远小于吸声板试块的强度值，位移量非常小。改进后吸声板性能均能满足安全使用的要求。

（3）改进后吸声板和原有吸声板相比较，在保证吸声降噪效果的前提下，结构构造得到优化，减轻了自重，更方便于吸声板的施工安装，而且在极限使用状态下的薄弱位置的位移也更小，更能适用于较为复杂的地铁隧道环境。

[1]刘玮.轨道吸音板在北京地铁工程中的设计与应用[J].铁道勘察，2015（2）：106-108.

[2]马大猷.现代声学理论基础[M].北京：科学出版社，2004.

[3]周栋梁，张志强，李付刚.水泥基复合多孔吸声材料的制备方法和性能[J].噪声与振动控制，2008（4）：136-138.

[4]张守梅，曾令可，张明.地铁多孔吸声材料的研制[J].新型建筑材料，2003（5）：60-62.

[5]何本国.ANSYS土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2011.

[6]刘莲香，曾令可，候来广，等.利用陶粒制备地铁吸音材料[J].砖瓦，2005（6）：55-57.

[7]Saeed Moaveni.有限元分析：ANSYS理论与应用[M].欧阳宇，王崧，等译.北京：电子工业出版社，2011：260-294.

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

LUAN Haoxiang1，ZHU Wanxu2，3，ZHOU Hongmei1，QIN Yicai1，FENG 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

广西科学研究与技术开发计划项目（桂科攻1598007-5）

2015-12-30

栾浩翔，男，1992年生，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为建筑新型环保材料的研发。