在建城际铁路桥梁增设全封闭声屏障方案研究

陈刚

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

1 工程概况

广州—佛山环城际铁路（简称广佛城际）的佛山西站—广州南站段位于广州市和佛山市境内，未来将为沿线居民提供更方便快捷的出行方式。在建期间，地方政府提出某城际高架车站区域结合地铁项目需进行TOD开发，周边规划有居民区、办公区、商业区等。这种开发模式可以使公共交通的使用最大化，但同时为了提升周围土地价值和改善人居环境，需降低轨道交通对环境的影响。因此，规划部门要求该段桥梁增设全封闭声屏障。全封闭声屏障将噪声全部封闭在内部，只有很少量的透射声溢出以及少量结构噪声辐射，降噪效果最好［1］，但全封闭声屏障在铁路工程中较少采用。相关铁路桥梁和铁路声屏障的研究中，苏卫青［2］总结普速及高速铁路常用敞开式声屏障结构的设计，陈海涛［3］分析大风区高铁桥梁的抗风设计，蔡理平［4］分析声屏障在轮轨荷载作用下的动力响应，胡喆［5］分析客运专线列车脉动力对声屏障结构的影响，姚君芳［6］提出既有桥梁增设声屏障的方案，李小珍等［7］对高速铁路半封闭式声屏障不同区域的噪声进行测试，分析主要噪声来源，结合实测资料对声屏障减噪效果进行评价，王少林［8］分析考虑列车-轨道-桥梁和声屏障共同作用下高速铁路半封闭式声屏障的动力响应。在借鉴上述研究的基础上，考虑项目为在建工程（仅有部分桥梁桩基已施工），因此结合施工图设计情况，利用已实施桩对声屏障增设方案进行分析。

2 声屏障方案比选

2.1 方案概况

常用声屏障有3种结构：全封闭声屏障、半封闭声屏障和直立式声屏障，其中全封闭和半封闭声屏障又分为外覆式全（半）封闭、插入式全（半）封闭和折臂式全（半）封闭声屏障。

根据声屏障降噪的预测效果分析，该段线路高度约为24 m，直立式声屏障（2.15 m 高）降噪范围约为线路高度以上9 m，若采用直立式声屏障，则10层以内的建筑在声屏障声影区内，而10 层以上的建筑降噪效果则不明显。若采取全封闭声屏障，至少可降低铁路噪声15～20 dB，保证该区域声环境质量维持现有水平。

结合建筑限界、声屏障结构形式和材料等，提出以下3种全封闭声屏障方案（见图1）：

图1 全封闭声屏障方案

（1）方案1：外覆式全封闭声屏障。高度约9.7 m，采用底部吸声板+中间透光板+上部吸声板+顶部透光板形式，从内往外分别由铝镁合金板、铝方管龙骨、玻璃布+镀锌钢丝网、吸音棉和屋面板组成。

（2）方案2：圆弧形插入式全封闭声屏障。高度9.8 m，采用底部吸声板+中间透光板+上部吸声板+顶部透光板形式，主要由吸声板、隔声板（夹层玻璃、聚碳酸酯板）、立柱、连接件等组成。

（3）方案3：折顶形插入式全封闭声屏障。高度9.0 m，采用底部吸声板+中间透光板+上部吸声板+顶部透光板或吸声板形式，主要由吸声板、隔声板（夹层玻璃、聚碳酸酯板）、立柱、连接件等组成。

2.2 方案比较及推荐

从减噪性能、防腐性能、几何适应性、抗风稳定性、景观效果等各方面对3 种方案进行综合比选（见表1），确定该项工程宜采用方案1：外覆式全封闭声屏障。

3 在建桥梁结构影响分析

3.1 分析基础

广佛城际主要技术标准：铁路等级为城际铁路；正线数目为双线；速度目标值为200 km/h；正线线间距4.4 m；轨道为无砟轨道；设计荷载为ZC荷载；地震峰值加速度为0.1g。

施工现场为配合研究TOD 开发方案，该段桥梁工程未施工。按照外覆式全封闭声屏障方案，参考本段桥梁结构施工图设计方案进行影响分析。该段桥梁原设计：上部结构为双线32 m 简支梁，支架现浇施工；箱梁梁长32.6 m，计算跨度31.5 m，截面中心线处梁高2.2 m，横桥向支座中心距4.2 m；梁体采用单箱单室等高度斜腹板箱形截面，箱梁顶宽11.6 m，梁底宽为5.1 m；箱梁中心线处顶板厚28 cm，底板厚28 cm，腹板厚45 cm，梁端顶板、底板、腹板局部向内侧加厚，分别加厚至48、65、100 cm；箱梁腹板设内径10 cm 通风孔，顶、底板均设有泄水孔，顶面采用中间排水方式；原设计下部结构采用矩形实体墩，基础采用摩擦桩基础。梁体跨中断面见图2。

表1 全封闭式声屏障方案比较

图2 梁体跨中断面

3.2 影响分析

3.2.1 梁体设计荷载

梁体设置外覆式全封闭声屏障，设计风速60 m/s；声屏障骨架采用门形钢架（钢架跨度14.2 m，纵向间距2 m），钢架柱脚按刚性柱脚设计，由此引起梁体外荷载变化：

（1）二期恒载。按全封闭声屏障结构方案，结构二期恒载由原设计142 kN/m增加为172 kN/m。

（2）声屏障荷载。包括声屏障自质量、风荷载、列车气动力［2］，而作用在声屏障上的外荷载最终通过门形骨架传到梁体，钢架柱脚处荷载有轴力、弯矩及剪力。声屏障钢架立柱柱脚连接见图3。

图3 声屏障钢架立柱柱脚连接

根据气象资料确定自然风荷载，桥址处极端风速按60 m/s 检算时，基本风压W0=2 250 Pa；非极端风速检算时，基本风压W0=800 Pa；高度变化系数K2=1.13，体形系数K1=1.3，地形、地理条件系数K3=1.0，故风荷载强度［9］W=K1K2K3W0。列车气动力是列车经过声屏障区域，由于空气挠动对声屏障结构产生正、负交替的脉动力，气动力计算按规范公式［9］计算。按照《CRH6 型城际动车组技术条件》［10］规定的空气动力学要求，在侧风风速30 m/s 时，动车组严禁进入风区，故极端风速下不考虑活载作用。主力荷载组合为：声屏障自质量+列车气动力；主力+附加力荷载组合为：声屏障自质量+列车气动力+风荷载（30 m/s）；主力+特殊荷载组合为：声屏障自质量+风荷载（60 m/s）。按规范，当列车运行速度小于160 km/h 时，其桥上建筑物或构件可不计气动力作用［9］，由于该桥位于出站端，列车通过速度小于160 km/h，气动力影响较小。

3.2.2 梁体纵向受力

设置全封闭声屏障结构后，梁体承受的二期恒载增加21.1%，需对预应力钢束布置进行调整，经检算，主要设计指标见表2。

表2 梁体主要设计指标

3.2.3 梁体翼缘板受力

声屏障立柱间距2 m，声屏障荷载通过立柱传递到梁体，在立柱处取横向1 m板进行翼缘板受力分析。列车气动力分正压和负压，对翼缘板的弯矩作用方向相反，故分别按仅考虑列车气动力、考虑列车气动力与风荷载同时作用的工况进行分析。

原设计翼板配筋为每延米10 根φ20 mm HRB400 级钢筋，按施工图梁体配筋翼缘板端部及根部截面配筋不满足要求，故对声屏障立柱两侧一定范围内的，悬臂板厚度局部加厚50 cm，同时可满足声屏障立柱节点锚固要求；顶层钢筋调整为2根1束，10根φ20 mm，底层按施工图单根，10根φ20 mm（单延米配筋）进行补强设计。补强设计前后梁体翼缘板受力检算结果见表3。

表3 梁体翼缘板受力检算结果

3.2.4 梁体支反力

梁体在横桥向荷载作用下，梁端两侧支反力将产生差异，简支梁支座一般按等吨位设计，故支座墩位需同时满足最大反力和最小反力（不出现负反力）的要求。中-活载按单线行车、双线行车及不考虑活载3 种工况，采用空间梁单元模型（见图6）分别分析梁体支反力，按照“主+横附”控制（恒载+活载+离心力+摇摆力+横向风力）计算梁体支反力结果见表5。

图6 计算模型

表5 梁体支反力表 kN

由表5可知：以上3种工况下最大支反力5 940 kN；最小支反力1 189.9 kN；与施工图相比，施工图32 m简支梁采用支座竖向设计承载力为4 500 kN，增设声障屏后梁体支反力增加32%，不满足要求；最小竖向力大于1 000 kN，未出现拉力。

3.2.5 梁体抗倾覆稳定性

当梁体受到很大的横桥向力，需对桥梁结构进行抗倾覆稳定性的检算［3］，设计同时考虑风荷载、列车气动力、离心力和摇摆力等横向荷载的作用。按单线行车（考虑横向偏载作用）和无车2种荷载工况进行分析，抗倾覆稳定系数K需满足规范要求，检算公式为：

式中：Md为结构抗倾覆力矩；Mq为结构倾覆力矩。

控制荷载工况下梁体抗倾覆稳定性检算结果见表6，原设计抗倾覆稳定性满足增设声屏障要求。

表6 梁体抗倾覆稳定系数

3.2.6 桥梁下部结构受力

下部结构墩身采用矩形实体桥墩，基础采用钻孔桩基础（见图7）。由于梁体自质量、二期恒载及横向附加力发生变化，故以调整后的荷载工况对桥梁下部结构进行检算。在控制组“主+横附”（恒载+活载+离心力+摇摆力+横向风力）作用下，对代表墩进行检算：施工图中单桩承载力4 439 kN，增设全封闭屏障后单桩承载力7 407 kN，单桩允许承载力5 168 kN，不满足要求；墩身按钢筋混凝土构件进行检算，满足要求。

图7 桥梁下部结构

3.3 局部设计调整

通过结合施工图对梁体及下部结构的影响分析，按相应的分析结论对结构进行局部调整设计：

（1）梁体承受的二期恒载增加21.1%，需对预应力钢束布置进行调整，调整后梁体纵向受力满足要求。

（2）翼缘板端部及根部截面配筋不满足要求，经补充检算按以下措施处理：声屏障立柱两侧一定范围，悬臂板厚度局部加厚为50 cm，同时可满足声屏障立柱节点锚固要求；顶层钢筋调整为2 根1 束HRB400，10 根φ20 mm，底层仍按施工图单根HRB400，10 根φ20 mm（单延米配筋）。

（3）梁体最大支反力大于原设计支座吨位，故调整支座设计吨位，采用竖向承载力6 000 kN 的球形钢支座。

（4）通过对桥梁下部结构受力影响进行分析，其单桩承载力不满足要求，经补充检算需调整基础布置，调整后的基础布置见图8。

图8 基础布置调整

4 外覆式全封闭声屏障运营养护措施

外覆式全封闭声屏障的养护维修涉及柱脚基础，钢结构与声屏障屏体等方面，针对不同构件，提出对其运营养护措施：

（1）柱脚基础。外覆式声屏障的屏体一般设置于钢立柱外翼缘外侧，柱脚基础的预埋螺栓和螺母在轨道内侧均可以实现定期巡视和检修，如发现螺栓、螺母、垫片等构件存在腐蚀损坏与松动情况，应采取防腐和补强措施和对螺栓进行紧固。

（2）钢结构。主结构与次结构的紧固系统、主结构与次结构防腐，需进行定期养护与维修，可在轨道内侧观察。结构防腐问题，可采取油漆修复、镀锌修复、防火涂料修复等方式；螺栓系统松动，可进行紧固或更换紧固件；焊缝节点问题，可以清除现有表面后重新进行焊接补强。

（3）声屏障屏体。对于外层装饰板，通过检修通道或者云梯平台车进行表面清洗。通过轻敲和观察的方式，检查装饰板处的自攻钉是否脱落，密封胶是否失效。顶部可以通过行走时的声响来检查自攻钉是否松动，进而采取紧固措施。某一块板因外力原因导致破损，可以进行维修与更换。内部的穿孔板可以通过观察的方式检查油漆附着力情况和油漆是否脱落、内部的吸声棉是否受潮及粉化、穿孔板自攻钉是否松动与脱落等，进而决定是否进行紧固或更换。

5 结束语

基于在建广佛城际铁路桥梁工程现状，对部分桥梁段落增设全包式声屏障方案进行比选，推荐采用外覆式全封闭声屏障方案。本线设计批复的声屏障结果检算风速为60 m/s，桥梁采用全封闭式声屏障对结构受力影响较大，按施工图设计及施工现状提出了结构补强措施。针对桥梁全封闭式声屏障结构特点，提出其运营养护措施建议。城际铁路为沿线居民提供了方便快捷的出行方式，但设计同时要考虑对人居环境的影响。在对减噪要求较高的铁路桥梁区段，采用全封闭式声屏障并结合轨道的减噪措施，可达到满意的效果。