京沈高鐵北京朝陽站至五環(huán)路段全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計

張高明，程衛(wèi)紅，劉 楓，黨 輝

(1.中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300308)

1 工程概況

京沈高鐵北京朝陽站至五環(huán)路段包含京沈正線(設(shè)計里程DK12+200～DK18+190段).動車走行線.鐵科試車線.既有東北環(huán)線等線路，其中鐵科試車線及既有東北環(huán)線為運營線，線路毗鄰部分居住小區(qū)，為降低鐵路給周圍小區(qū)居民帶來的噪聲影響[1]，按照2013年國家生態(tài)環(huán)境部的項目環(huán)評批復(fù)要求，需沿線設(shè)置聲屏障，聲屏障效果如圖1.圖2所示。

圖1 京沈高鐵北京朝陽站至五環(huán)段聲屏障整體效果

圖2 京沈高鐵北京朝陽站至五環(huán)段聲屏障局部效果

為滿足降噪效果達到16 dB(A)以上的要求[2-5]，在京沈高鐵北京朝陽站至五環(huán)路段采用全封閉式聲屏障體系，總長約1.8 km。封閉式聲屏障體系采用明洞方案[6]，主體結(jié)構(gòu)采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)，主拱框架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，薄殼采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)[7-8](SP板和聲屏障中空板)，拱腳基礎(chǔ)采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)，中柱基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。從結(jié)構(gòu)形式和工程規(guī)模來講，尚無類似工程經(jīng)驗借鑒。

2 聲屏障荷載取值

聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限100年，安全等級一級，建筑抗震設(shè)防類別乙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級甲級，抗震等級一級。

(1)恒活荷載[9]。考慮2.5 kN/m2的附加恒荷載，SP板自重2.5 kN/m2，合計考慮5.0 kN/m2恒荷載。活荷載取1.0 kN/m2，荷載放大1.1倍(設(shè)計使用年限100年)，并按活荷載的不利布置考慮，施加在聲屏障結(jié)構(gòu)半跨上。

(2)風(fēng)雪荷載[10]。基本風(fēng)壓ω0為0.50 kN/m2(重現(xiàn)期100年)，地面粗糙度C類，體型系數(shù)μs如圖3所示，風(fēng)振系數(shù)按照GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。雪荷載基本雪壓S0為0.45 kN/m2(重現(xiàn)期100年)，雪荷載與活荷載不同時組合。

圖3 封閉聲屏障風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

(3)列車風(fēng)荷載[11]。列車高速進入封閉聲屏障時，會在結(jié)構(gòu)上突加一個上吸風(fēng)荷載(有利)；離開時，又會在結(jié)構(gòu)上突加一個下壓風(fēng)荷載(不利)，考慮不利風(fēng)荷載，按0.40 kN/m2施加。

(4)基礎(chǔ)變位荷載[12]。考慮拱腳發(fā)生水平和豎向變位的可能，在一側(cè)拱腳分別考慮水平位移Ux=0.01 m，豎向位移Uz=-0.02 m。

(5)溫度荷載。考慮聲屏障使用過程中的溫度與合龍溫度的差異，升溫考慮25 ℃，降溫考慮-25 ℃。

(6)地震作用。設(shè)計使用年限100年，地震作用乘以1.4的系數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)平面布置

京沈高鐵北京朝鮮陽站至五環(huán)路段封閉式聲屏障采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)[13]，拱間距采用6 m，拱跨度除個別段根據(jù)軌道線路變化外，多數(shù)段采用等跨度。聲屏障結(jié)構(gòu)按照50 m左右分段[14]，共分為35段，段與段之間的雙拱中心間距1 800 mm，單側(cè)懸挑1 000 mm，凈距200 mm。其總平面布置如圖4.圖5所示，其中圖4為北側(cè)的非標準段(約1.2 km)，圖5為南側(cè)的標準段(約650 m)。

圖4 聲屏障總平面布置(北側(cè)非標準段)

總平面布置給出各段聲屏障和鐵路里程的定位關(guān)系，同時給出各段聲屏障的相對位置關(guān)系，但是每段聲屏障的平面定位通過各自的分段平面布置來確定，如圖6所示。圖6給出拱腳定位軸線與軌道軸線的定位關(guān)系，給出中間設(shè)置立柱的間距及立柱與軌道的定位關(guān)系。

圖6 典型段聲屏障分段平面布置

4 結(jié)構(gòu)立面布置

聲屏障結(jié)構(gòu)北側(cè)非標準段的等截面段及南側(cè)標準段，每榀拱的跨度和形狀相同，只需給出一榀拱的剖面圖即可進行立面構(gòu)件定位及構(gòu)件尺寸確定。每榀拱的拱腳高程通過軌道頂面高程來確定，聲屏障隨著軌道線路的高程變化而同步變化(軌道高程依地形高程而變)。

聲屏障結(jié)構(gòu)北側(cè)非標準段存在變截面拱段，每榀拱的跨度和形狀均不相同，通過給出每榀拱的剖面圖來進行立面構(gòu)件定位及構(gòu)件尺寸確定。典型段聲屏障某榀拱剖面如圖7所示。

圖7 典型段聲屏障某榀拱剖面

南側(cè)標準段的拱跨度約40 m，北側(cè)非標準段的拱跨度從62～86 m隨軌道線路而變化。

5 拱肋與殼板協(xié)同作用研究

聲屏障在設(shè)計過程中經(jīng)過多次方案變動，總體方案采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)，但是對殼板采用現(xiàn)澆方案還是預(yù)制方案，經(jīng)歷了一個變化的過程。

對現(xiàn)澆殼板方案中殼板與拱肋協(xié)同工作情況展開研究，以某段典型等跨區(qū)段聲屏障為例，主要研究殼板剛度及殼板偏置對拱肋受力及配筋的影響[15]。該區(qū)段拱跨40 m，拱肋主截面600 mm×1 000 mm，拱腳截面漸變至600 mm×1 500 mm，殼板厚度150 mm。

5.1 不考慮殼板剛度

針對不考慮殼板剛度的模型，分別研究考慮和不考慮殼板偏置對拱截面的控制內(nèi)力和配筋的影響。

不考慮殼板偏置時，拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力見表1，縱筋按對稱配筋計算。

表1 殼板不偏置時拱截面控制內(nèi)力及配筋

考慮殼板偏置時，拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力見表2，縱筋亦按對稱配筋計算。

表2 殼板偏置時拱肋截面控制內(nèi)力及配筋

可以看到，不考慮殼板剛度時殼板偏置與否對結(jié)構(gòu)性能影響較小，拱肋各控制截面的彎矩和軸力基本不變，計算配筋基本一致，其拱肋彎矩和軸力分布如圖8所示，彎矩圖中拱肩處紅色表示外側(cè)受拉，跨中區(qū)黃色表示內(nèi)側(cè)受拉。

圖8 不考慮殼板剛度時拱肋內(nèi)力

5.2 考慮殼板剛度

針對考慮殼板剛度的模型，分別研究考慮和不考慮殼板偏置對拱截面的控制內(nèi)力和配筋情況的影響。

不考慮殼板偏置時，拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力見表3，縱筋按對稱配筋計算，其內(nèi)力分布如圖9所示，彎矩受拉側(cè)分布同圖8。

表3 殼板不偏置時拱截面控制內(nèi)力及配筋

圖9 不考慮殼板偏置時拱肋內(nèi)力

考慮殼板偏置時，拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力見表4，縱筋按對稱配筋計算，其拱肋彎矩和軸力分布如圖10所示，殼板內(nèi)力分布如圖11所示。

表4 殼板偏置時拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力

圖10 考慮殼板偏置時拱肋內(nèi)力

圖11 考慮殼板偏置時殼板內(nèi)力分布云圖

由圖11可知，考慮殼板剛度時，拱肩區(qū)殼板(云圖中綠色位置)處于受拉狀態(tài)，控制拉力160 kN/m，按板厚150 mm，雙層φ12@200 mm配筋，6 m跨度范圍內(nèi)受拉區(qū)間配筋面積6 750 mm2；而不考慮殼板剛度時，預(yù)制殼板次方向采用構(gòu)造配筋，雙層φ6@200配筋面積1 700 mm2。因此，考慮殼板剛度，殼板與拱共同作用，拱肩區(qū)殼板的配筋面積增加約5 050 mm2，設(shè)計時應(yīng)綜合考慮拱肋配筋與殼板配筋進行包絡(luò)設(shè)計。

不考慮殼板偏置，通過拱肋剛度修正近似反映翼緣殼板剛度貢獻。拱肋剛度修正模型計算得到的拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力見表5，縱筋按對稱配筋計算。

表5 拱肋截面設(shè)計控制彎矩和軸力

可以看出，拱肋剛度修正模型計算配筋水平整體高于考慮殼板剛度和殼板偏置模型。采用現(xiàn)澆殼板施工方案時，可采用拱肋剛度修正模型進行包絡(luò)分析設(shè)計。

考慮殼板剛度時，如果考慮殼板偏置，殼板剛度使得拱肩以上軸力明顯增大，拱腳軸力減小，拱肋彎矩減小，控制截面的計算配筋，拱肩以上有所減小，拱腳配筋有所增加。

綜上所述，考慮殼板偏置時，拱肋與殼板T形截面共同工作，綜合考慮拱肋和殼板配筋(對比表2和表4)，考慮殼板剛度時拱肋和殼板總計算配筋量與不考慮殼板剛度的總計算配筋量大體相當，因此現(xiàn)澆殼板方案和預(yù)制殼板施工方案對應(yīng)的結(jié)構(gòu)總配筋水平基本一致，但是預(yù)制殼板方案的施工周期短，綜合效益高于現(xiàn)澆殼板，因此宜采用預(yù)制殼板方案。

6 拱結(jié)構(gòu)設(shè)計方法[16-18]

由于封閉式聲屏障采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)，薄殼結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式SP大板，預(yù)制殼板幾乎不提供面外剛度約束，在設(shè)計過程中不考慮殼板剛度[19]。

6.1 拱截面配筋

按照混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)對拱截面在靜力及地震工況下的正截面受力進行配筋計算。由于拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計難度較大，采用現(xiàn)有的設(shè)計軟件很難完成配筋計算。對聲屏障拱結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，按照每一個單元的內(nèi)力情況來進行配筋計算，最后根據(jù)拱內(nèi)各單元所處位置給出從左至右的配筋結(jié)果，次梁及中柱屬于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計。聲屏障結(jié)構(gòu)典型段的計算模型如圖12所示。

圖12 典型區(qū)段聲屏障拱結(jié)構(gòu)模型

聲屏障拱結(jié)構(gòu)的配筋計算流程如圖13所示，主要分為壓彎構(gòu)件和拉彎構(gòu)件進行配筋計算，計算過程通過編制程序?qū)崿F(xiàn)。

圖13 聲屏障上部拱結(jié)構(gòu)設(shè)計流程

6.1.1 分類一：拉彎構(gòu)件

e0=M/N，h0=h-as

xb=ξbh0

(1)如果e0≥h/2-as，則為大偏心受拉構(gòu)件。

假定x=xb=ξbh0，此時受壓筋充分屈服。

(1)

(2)

(2)如果e0

(3)每一單元每一工況內(nèi)力有一個計算結(jié)果，取計算結(jié)果與最小配筋率的較大值。

如柱根位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.4%；

如其他位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.31%。

如柱根位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.4%；

如其他位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.31%。

6.1.2 分類二：壓彎構(gòu)件

e0=M/N，h0=h-as，ea=max{20，h/30}

ei=e0+ea，e=ei+h/2-as

(1)如果ei>eob，min，則為大偏心受壓構(gòu)件

取相對受壓區(qū)高度ξ=ξb=0.518

(3)

計算截面M1之抵抗矩系數(shù)為

(4)

相對受壓區(qū)高度

(5)

(2)如果ei

如果As<0，則按最小配筋率來配置受拉鋼筋A(yù)s=ρminbh=0.2%bh。

求解x，進而求出ξ=x/h0。

①如果ξ<2β1-ξb

(6)

(3)每一單元每一工況內(nèi)力有一個計算結(jié)果。

6.2 最小配筋率設(shè)定

計算得到的拱配筋需要滿足構(gòu)造要求的最小配筋率，最小配筋率按照GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(2016版)的要求進行設(shè)置，結(jié)構(gòu)按照抗震等級一級來考慮構(gòu)造措施。

此處給出拱腳位置的最小配筋率設(shè)定，見表6。其中As，上為拱上筋計算配筋面積，As，下為拱下筋計算配筋面積，As，上min為拱上筋最小配筋面積，As，下min為拱下筋最小配筋面積，As，總為拱腳總計算配筋面積，1.05%為截面最小配筋率。

表6 拱腳位置的最小配筋率設(shè)定

6.3 計算結(jié)果統(tǒng)計

計算結(jié)果以配筋率和配筋面積的形式給出，見表7。每一段聲屏障按照從北到南的順序按行排列，從左至右每個單元的配筋情況按列給出4個數(shù)據(jù)，包括上筋配筋率.上筋面積.下筋配筋率，下筋面積，據(jù)此來進行拱結(jié)構(gòu)配筋。

表7 典型段拱截面配筋結(jié)果

表7中顯示深色的部分為拱的跨中或支座負彎矩區(qū)配筋較大位置的配筋情況，計算配筋結(jié)果與實際彎矩圖的對比如圖14所示。圖14中拱肩處拱外側(cè)受拉，配筋表格中上筋配筋面積較大；跨中處拱內(nèi)側(cè)受拉，配筋表格中下筋配筋面積較大，計算結(jié)果與實際彎矩圖吻合較好。

圖14 配筋結(jié)果與實際彎矩圖對比

7 拱腳地基基礎(chǔ)設(shè)計[20]

根據(jù)上部拱結(jié)構(gòu)水平推力大的特點，除個別區(qū)段以外，聲屏障拱腳基礎(chǔ)采用重力式擋墻基礎(chǔ)，與樁基礎(chǔ)對比顯示，重力式擋墻基礎(chǔ)可大大節(jié)省工程造價。相鄰拱跨基礎(chǔ)連接形成連續(xù)擋土墻和連續(xù)底板，利用上部結(jié)構(gòu)自重.基礎(chǔ)覆土和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的摩擦力抵抗水平推力。基礎(chǔ)按拱跨6 m獨立設(shè)計，上部結(jié)構(gòu)聯(lián)立位置考慮基礎(chǔ)共同作用。

拱腳基礎(chǔ)計算簡圖如圖15所示。參考重力式擋墻基底逆坡，基礎(chǔ)底板反傾角α0=5.7°，基礎(chǔ)頂寬度L=2.51 m，基礎(chǔ)特征埋深H=2.5 m。基礎(chǔ)底板厚度B=1.0 m，其他參數(shù)如下，基礎(chǔ)底板前挑長度L1，m；基礎(chǔ)底板后挑長度L2，m；基礎(chǔ)總長度Ls，m；基礎(chǔ)上有效覆土厚度HL，m；拱腳內(nèi)側(cè)最大深度H1，m；拱腳外側(cè)最大深度H2，m。γw.γ和γw分別為混凝土.土體和水容重，N/m3。

圖15 拱腳基礎(chǔ)計算模型

7.1 靜止土壓力

拱腳內(nèi)外側(cè)土壓力均按靜止土壓力計算，拱腳內(nèi)側(cè)考慮基礎(chǔ)頂高程以上覆土及列車荷載，列車荷載按照TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計規(guī)范》取值，見表8。

表8 列車荷載取值

拱腳外側(cè)每延米靜止土壓力

Ea1=0.5×[(1.2γ-0.6γw)+

(γ-γw)(H2-0.5B)]B

每延米基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)靜止土壓力整體擋墻和基礎(chǔ)底板分別計算，其中qk為拱腳內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)高程以上等效荷載。

整體擋墻

(7)

基礎(chǔ)底板：

Ea22=0.5((γ-γw)(H1-0.5B)+qk)B

(8)

平均每延米基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)靜止土壓力

(9)

7.2 基礎(chǔ)及上覆土自重

分別計算混凝土體積Vc，回填土體積Vs和最高水位體積Vw，按各自容重計算考慮浮力的基礎(chǔ)及上覆土自重。

(10)

(11)

(12)

G=γcVc+γVs-γwVw

(13)

7.3 抗滑移驗算

抗滑移驗算，作用效應(yīng)按承載力極限狀態(tài)作用下的基本組合，其分項系數(shù)均為1.0。

GB50007—2011《地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中，可塑性黏性土對擋土墻基底摩擦系數(shù)取0.25～0.30，基底土層和基礎(chǔ)底板之間摩擦系數(shù)μ取0.28，各區(qū)段通過摩擦試驗確定摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)不滿足的區(qū)段應(yīng)進行地基處理，其中，V.FN為標準組合下基底水平力及豎向反力。

抗滑移分子

μ[(G+FN)cosa0+(V+Ea2-Ea1)sina0]

(14)

抗滑移分母

(V+Ea2-Ea1)cosa0-(G+FN)sina0

(15)

滑移系數(shù)kn=1.88>1.3，滿足規(guī)范要求。

7.4 抗傾覆驗算

抗傾覆驗算，作用效應(yīng)按承載力極限狀態(tài)作用下的基本組合，分項系數(shù)均為1.0，其中M為標準組合下基底彎矩。

抗傾覆分子

(16)

抗傾覆分母

(17)

傾覆系數(shù)kt=4.14>1.6，滿足規(guī)范要求。

7.5 地基承載力驗算

地基承載力驗算，作用效應(yīng)按承載力極限狀態(tài)作用下的基本組合，其分項系數(shù)均為1.0。

傳至基礎(chǔ)底板的彎矩

(18)

當軸心荷載作用時

(19)

當豎向力Fc和Mxc同時作用時

(20)

地基承載力按下式驗算

(21)

其中，fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.5)

對于地震工況組合，考慮地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)1.1。經(jīng)驗算，地基承載力均滿足規(guī)范要求。

綜上所述，封閉式聲屏障采用重力式擋墻基礎(chǔ)，直接持力層為粉土.粉質(zhì)黏土或砂土層，基礎(chǔ)設(shè)計要考慮的因素較多，綜合考慮覆土荷載及列車荷載的影響，為準確驗算地基承載力提供了完備條件。基底反傾角主要用于抵抗水平力，對基礎(chǔ)抗滑移也有重要影響，反傾角過小無法抵抗基底水平力，反傾角過大將不利于基礎(chǔ)抗傾覆，土的滑移系數(shù)需要通過現(xiàn)場試驗測定。內(nèi)側(cè)上覆土對基礎(chǔ)抗傾覆有利，外側(cè)上覆土對基礎(chǔ)抗傾覆不利。

8 結(jié)語

對京沈高鐵北京朝陽站至五環(huán)路段全封閉式聲屏障的設(shè)計方法進行了深入研究。主要包括平面.立面布置情況，拱肋與殼板協(xié)同作用研究，拱肋配筋方法，拱腳地基及基礎(chǔ)設(shè)計方法等。通過深入研究工程特點及分析思路，形成了一套行之有效的鐵路封閉聲屏障設(shè)計方法。

本文給出了聲屏障荷載的類型及取值，包括恒活荷載.風(fēng)雪荷載.列車風(fēng)荷載和地震荷載等，對聲屏障的平面及立面表達方式進行了探討，并研究了現(xiàn)澆方案中殼板剛度及殼板偏置對拱肋受力及配筋的影響。不等跨拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)采用常規(guī)設(shè)計軟件計算存在較大難度，通過編制程序大大提高了該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率；采用重力式擋墻基礎(chǔ)，設(shè)置基底逆坡抵抗水平力，降低了工程造價。

不論從結(jié)構(gòu)形式還是工程規(guī)模上講，采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)的全封閉聲屏障在國內(nèi)尚屬首例。本文從結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計方法方面對該類聲屏障進行了詳細分析和研究，以期對今后的高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計提供有益思路和方法。