聲屏障設計及結構驗算

賀 超，曾 濤

（1.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中恒工程設計院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟和社會生產(chǎn)的迅速發(fā)展、城市化進程的不斷加快，城市交通也在快速發(fā)展。然而，快速發(fā)展的城市交通帶來的噪音污染與日益提高的人民生活品質(zhì)之間的矛盾也日趨明顯。既要加快城市交通的建設，方便民眾出行，同是也要為民眾提供安靜舒適的生活環(huán)境，隔聲降噪便成為城市交通建設中重要的一環(huán)。聲屏障作為一種經(jīng)濟而有效的降噪措施，越來越多的被應用于城市交通建設中。

1 聲屏障降噪機理

聲屏障是一種專門設計的立于噪聲源和受聲點之間的聲學障板，是以吸聲或隔聲，或吸聲和隔聲混合的材料組成的一種聲學裝置。聲波在傳播過程中，遇到隔聲屏障時，就會發(fā)生反射、透射和繞射三種現(xiàn)象，如圖1 所示。通常我們認為屏障能夠阻止直達聲的傳播，并使繞射聲有足夠的衰減，而透射聲的影響可以忽略不計。因此，隔聲屏障的隔聲效果一般可用減噪量表示，它反映了隔聲屏障上述兩種屏蔽透聲的本領。在聲源和接收點之間插入一個隔聲屏障，設屏障無限長，聲波只能從屏障上方繞射過去，而在其后形成一個聲影區(qū)，就象光線被物體遮擋形成一個陰影那樣。在這個聲影區(qū)內(nèi)，人們可以感到噪聲明顯地減弱了，這就是隔聲屏障的減噪效果。

圖1 聲波傳播路徑

2 聲屏障設計

2.1 總體構造

（1）聲屏障高度：3 m。

（2）標準單元長度：2 m。

（3）聲屏障外形：頂面采用弧形，吸聲屏內(nèi)、外表面均為波浪形。

（4）外觀顏色：鋼立柱、吸聲屏表面顏色均為啞光綠色，隔聲屏不透光。

2.2 吸聲屏構造及技術要求

（1）一個標準單元中包含3 塊吸聲板，高均為0.5 m，總厚均為100 mm。

（2）吸聲屏面板、背板均采用1 mm 厚的波浪形冷軋鋼板，為保證吸音效率，在面板上設微穿孔，開孔率＞23%，背板上不開孔。

（3）吸聲材料采用聚酯纖維板、三聚氰胺板、發(fā)泡陶瓷、泡沫鋁等，不得采用巖棉、玻璃棉等戶外耐久性差、對人體有危害的材料。

（4）吸聲屏性主要能指標見表1。

表1 吸聲屏主要性能指標表

（5）吸聲屏原則上采用廠家的成品板。

（6）吸聲屏表面光潔，無傷痕、皺皮、流墜、氣泡、變色和色澤不勻等缺陷。

（7）吸聲屏應具有防腐蝕、抗凍融、抗老化、防沖擊、防潮（水）、防蟲、防紫外線等功能。

2.3 隔聲屏構造及技術要求

（1）一個標準單元中，隔聲屏寬度1.97 m，高度1.5 m。

（2）隔聲屏采用15 mm 厚單面磨砂加筋亞克力板材，磨砂面向內(nèi)。

（3）隔聲屏主要性能指標見表2。

表2 亞克力隔聲屏主要性能指標表

（4）隔聲屏采用鋁合金框架，其主型材截面的最小實測壁厚應不小于1.4 mm。

（5）隔聲屏與框架的固定應采用嵌入安裝法或螺栓安裝法，不應采用自攻螺釘固定。

（6）聲屏障結構布置如圖2 所示。

圖2 聲屏障立面布置圖（單位：mm）

3 聲屏障結構驗算

3.1 荷載計算

3.1.1 結構自重

（1）立柱重

聲屏障立柱采用HW125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mmQ235B 級型鋼，立柱高3 m，結構自重：

（2）吸聲屏重

吸聲屏面密度按照30 kg/m2計，單跨吸聲屏重：

（3）隔聲屏重

隔聲屏面密度按照1 200 kg/m3計，單跨隔聲屏重：

（4）鋁合金邊框重

項目采用鋁合金邊框規(guī)格為80 mm×80 mm×1.5 mm，邊框尺寸1 950 mm×1 500 mm，鋁合金容重按照27.7 kN/m3，單跨邊框重：

3.1.2 風荷載

按照現(xiàn)行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），作用在聲屏障上的水平側(cè)向風荷載按照下式計算：

式中：ωk為作用在聲屏障上的風壓，kN/m2；βgz為高度z 處的陣風系數(shù)，按《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）表5.2.7-1 取值，橋位處地面粗糙度類別為C類，橋面離地高度10 m，βgz取值為2.05；μsl為風荷載局部體型系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）取值；橋梁用聲屏障取1.65；μz為風壓高度變化系數(shù)，按《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）表5.2.7-2 取值，橋位處地面粗糙度類別為C類，橋面離地高度10 m，μz取值為0.65；ω0為基本風壓，kN/m2，按現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）取值，貴陽市50 a重現(xiàn)期基本風壓為0.3 kN/m2。

按照上述取值進行計算，作用在聲屏障上的風壓為：

作用在立柱上的風荷載集度為：

橋面高度處的風速驗算：

根據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012）附錄E 可知基本風壓ω0與基本風速v0的關系式為：

同理可得，橋面高度處作用在聲屏障上的風壓ωk與風速v 的關系為：

式中：ρ 為空氣密度，取1.25×10-3t/m3。

由上述可知橋面高度處風速為：

按《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）

5.2.9 條規(guī)定：當風荷載參與車致風壓荷載效應組合時，橋面高度處風速不應大于25 m/s。

因而當風荷載參與車致風壓荷載效應組合時，其作用在聲屏障上的最大風壓為：

作用在立柱上的風荷載集度為：

3.1.3 車致風壓荷載

按照現(xiàn)行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），作用在聲屏障上的車致風壓荷載可通過下式計算：

式中：k1為車輛形狀系數(shù)，本橋位于市區(qū)中心，本次計算按照客車取值k1=0.85；ρ 為空氣密度，取1.25×10-3t/m3；Vt為車輛速度，m/s，按照道路設計速度取值為60 km/h；Cpl為車致風壓系數(shù)；Y 為車輛中心線至聲屏障的距離，該橋梁為雙向4 車道，車道1 的距離Y1取值為2.7，車道2 的距離Y2取值為6.2。

按照上述取值進行計算，在不考慮對向行車影響的前提下，作用在聲屏障上的車致風壓計算如下：

作用在立柱上的車致風壓荷載集度為：

3.1.4 雪荷載

按照現(xiàn)行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），作用在聲屏障投影面上的雪荷載標準值按照下式計算：

式中：μr為聲屏障頂面積雪分布系數(shù)，聲屏障結構承重框架和立柱可按全跨積雪的均勻分布分布情況采用，μr=1.0；s0為基本雪壓，kN/m2，基本雪壓重現(xiàn)期應為50 a，據(jù)現(xiàn)行國家標準《建筑結構荷載規(guī)范》（GB 50009—2012），貴陽市區(qū)s0取值0.2 kN/m2。

按照上述取值進行計算，作用在聲屏障投影面上的雪荷載標準值：

作用在立柱上的雪荷載（即單跨聲屏障投影面上的雪荷載）為：

3.2 荷載組合（基本組合）

3.2.1 風荷載參與車致風壓荷載組合時，立柱底緣截面荷載效應基本組合

3.2.2 風荷載不參與車致風壓荷載組合時，立柱底緣截面荷載效應基本組合

3.3 結構驗算

立柱結構受力如圖3 所示。

圖3 受力簡圖

3.3.1 立柱強度驗算

由上述3.2.1、3.2.2 計算可知，風荷載不參與車致風壓荷載組合時，立柱底緣截面荷載效應基本組合較為不利，進行結構承載能力極限狀態(tài)驗算時應采用3.2.2 的效應組合。

抗彎強度驗算：

抗剪強度驗算：

由上可知，立柱強度驗算滿足要求。

3.3.2 立柱撓度驗算

按照現(xiàn)行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），在風荷載設計標準值作用下，立柱頂點水平位移值不應大于H/200。

由上可知，立柱撓度驗算滿足要求。

3.3.3 基底連接螺栓強度及錨固長度驗算

聲屏障立柱底通過2 根直徑20 mm 的U 形8.8 級高強螺栓與混凝土防撞護欄連接，螺栓錨固長度500 mm，前后排螺栓間距100 mm。螺栓有效直徑為17.65 mm。柱腳連接上鋼板厚20 mm，護欄頂預埋下鋼板厚10 mm。

根據(jù)《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）第11.4.1 條可知：

抗剪承載力由2 排4 顆螺栓共同提供，抗拉承載力由后排2 顆螺栓提供：

螺栓強度驗算滿足要求。

根據(jù)《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2015）第8.3.1 條可知，螺栓錨固長度：

螺栓錨固長度驗算滿足要求。

4 結語

通過對貴陽市某高架橋聲屏障主要結構進行設計計算，其強度、剛度等均滿足要求，為項目的安全實施提供可靠依據(jù)。聲屏障結構計算相對簡單，我們需要更多的關注聲屏障的日常管理養(yǎng)護，注重鋼結構部分的防腐，確保其耐久性，確保聲屏障在使用年限內(nèi)的安全。