高速公路桥梁声屏障结构设计思考

2023-11-18林建茂

盐城工学院学报（自然科学版） 2023年3期

关键词：工字钢屏障立柱

林建茂

（福建省高速公路科技创新研究院有限公司，福建福州 350001）

随着高速公路的快速发展，沿线噪声污染问题日益突出。国内外已有学者开展声屏障相关理论及试验研究，积累了一定的经验，但尚未形成成熟的理论应用体系［1］。

本文对高速公路常见的声屏障结构形式及屏体材质进行分类对比分析，并以福建省高速公路典型的桥梁式声屏障结构为例，进行各项力学性能验算分析；在此基础上，进一步从结构、景观、材料选取等角度剖析，为高速公路声屏障工程设计应用提供借鉴。

1 声屏障分类

声屏障是通过延长声源处声音的传播路径或改变传播方向方式等起到隔音降噪效果。根据声屏障工作原理，可将声屏障按结构形式和屏体材质进行不同的分类。

1.1 按结构形式分类

根据结构形式不同，可将声屏障分为直立式、直弧式、封闭式3种常见类型［2-3］，如图1所示。

图1 常见声屏障结构形式Fig. 1 Common structural forms of sound barrier

直立式声屏障是最为常见的一种，其造型简单，便于安装与运输，性价比较高，但隔音降噪效果一般；直弧式声屏障是将顶部立柱与屏体单元做成弧形结构形式（沿噪声源方向），通过延长声程差起到降噪效果，该类结构对加工生产、现场安装工艺等要求较高，因而总体造价较高；封闭式声屏障类似于隧道，可将过往车辆产生的噪声完全包封在道路内侧，隔声效果佳，主要适用于噪声要求高的敏感区域路段，整体造价不菲，但也极大影响了沿线的自然景观及行车舒适度。3种不同结构的声屏障性能对比见表1。

表1 不同结构形式的声屏障性能特性对比Table 1 Comparison of performance and characteristics of sound barriers with different structural forms

1.2 按屏体材质分类

高速公路常用的屏体材质有混凝土、镀锌钢板和亚克力板3 类。其中，混凝土类屏体是早期较为常见的一种材质，主要适用于远离城区的路基段，该类屏体耐腐蚀性强、强度高、使用寿命长，但存在隔声效果一般、结构笨重、适用性弱、沿线景观和谐性差等弱点；镀锌钢板（铝合金板）是当前高速公路主流屏体的外壳材质，材质轻巧、隔音效果优、易于运输与安装、价格低，但耐腐蚀性差、寿命短（8～10 a），且随着年限增长，隔声效果急剧下降，甚至成为“二次噪声源”；亚克力板一般用于城区或对景观有特殊要求的路段，该类材质透光率高、抗拉压性能好、与沿线景观协调性好，但造价昂贵、材质易变黄且透光率稳定性差。不同屏体材质的性能对比见表2。

表2 不同屏体材质性能特性对比Table 2 Comparison of performance characteristics of different screen materials

2 声屏障力学性能分析

2.1 工程概况

以福建省南平市高速公路某段桥梁式声屏障为例，对其进行力学性能分析。该声屏障为直弧式声屏障，由屏体单元板、立柱和基础底座3部分组成，结构形式如图2所示。

图2 桥梁式声屏障结构单位：mmFig. 2 Bridge-type sound barrier structure

声屏障屏体竖向由1 m 高的彩钢夹芯隔声板和1 m 高的镀锌夹芯百叶吸声板（向内折弯）组成，屏体单元板尺寸均为1 970 mm×500 mm×100 mm；工字钢立柱为3 092 mm×150 mm×150 mm，Q235材质，标准立柱间距为2.0 m，立柱底部通过6个A级M24螺栓与砼护栏连接。

2.2 力学性能分析

由声屏障传力路径可知，屏体单元板承受自然风荷载，并通过立柱传递至防撞护栏（立柱底部通过螺栓与砼护栏形成刚性连接），即屏体单元板受力传递路径为：外界荷载→屏体单元板→立柱→基础［4］。因而可将立柱视为悬臂构件，其根部为薄弱控制面，应验算最不利工况，即自重+风荷载+雪荷载组合下（南平地区常年气温高于零度，因而可忽略雪荷载影响），立柱薄弱控制截面处的强度、扰度、稳定性和柱脚螺栓强度［5］。

2.2.1 最不利工况

2.2.1.1 结构自重

选取标准跨立柱左右各一半单元作为一个受力分析单元体，如图3所示。

图3 标准跨计算单元体单位：mmFig. 3 Standard cross computing unit body

立柱承受的竖向荷载G包含立柱自身重力G1和左右相邻屏体各一半的重力G2。经计算，工字钢立柱G1重力为0.95 kN，屏体单元板G2重力为2.20 kN，因而竖向总荷载G为3.15 kN。

2.2.1.2 风荷载

当风荷载方向垂直于屏体单元板正面时，产生的外力为最大工况。依据《声屏障结构技术标准》［6］与《铁路声屏障工程设计规范》［7］，风荷载计算公式为

式中：ωk为自然风荷载，kN/m2；βgz为距地面高度z处的阵风系数；μsl为风荷载局部体型系数，桥梁结构取1.65；μz为风压高度变化系数，取0.65；ω0为基本风压值，kN/m2。

该桥处于南平市区且桥面距地面高度约为5 m，按50 a重现期设计，查《建筑结构荷载规范》［8］，知βgz=2.05，50 a 重现期风压标准设计值ω0为0.35 kN/m2，因而

2.2.2 立柱薄弱控制截面处的验算

由结构受力分析可知，风荷载是影响结构的主要荷载，在风荷载作用下，立柱薄弱控制截面为立柱顶部距最底排螺栓的距离，即L=2.7 m 处的截面（后面统称为控制截面）。结构最不利荷载效应值计算公式为

式中：Sd为荷载效应组合的设计值，kN；γGj为第j个永久荷载的分项系数；SGjk为第j个永久荷载标准值Gjk计算的荷载效应值，kN；γQi为第i个可变荷载的分项系数；SQik为第i个可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值，kN；ψci为第i个可变荷载Qi的组合值系数。

根据《声屏障结构技术标准》［6］，SQ1k为各可变荷载效应中起控制作用的荷载效应值，对应的γQ1=1.4。又由于在声屏障中，当可变荷载起控制作用时，γGj=1.2；当永久荷载起控制作用时，γGj=1.35。

在本例中，风荷载是影响结构的主要荷载，因此，γGj=1.2，此时屏体与立柱自重产生的永久荷载效应值

风荷载引起的立柱底面剪力

（屏体长度为2 m，立柱顶部至底排螺栓的距离为2.7 m）；

风荷载引起的立柱在底排螺栓截面处沿工字钢翼板方向的弯矩

（令工字钢翼板方向为x轴、腹板方向为y轴）。

2.2.2.1 强度验算

立柱控制截面处强度计算公式为

式中：f为立柱控制截面处的强度，N/mm2；A为立柱截面积，mm2；γx为截面沿x轴方向的塑性发展系数；wx为x轴截面模量，mm3。

查《钢结构基本原理》［9］附表3.16 及附录5，150 mm×150 mm×7 mm×10 mm 规格的工字钢截面积A=4 055 mm2，x轴截面模量wx=221 000 mm3，γx=1.05，从而

由上述计算可知：在最不利荷载工况下，立柱控制截面处强度约为钢材屈服强度fσs=215 N/mm2［6］的六分之一，满足强度设计要求。

2.2.2.2 扰度验算

在声屏障计算中，立柱可视为悬臂构件，其最大位移出现在柱顶截面处。立柱最大位移计算公式为

式中：VQ为立柱最大位移，mm；L为立柱有效高度，也就是立柱顶部至底排螺栓的距离，mm；E为钢材的弹性模量，N/mm2；I为工字钢截面惯性矩，mm4。

由于L=2 700 mm，E=206 kN/mm2，查《钢结构基本原理》［9］附表3.16，I=16 600 000 mm4，从而

即在最不利荷载组合作用下，立柱顶部位移VQ=4.2 mm，低于规范值L/200（2 700/200=13.5 mm）［6］，满足构造要求。

2.2.2.3 稳定性验算

构件最不利方向的长细比λmax计算为

式中：O为对应方向的回转半径，mm。

查《钢结构基本原理》［9］附表3.16，150 mm×150 mm×7 mm×10 mm 工字钢的Ox=63.9 mm，Oy=37.3 mm，因而

弯矩作用下平面内整体稳定性计算公式为

式中：f内为弯矩作用下平面内整体稳定性，N/mm2；βmx为杆件非均匀分布的弯矩换算成两端弯矩相等的等效弯矩系数；N′Ex为杆件平面内弯曲的临界力，kN。

由于

查《钢结构基本原理》［9］，βmx=1.0，受压构件的稳定系数φx=0.889、φy=0.736，

因而

弯矩作用下平面外整体稳定性计算公式为

式中：f外为弯矩作用下平面外整体稳定性，N/mm2；φb为均匀弯曲梁的整体稳定系数；βtx为平面外的等效弯矩系数。

对于双轴对称工字钢截面，当φb＞1.0 时，取φb=1.0；否则，按实计算。

查《钢结构基本原理》［9］，βtx=0.65，由于

因而

因此，在最不利荷载工况下，声屏障立柱整体稳定性均满足要求。

2.2.2.4 柱脚连接验算

通过对立柱底部螺栓群连接键受力分析可知，外荷载绕最低点螺栓转动时，螺栓受力最大。，则连接可靠。

每个螺栓承受的剪力和拉力计算公式分别为

此时，若

式中：Nv、Nt分别为每个螺栓所承受的剪力和拉力，kN；分别为每个螺栓所承受剪力和拉力的设计值，kN；n为螺栓个数，这里n=6；yq为各螺栓到螺栓群中最不利螺栓的转动距离，y1为yq中的最大值，mm；q为螺栓群中第q个螺栓；m为螺栓的列数。

每个螺栓承受的剪力

每个螺栓承受的拉力

螺栓抗剪强度设计值计算公式为

式中：d为螺栓直径，这里d=24 mm ；为螺栓的抗剪强度设计值，=190 N/mm2。

因而

螺栓抗拉强度设计值计算公式为

因而

从而

即连接可靠，满足构造要求。

由以上计算可知，该声屏障结构立柱的强度、扰度、稳定性以及基础螺栓连接均满足设计要求，且安全富裕系数过于保守。

3 声屏障设计思考

声屏障结构设计是一项融合声学、结构造型、材质、景观于一体的综合性设计学科，在声屏障结构满足最不利工况下各项性能指标的同时，要优先考虑沿线气候、自然景观、地域文化、运营维护等方面，尽力做到沿线声屏障结构形式与外界环境的和谐统一。

在声屏障结构设计时，首先要考虑风荷载，也就是首先要参考当地的基本风压值等特征参数，严禁套用“通用图”，从而导致部分高速区域路段的声屏障结构设计安全系数偏高，浪费资源；或者部分区域路段声屏障结构未能满足规范要求，形成安全隐患。

高速公路声屏障结构设计在满足相关技术标准、寿命的基础上，还应因地制宜，兼顾声屏障附属设施与沿线环境和谐共存的理念，将沿线自然景观、地域文化元素融入设计。具体地说，在声屏障外观造型方面，应综合考虑声屏障长度、人体舒适感（视觉疲劳、压抑感等）等元素，宜采用新颖、柔和的结构形式，避免单调、呆板；在色彩选取方面，尽可能选取单一颜色，色彩比例要协调，可选用浅蓝色、灰色等中性、温和的色调，外侧色彩应尽可能地与周围环境色调保持一致［10-11］。

在高速公路声屏障屏体材质选择方面，要积极探索新型材料，特别是高性能纤维增强水泥基复合材料在声屏障屏体中的应用，尽力避免当前以钢筋混凝土、金属复合吸（隔）声板和透光板为主的屏体材质的缺陷，有效提高屏体的耐久性，还可以塑造出满足沿线景观路段特殊要求的色彩与质感［12-13］。