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摘要：为了探讨不同面密度的吸声板给声屏障结构设计所带来的影响，以此减少交通噪声对民众生活的干扰，本文分别选择40kg/㎡、60kg/㎡、80kg/㎡这三种面密度的吸声板作为声屏障，通过有限元法来对声屏障结构进行模态分析，将测试条件中的台风荷载数值设置成8KPa，以此分析声屏障内部的稳态结构。经测试结果证明，当振动频率为1阶与2阶时，这两种吸声板所产生的振动频率存在不同差异，而当振动频率达到3阶以上时，两者间的声屏障结构并不会产生较大的模态，其中，相比于40kg/㎡、60kg/㎡的吸声板，面密度为80kg/㎡的吸声板具有最佳的声屏障稳定性，而为了避免台风载荷破坏声屏障结构，需要采用Q235材质H型钢立柱作为声屏障吸声板的支撑材料。
关键词：吸声板；声屏障；结构设计；影响
引言
近年来，我国城市交通体系的愈发完善，使汽车保有量不断增加，这也使大量的交通噪声给民众的日常生活造成严重影响，为了避免噪声干扰，就必须要设置声屏障来进行隔声降噪。由于许多声屏障的使用地点都位于沿海地区，而沿海属于台风频发地区，这些地区经常会遇到台风灾害，这也使声屏障结构往往会因台风荷载作用而遭到破坏，进而给城市交通带来危险，因此在对声屏障进行设计时，必须要对其结构安全进行充分考虑。如何能够在确保声屏障结构安全的基础上，最大限度的发挥声屏障的隔声降噪效果，也已成为研究人员迫切需要解决的问题，而这就需要对不同面密度吸声板给声屏障结构带来的影响进行分析，以此选择最佳的吸声板。不过，关于不同面密度吸声板对声屏障结构设计的影响，却鲜有相关文献进行分析。为此，以下便对不同面密度吸声板对声屏障结构设计的影响进行深入的分析，以期能够为声屏障结构的改进和优化提供参考。
一、模态分析
在对不同面密度吸声板对声屏障结构设计的影响进行分析时，需要应用到模态分析方法，模态分析方法是在物体结构及其振动特性已知的情况下，构建其固有频率模型及主要振型。在物体结构中，不同的点都会因外力作用而发生响应，这种响应便可利用振型、阻尼比、固有频率等模态参数来进行表示。如果某个线性系统具有多个自由度，则可利用以下运动方程来进行表示，即
图1 声屏障结构模型及其龙骨骨架示意图
本文采用的声屏障结构形状为H形，其所采用的H型钢立柱高度可达到3.00米，其所采用的龙骨厚度是1.5mm，而各个单元两侧的金属吸声板厚度则为1mm，H型钢立柱和金属吸声板之间的距离为2mm。为了使声屏障的基础和立柱能够进行稳定连接，需要使用摩擦型高强度螺栓，其他部分则是利用U型螺栓来连接基础。为了使H型钢立柱更加稳固，还要利用钢支架来进行加固。
（二）声屏障模型的网格划分
本文通过Ansys Workbench软件对构建的声屏障模态模型进行网格划分，划分单元形状为四面体，该单元共包括10个节点，通过对划分的网格数量进行统计，共计可将声屏障模态模型的网格数量划分成428356个，其节点数量共计788694个。为了确保声屏障结构能够有效的发挥吸声作用，还要利用复合材料来进行制作，所采用的微孔陶瓷厚度是3cm，并对微孔陶瓷等效转化成实体陶瓷板结构来进行计算，微孔陶瓷的装配关系和外形尺寸等不进行改变。通过模态计算可以得出，如果采用面密度为40kg/㎡的吸声板，则其微孔陶瓷板的等效密度可达到1236kg/m3，如果采用面密度为60kg/㎡的吸声板，则其微孔陶瓷板的等效密度可达到2004kg/m3，如果采用面密度为80kg/㎡的吸声板，则其微孔陶瓷板的等效密度可达到2772kg/m3。考虑到声屏障结构中的零件彼此之间是进行面面接触的，因此需要将绑定接触设置为这些零件的接触类型，其他参数不发生变化，固定约束分别为声屏障结构的H型钢立柱及其地下部分的U形螺栓，采用模态计算来对约束方式进行设置，然后向4块金属吸声板的表面施加8000Pa的荷载。结合设计要求，将Q235钢与45#钢分别作为声屏障结构的设计材料与基础U型螺栓。
三、结论分析
（一）模态计算
通过分析声屏障结构模型的模态计算结果可知，当声屏障结构的振型为1阶时，其运动状态存在中心点，并以该中心点为围绕点进行对称前后摇摆，而当声屏障结构的振型为2阶时，其运动状态也同样存在中心点，并以该中心点为围绕点进行左右扭转运动。通过对比不同密度吸声板的声屏障系统可发现，两者无论是在1阶振型还是在2阶振型都有着不同的振动频率。而当声屏障结构的振型为3至6阶时，则三种不同密度吸声板的声屏障结构的振动频率较为一致。如果列车的速度为200km/h~350km/h，则其风荷载的振动频率从广义角度来看可达到1.96至4.79Hz，由此可以了解到，声屏障结构所产生的振动基频值要比列车的脉动风荷载振动频率大的多，因此可防止声屏障结构发生共振。通过观察6阶振型下三种不同密度面吸声板的声屏障结构可知，这三种声屏障结构的振型相差不大，但1阶与2阶振型，三者在振动频率上发生较大差异，而其他阶数的模态振型在变形上主要是通过不同龙骨单元与金属吸声板相互垂直所产生的变形来进行表现的，因此模态为3至6阶时，这三种不同密度的吸声板所制作的声屏障结构在模态上相差不多。如表1所示为三种不同面密度吸声板的声屏障结构的模态。
表1 三种不同面密度吸声板的声屏障结构的模态
（二）稳态响应分析
通过分析三种不同面密度的吸声板的声屏障结构在荷载作用下的应力及变形分布结果可知，密度为40kg/㎡、60kg/㎡、80kg/㎡的声屏障结构中，其最大应力值均为254.15MPa，应力最大值则均位于H型钢立柱支柱下端，并且声屏障单元板的最大变形量都是9.02mm，而且都处于顶部单元板龙骨单元的中间。虽然两者一致，但面密度在40kg/㎡、60kg/㎡的吸声板的声屏障结构在应力分布上要更加广泛，在风荷载的持续作用下，要更易受到疲劳破坏，进而影响结构稳定性，因此吸声板的面密度建议采用80kg/㎡。此外，考虑到台风载荷的作用会破坏其结构，因此为了使声屏障结构变得更加稳固，建议采用强度更高的H型钢立柱作为声屏障吸声板的支撑材料。
结语
综上所述，本文对不同面密度的吸声板对声屏障结构设计的影响进行分析，从而有效分析了不同面密度吸声板的声屏障结构在不同模态下的振动频率，并进一步分析了台风荷载作用下不同面密度吸声板的声屏障结构稳定性，从而为声屏障结构的优化与改进提供了参考建议。
参考文献
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论文作者:曾巍
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年7期
论文发表时间:2019/7/11
标签：屏障论文; 结构论文; 密度论文; 吸声板论文; 模态论文; 荷载论文; 立柱论文; 《建筑学研究前沿》2019年7期论文;