組合式橋梁護欄增設聲屏障設計分析

楊遠洪

(1.山西交通科學研究院集團有限公司，山西 太原 030006；2.山西省交通新技術發展有限公司，山西 太原 030006)

2010年之前，山西省圍繞最早的“人字骨架、九橫九環”規劃共建成通車了約有3 000 km高速公路，這些早期建成的高速公路多為交通干線公路，連接各個節點城市，高速公路在跨越城區時，多采用高架橋形式，這一時期的高架橋橋側安全防護多采用《高速公路交通安全設施設計及施工技術規范》(JTJ 074-1994)推薦的Cm-PL2(PL3)-R型組合式護欄。隨著城市化高速發展，在高架橋兩側遍布著越來越近，越來越密集的建筑物，噪聲的影響也就越發的突出，為了減少噪聲污染，在噪聲超標路段增設聲屏障成為了一種經濟高效的選擇。

1 項目概況

汾離高速公路是青島至銀川高速公路(G20)在山西省呂梁市境內的一段，起點位于汾陽市河北村，終點位于離石區喬家塔村，與離石至柳林縣軍渡高速公路銜接，全長77.7 km，全線采用雙向四車道高速公路標準建設，設計時速80 km/h，于2005年建成通車，至今已有15年有余，公路沿線地貌及構造物已發生較大變化，特別是靠近離石市區的K972～K1009段落內，居民點密布在高架橋兩側，沿線的聲環境敏感點較多，需進行相應降噪設計。

2 設計原則

(1)降噪效果明顯，滿足公路聲屏障設計要求；

(2)聲屏障屏體及金屬構件材料滿足防腐、防火、防眩、防浸、防老化等物理性能要求；

(3)新增聲屏障對高速公路原構造物損害較小，不能影響原構造物正常使用；

(4)新增聲屏障的荷載、強度、撓度等力學性能及構造滿足相應規范要求；

(5)材料設備配置簡單、管理維護方便，經濟實用；

(6)安全可靠，施工簡便，成品與周圍景觀協調一致。

3 設計情況

經過對汾離高速公路K972～K1009段落沿線的聲環境敏感點進行調查，全線共有3段需增加聲屏障進行降噪設計，且都位于橋梁段。橋梁護欄為94版規范設計的Cm-PL2(PL3)-R型組合式護欄，包括下部鋼筋混凝土和上部鋼扶手，如圖1所示。

圖1 Cm-PL2(PL3)-R型橋梁組合式護欄

Cm-PL2(PL3)-R型橋梁組合式護欄下部鋼筋混凝土部分高度較低，經現場實測，混凝土頂部距離路面為68 cm，頂部鋼扶手外側距混凝土外側僅13 cm，且此類護欄建成時間較長，不適宜進行較大改動，為了避免較大的破壞，聲屏障鋼結構底座采用化學螺栓與混凝土部分連接為一個整體，聲屏障鋼立柱選用HW125×125×6.5×9型鋼，沿鋼扶手外側布置，局部連接如圖2所示。

圖2 cm-PL2(PL3)-R型橋梁組合式護欄聲屏障連接示意圖

采用這種形式不僅盡可能地減小了對原有護欄的破壞，也有效利用了鋼扶手外側至混凝土護欄外側的13 cm空間，且不用拆除鋼扶手就可進行安裝，極大地方便了施工。

4 設計計算

4.1 聲屏障安全性設計

(1)適用范圍。適用于抗震設防強度為7°(基本地震加速度值0.10/0.15 g)及以下的地區道路、橋梁聲屏障新建工程設計、施工安裝。

選用方法。根據現行相關標準，規范等規定確定工程所在風壓區、地震區，并結合降噪要求。

設計使用年限。根據《建筑結構可靠度設計統一標準》(GB50068-2018)要求，主體結構的設計使用年限為50年，吸聲材料設計使用年限為15年，結構安全等級為二級。

聲屏障高度。橋梁段聲屏障高度為2.5 m。

設計參數。風荷載：基本風壓W0按50年一遇分兩檔：W0≤0.45 KN/m2和0.45 KN/m2

計算數據。參照《公路橋涵設計通用規范》(JTGD 60-2015)取該地區50年一遇狀態下風壓為0.45 KN/m2。聲屏障高度2.5 m，跨度2 m。

計算簡圖如圖3所示。

自然風荷載：根據《公路橋涵設計通用規范》(JTGD 60-2015)，橋梁橫向風荷載假定水平垂直作用于橋梁各部分迎風面積的形心上，其標準值公式

Fwh=K0KlK3WdAwh

(1)

Wd=γVd2/2g

(2)

W0=γV102/2g

(3)

Vd=K2K5V10

(4)

由以上(1)～(4)公式可推出(5)：

Fwh=K0K1K22K3K52W0Awh(KN)

(5)

式中：W0為基本風壓，KN/m2；Wd為設計基準風壓，KN/m2；Awh為橫向迎風面積，m2；V10為高度Z處的設計基準風速，m/s；Z為距離地面或水面的高度，m；K0為設計風速重現期換算系數：對于單孔跨徑指標為特大橋和大橋的橋梁，K0=1.0；對于其他橋梁K0=0.9；對于施工期橋梁K0=0.75；當橋梁位于臺風多發地區時，可根據實際情況適度提高K0值。

K1為風荷載阻力系數，按普通實腹梁上部結構規定計算；

K1=2.1-0.1(B/H)(1≤B/H<8)或K1=1.3(8≤B/H)

(6)

B為橋梁寬度，m；H為梁高+混凝土護欄高度+聲屏障高度，m；K2為考慮地面粗糙度類別和梯度風的風速變化系數(此處取0.74)；K3為地形、地理條件系數(此處取1.0)；K5為陣風風速系數，對A，B類地表K5=1.38，對于C，D類地表K5=1.7；g為重力加速度，m/s2，g=9.8 m/s2。

(1)風荷載阻力系數K1計算

混凝土護欄按照高度0.68 m，道路寬度按24.5 m考慮，梁高按2.5 m考慮(考慮橋梁高度)

B=24.5 m

H=2.5+0.68+2=5.18(m)

B/H=4.73

K1=2.1-0.1×4.73=1.627

(2)自然風荷載標準值

Awh=2.5×2=5(m2)

Fwh=0.9×1.627×1×0.74×0.74×1.38×1.38×0.45×5=3.44(KN)

(3)水平力設計值

F=1.4Fwh=1.4×3.44=4.81(KN)

H型鋼選取125×125×6.5×9

截面模量：Wx=136×103mm3

截面慣性矩：Ix=847×104mm3

(4)抗彎強度計算

根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003第A.1.1條規定，在主平面受彎的實腹構件，其抗彎強度應符合：

M/γWx=14.18×106/(1.05×135×103)=100 N/mm2

符合要求(Q235鋼，厚度≤16 mm，其抗彎強度f=215 N/mm2)

(5)撓度計算

根據《鋼結構設計規范》GB50017-2003第A.1.1條規定，墻架構件支柱撓度允許值[VQ]=I/400，由于道路聲屏障水平方向幾乎只受風荷載的影響，內部吸隔聲模塊在重力作用下荷載分布在豎直方向上，所以對支柱撓度允許值可調整為[VQ]=I/300(參考文獻：公路聲屏障設計<江蘇省交通規劃設計院有限公司>江蘇南京2010005)對懸臂梁和伸臂梁為懸伸長的2倍。

q=Fwh/h=3.44/2.5=1.38(KN/m)

VQ=ql4/8EI=1.38×2 5004/8×136×103×847×104=5.85(mm)

[VQ]=2I/300=2×2 500/300=16.7(mm)

VQ<[VQ]滿足要求

4.2 聲屏障的段落高度和長度計算

(1)聲屏障衰減量(ΔLd)計算

(7)

公式(7)中：

f為聲波頻率，Hz；δ=A+B-d為聲程差，m；c為聲速，m/s。

在公路建設項目評價中可采取500 hz頻率的聲波計算得到的屏障衰減量近似作為A聲級的衰減量。

無限長聲源及有限長聲屏障ΔLd仍由上式計算。然后根據圖1有限長度的聲屏障及線聲源的修正圖《聲屏障聲學設計和測量規范》(HJ/T90-2004)。修正后的ΔLd取決于遮蔽角β/θ。圖4中虛線表示：無限長屏障聲衰減為8.5 dB，若有限長聲屏障對應的遮蔽角百分率為92%，則有限長聲屏障的聲衰減為6.6 dB。

圖4 有限長度的聲屏障及線聲源的修正圖

(2)典型噪聲敏感路段治理示例

①測點a：K972+350～K972+498上行方向外側為羅卜溝村，此處居民點前排住宅為1層平房，其住宅與主線的高程差為-35～-42 m(居民點在路面標高下方為負)，居民點走向與本項目走向平行，住戶窗戶正對本項目，其距公路紅線近點約10 m。

在第一排房屋一側設置測點，測點距離地面1.2 m，距離Cm-PL2(PL3)-R型護欄外側10 m，與高速公路路面高差為-35 m。該測點實測值如表1所示。

表1 測點a車流量及噪聲實測統計表

由上表可以看出，由于測點a與路面高度差較大，聲音衰減明顯，噪聲最大值在50.7 dB以下，影響較小，其噪聲值滿足國家4a類噪聲要求，可不設置聲屏障。

②測點b：K1006+350～K1007+110上行方向外側為幸福家園及蓮花小區，此處居民點前排住宅高2～11層不等，其住宅與高速公路路面的高程差為-16～7 m，居民點走向與本項目走向平行，部分樓層住戶窗戶正對本項目，其距公路紅線近點距離18～30 m。

此處在建筑物6層(距地面約16 m)外側，距離窗戶1 m，窗戶距高速公路水平距離18 m的噪聲最不利點設置觀測點，該測點實測值如表2所示。

表2 測點b車流量及噪聲實測統計表

由表2測點b的實測數據可以看出，由于距離高速公路水平距離較近，噪聲值在61.4～67.8 dB之間，低于晝間70 dB的國家4a類噪聲要求，但夜間時，該值高于55 dB的限值要求，所以此處需要設置聲屏障進行降噪處理，按照有限長聲屏障聲衰減6.6 dB考慮，此外夜間車流量減少，按降低5 dB考慮，加上居民樓外墻的隔音，設置聲屏障后完全能達到夜間噪聲值低于55 db的要求。考慮繞射聲影響，在垂直方向，聲屏障選擇折板型，如圖5所示，可以增加屏體的有效高度，在水平方向，聲屏障設置長度需要完全覆蓋噪聲敏感區建筑物，可向前后各順沿50 m。綜上所述此段落設置2.5 m高聲屏障，聲屏障長度760 m。

4.3 治理方案及結論

從以上計算分析結果來看，在公路營運期間，測點b處采用2.5 m高橋梁段聲屏障措施后，不論晝間和夜間均滿足環境功能區4a類標準，即晝間70 dB(A)，夜間55 dB(A)。

圖5 聲屏障屏體等效高度示意圖

5 結束語

針對在Cm-PL2(PL3)-R型組合式橋梁護欄上增設聲屏障，一定要盡可能地減小對原橋梁構造物的破壞，并綜合考慮經濟高效、施工便利等因素，因地制宜優化聲屏障與防撞墻的連接形式，并充分驗算聲屏障的強度及撓度。施工過程中，要嚴把材料質量關，安裝時謹防磕碰破壞防腐層及吸隔音材料。