楊廣安

(上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海市 200125)

近年來(lái)，越來(lái)越多的市政橋梁通過(guò)設(shè)置聲屏障來(lái)減輕行車噪聲對(duì)附近居民的影響。聲屏障通過(guò)螺栓或焊接固定在橋梁防撞墻的預(yù)埋鋼板上，目前針對(duì)聲屏障對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的影響方面的研究較少。

隨著環(huán)保要求日趨提高，聲屏障的高度也越做越高，有的甚至高達(dá)5～6m，還有的要求設(shè)置全封閉結(jié)構(gòu)?；诖吮尘?，聲屏障對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的影響日益突出，《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51335-2018)中明確指出安裝在橋梁上的聲屏障，應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行專項(xiàng)驗(yàn)算。因此，結(jié)合目前常見(jiàn)市政橋梁結(jié)構(gòu)形式，分別闡述聲屏障對(duì)橋梁上下部結(jié)構(gòu)的影響并提出相關(guān)設(shè)計(jì)建議。

1 聲屏障荷載取值

聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)荷載包括聲屏障結(jié)構(gòu)自重、風(fēng)荷載、雪荷載、車致脈動(dòng)荷載等，對(duì)于非全封閉聲屏障結(jié)構(gòu)，雪荷載及車致脈動(dòng)荷載對(duì)橋梁主體結(jié)構(gòu)的影響較小，僅從結(jié)構(gòu)自重及風(fēng)荷載兩方面去闡述其影響。

圖1 聲屏障荷載示意圖

1.1 結(jié)構(gòu)自重

聲屏障結(jié)構(gòu)自重包括聲學(xué)材料的重量、立柱重量和基礎(chǔ)重量。根據(jù)所受風(fēng)壓及屏體高度的不同，常規(guī)2.0～4.0m高聲屏障豎向結(jié)構(gòu)自重約為0.7～1.2kN/m2，設(shè)計(jì)時(shí)可由屏體設(shè)計(jì)單位提供的數(shù)據(jù)確定。

1.2 風(fēng)荷載

由于我國(guó)不同行業(yè)規(guī)范編制的可靠度指標(biāo)等有所不同，目前聲屏障屏體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所選取的風(fēng)荷載的取值有所區(qū)別。屏體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的風(fēng)荷載取值目前比較明確，《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 51335-2018)和國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集《城市道路聲屏障》09MR603 GJBT-1123對(duì)此都有明確的說(shuō)明(以下簡(jiǎn)稱《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《設(shè)計(jì)圖集》)。

(1)《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定作用在聲屏障上的水平側(cè)向風(fēng)荷載宜按下式計(jì)算：

ωk=βgzμslμzω0

式中：ωk—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)；

βgz—高度z處的陣風(fēng)系數(shù)，取為1.7；

μsl—風(fēng)荷載局部體形系數(shù)，橋梁段取1.65；

μz—風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取為1.0；

ω0—50年重現(xiàn)期下的基本風(fēng)壓(kN/m2)。

風(fēng)荷載的組合值系數(shù)、頻遇值系數(shù)和準(zhǔn)永久值系數(shù)可分別取為0.6、0.4和0。

(2)《設(shè)計(jì)圖集》中對(duì)于城市橋梁聲屏障風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式：

式中：W0—50年重現(xiàn)期下基本風(fēng)壓(kN/m2)；

Awh—橫向迎風(fēng)面積(m2)(聲屏障面積)；

k0—設(shè)計(jì)風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)；

k1—風(fēng)荷載阻力系數(shù)；按普通實(shí)腹梁上部結(jié)構(gòu)規(guī)定計(jì)算：

B—橋梁寬度(m)；

H—梁高+混凝土護(hù)欄高+聲屏障高(m)；

k2—考慮地面粗糙度類別和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)；

k3—地形、地理?xiàng)l件系數(shù)；

k5—陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，對(duì)A/B類地表k5=1.38，對(duì)C/D類地表k5=1.7。

荷載組合采用《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》。

可見(jiàn)，《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》和《設(shè)計(jì)圖集》在風(fēng)荷載取值及荷載組合上分別基于《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》和《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》，兩者取用的都是50年重現(xiàn)期下的基本風(fēng)壓，但在風(fēng)載局部體型系數(shù)取值上略有區(qū)別：《技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》采用的是固定數(shù)值1.65，《設(shè)計(jì)圖集》采用的是與橋?qū)払以及迎風(fēng)面高度H有關(guān)的一個(gè)變化值，在H一定的情況下，橋?qū)捲秸?，風(fēng)荷載值越大。

對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)荷載的取值目前均采用《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG/T 3360-01-2018(以下簡(jiǎn)稱《橋抗風(fēng)規(guī)》)中的公式計(jì)算：

式中：Fg—作用在主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的順風(fēng)向等效靜陣風(fēng)荷載(N/m)；

ρ—空氣密度(kg/m3)，可取為1.25kg/m3；

Ug—等效靜陣風(fēng)風(fēng)速(m/s)；

CH—主梁橫向力系數(shù)；同設(shè)計(jì)圖集中的風(fēng)載阻力系數(shù)k1，高度取值時(shí)應(yīng)包含梁高及聲屏障總高；

D—主梁特征高度(m)。

設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值分為W1和W2兩種作用水平：

w1—取值為重現(xiàn)期10年的設(shè)計(jì)風(fēng)速和25m/s的較小值；

w2—取值為重現(xiàn)期100年的設(shè)計(jì)風(fēng)速。

荷載組合：

承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)：風(fēng)主控時(shí)取1.4w2；風(fēng)非主控時(shí)取1.4w1并與汽車荷載組合。正常使用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)：風(fēng)速按w1風(fēng)作用水平選取，風(fēng)荷載的頻遇值系數(shù)ψf和準(zhǔn)永久值系數(shù)ψq均取1.0。

可見(jiàn)，屏體設(shè)計(jì)和橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選取風(fēng)荷載最大的區(qū)別在于重現(xiàn)期的取值上，由于考慮聲屏障荷載后的橋梁結(jié)構(gòu)本質(zhì)上為橋梁結(jié)構(gòu)，其可靠度指標(biāo)應(yīng)遵從橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，且《橋抗風(fēng)規(guī)》在計(jì)算主梁橫向力系數(shù)CH和主梁迎風(fēng)面特征高度D時(shí)均明確需考慮聲屏障高度，因此，核算聲屏障荷載下橋梁結(jié)構(gòu)的安全性時(shí)荷載的取值及組合應(yīng)按《橋抗風(fēng)規(guī)》選用。

2 聲屏障對(duì)上部梁結(jié)構(gòu)的影響

目前市政高架常規(guī)梁橋采用的結(jié)構(gòu)形式有整體式和裝配式兩種，兩種體系的上部結(jié)構(gòu)在受力模式上有較大區(qū)別，因此聲屏障對(duì)其造成的影響也有所不同。

2.1 整體式上部結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)于整體式上部結(jié)構(gòu)，聲屏障對(duì)其影響主要體現(xiàn)在局部挑臂及梁體整體傾覆上，聲屏障對(duì)主梁挑臂局部影響根據(jù)荷載及挑臂局部構(gòu)造按規(guī)范驗(yàn)算即可，在此不做贅述；以下分析聲屏障風(fēng)荷載對(duì)整體抗傾覆能力的影響。

以上海地區(qū)為例：W1風(fēng)作用水平下、C類場(chǎng)地、橋面離地面15m高的30m跨簡(jiǎn)支梁橋(主梁高1.8m，防撞墻高1.0m，聲屏障高3.5m)為例，分別分析考慮聲屏障風(fēng)荷載和不考慮聲屏障風(fēng)荷載兩種工況下直線雙支點(diǎn)主梁的橫向剛體傾覆驗(yàn)算如下：

從表1可見(jiàn)，考慮聲屏障風(fēng)荷載對(duì)上部主梁的抗傾覆能力影響較明顯，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)主梁的影響最大，組合結(jié)構(gòu)梁次之，混凝土梁影響最小，且橋?qū)捲秸绊懺酱?。因此新建或現(xiàn)狀橋梁增設(shè)聲屏障時(shí)不能忽視此影響，抗傾覆能力不足時(shí)可拉大支座間距或采用抗拉錨栓、抗拉支座等措施。

表1 聲屏障對(duì)橋梁抗傾覆能力影響效應(yīng)表

2.2 對(duì)裝配式上部結(jié)構(gòu)的影響

裝配式上部結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)一般把全橋視作一系列并排放置的主梁所構(gòu)成的聯(lián)系結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行分析，根據(jù)各種不同橋梁結(jié)構(gòu)的具體特點(diǎn)對(duì)橫向結(jié)構(gòu)的連接剛性做出不同程度的假設(shè)。

下面以工程上常用的強(qiáng)橫梁體系(多橫梁體系T梁及小箱梁等)和弱橫梁體系(剛接空心板及鉸接空心板等)兩種結(jié)構(gòu)體系的裝配式上部結(jié)構(gòu)分別闡述聲屏障對(duì)其受力的影響。

2.2.1強(qiáng)橫梁體系上部結(jié)構(gòu)

在具有可靠橫向連接且寬跨比較小時(shí)，聲屏障荷載作用下中間橫隔梁的彈性撓曲變形同縱向主梁相比微不足道。此時(shí)整個(gè)主梁斷面橫橋向可看作剛體，聲屏障自重及橫向風(fēng)荷載對(duì)剛體的作用等效為一個(gè)作用于形心的豎向力N+扭矩M?？芍愃朴谄珘簶?gòu)件纖維的伸長(zhǎng)和縮短，此荷載由各片縱梁承擔(dān)，主要表現(xiàn)為各片縱梁以豎向力的形式來(lái)抵抗此豎向力和扭矩，而各梁產(chǎn)生的扭矩較小。

推導(dǎo)可知各梁的豎向荷載Rik如下：

式中：N—聲屏障豎向自重(kN)；

M—聲屏障對(duì)主梁截面的總扭矩(kN·m)；

Ii—各主梁縱向抗彎慣性矩(m4)；

αi—各主梁中心線與橋面中心線間的距離(m)；

β—主梁抗扭修正系數(shù)。

以上海地區(qū)為例：W1風(fēng)作用水平下、C類場(chǎng)地、橋面離地面15m高的40m跨簡(jiǎn)支T梁橋(主梁高2.5m，防撞墻高1.0m，聲屏障高3.5m)為例，采用梁格模型分別計(jì)算橫橋向不同片數(shù)T梁(4～10片T梁，梁中心間距2.4m)在聲屏障風(fēng)荷載作用下主梁受力的影響(僅表示邊梁與次邊梁效應(yīng))，部分結(jié)果摘錄如表2所示。

表2 聲屏障風(fēng)荷載產(chǎn)生的附加內(nèi)力影響效應(yīng)表

圖2 強(qiáng)橫梁體系橫斷面變形示意圖

由以上梁格法計(jì)算分析可見(jiàn)：

(1)橫橋向離橋面中心越遠(yuǎn)的縱梁效應(yīng)越大，因此，橋梁越寬，縱梁的附加荷載效應(yīng)越小，對(duì)于橋?qū)捿^窄的匝道橋尤其應(yīng)注意此附加荷載的影響。

(2)聲屏障荷載產(chǎn)生的附加扭矩及剪力相對(duì)于一期恒載的占比遠(yuǎn)小于附加彎矩的占比，因此可主要關(guān)注附加彎矩的影響。

裝配式橋梁為空間受力結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算分析，一般采用橫向分布系數(shù)簡(jiǎn)化為單梁設(shè)計(jì)，通過(guò)平面桿系有限元計(jì)算模型可簡(jiǎn)便計(jì)算橫向分布系數(shù)[1]。同理可用類似計(jì)算模型來(lái)簡(jiǎn)便分析聲屏障荷載作用下各主梁的荷載效應(yīng)大小。將橫向各片縱梁簡(jiǎn)化為集中彈簧約束的彈性約束梁，相應(yīng)位置加載聲屏障自重及橫向風(fēng)荷載，此時(shí)相應(yīng)支座反力即為縱向每延米主梁所承受的相應(yīng)內(nèi)力大小。

圖3 強(qiáng)橫梁體系裝配式梁橫向計(jì)算示意簡(jiǎn)圖

其中的集中豎向彈簧支承剛度和扭轉(zhuǎn)彈簧支承剛度可由下式得出[1]：

式中E、G分別為彈性模量及抗剪模量，l和lT分別為相應(yīng)主梁的抗彎及抗扭剛度，l為計(jì)算跨徑。若各塊板的截面尺寸不完全相同時(shí)，應(yīng)分別計(jì)算不同類型板的kw和kθ值。對(duì)于中橫隔梁以等剛度矩形截面進(jìn)行等效模擬，使之成為“擬無(wú)橫隔板的肋梁橋”。

2.2.2弱橫梁體系上部結(jié)構(gòu)

剛(鉸)接空心板板梁相對(duì)于多橫隔板的小箱梁/T梁，由于跨中未設(shè)置橫隔板，僅通過(guò)橋面板(鉸縫)聯(lián)系相鄰縱梁，橫向聯(lián)系較弱。

以上海地區(qū)為例：W1風(fēng)作用水平下、C類場(chǎng)地、橋面離地面15m高的20m跨簡(jiǎn)支剛接空心板梁橋(主梁高0.95m，防撞墻高1.0m，聲屏障高3.5m)為例，采用梁格模型分別計(jì)算橫橋向不同片數(shù)空心板梁(5～9片板梁，梁中心間距1.8m)在聲屏障風(fēng)荷載作用下主梁受力的影響(僅表示邊板與次邊板效應(yīng))，部分結(jié)果摘錄如表3所示。

表3 聲屏障風(fēng)荷載產(chǎn)生的附加內(nèi)力影響效應(yīng)表

圖4 弱橫梁體系橫斷面變形示意圖

由以上梁格法計(jì)算分析可見(jiàn)：

(1)由于各縱梁間橫向聯(lián)系較弱，僅離聲屏障較近的幾片縱梁承擔(dān)聲屏障產(chǎn)生的附加荷載，橫向橋?qū)拰?duì)其影響范圍及大小影響不大；因此對(duì)于弱橫梁體系橋梁無(wú)論橋面寬窄均應(yīng)注意聲屏障產(chǎn)生的附加荷載影響。

(2)與強(qiáng)橫梁體系裝配式上部結(jié)構(gòu)相反，弱橫梁體系橋梁在聲屏障荷載作用下產(chǎn)生的附加扭矩及剪力相對(duì)于恒載的占比大于附加彎矩的占比，附加扭矩的效應(yīng)最大，附加剪力次之，附加彎矩基本可忽略。

(3)由于空心板濕接縫(特別是鉸接板的鉸縫)即使在不設(shè)置聲屏障的條件下也是容易出現(xiàn)病害，因此在設(shè)置聲屏障的空心板橋上，聲屏障附近的1～2道濕接縫(鉸縫)應(yīng)采取措施加強(qiáng)其受力。

(4)從梁格模型還可發(fā)現(xiàn)，由于縱梁間橫向聯(lián)系較弱，聲屏障荷載主要通過(guò)邊板的抗扭和端橫梁的抗彎承擔(dān)，小部分通過(guò)橫向橋面板傳遞給相鄰其他板。端橫梁附加彎矩大小與恒載與活載之和的效應(yīng)相當(dāng)，故應(yīng)加強(qiáng)端橫梁的受力核算。

同強(qiáng)橫梁體系類似，也可采用彈性約束梁模型來(lái)簡(jiǎn)便分析聲屏障荷載作用下空心板的受力，此時(shí)對(duì)于橫向聯(lián)系橋面板可按板實(shí)際厚度建立計(jì)算模型，鉸接時(shí)可通過(guò)釋放梁端約束模擬。

圖5 弱橫梁體系裝配式梁跨間橫向計(jì)算示意簡(jiǎn)圖

對(duì)于端橫梁附加橫向彎矩的計(jì)算可采用如下平面桿系模型簡(jiǎn)便模擬：

(1)采用橫梁實(shí)際截面作為桿系截面。

(2)端橫梁每片縱梁實(shí)際位置布置彈簧支撐，彈簧剛度按實(shí)際橡膠支座剛度取值。

(3)離聲屏障較近的邊梁及次邊梁分別加載集中扭矩M1和M2,其中M1和M2數(shù)值由以上跨間橫向計(jì)算模型支座反力取值。

圖6 端橫梁計(jì)算示意簡(jiǎn)圖

3 聲屏障對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響

聲屏障對(duì)下部結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在橫向風(fēng)荷載效應(yīng)上，考慮聲屏障后一方面增大了風(fēng)載阻力系數(shù)，另一方面增大了迎風(fēng)面積。

(1)對(duì)整體式上部梁下部結(jié)構(gòu)的影響

整體式上部梁的下部結(jié)構(gòu)一般由立柱和基礎(chǔ)組成，對(duì)于單支座的橋墩，聲屏障及上部梁橫向風(fēng)荷載僅在墩頂位置傳遞其橫向剪力；對(duì)于固結(jié)或多支座橋墩，橫向風(fēng)荷載產(chǎn)生的彎矩亦能傳遞至橋墩及基礎(chǔ)。對(duì)于橋?qū)捿^窄且墩柱較高的橋梁，聲屏障的風(fēng)荷載可能直接控制了立柱與樁基礎(chǔ)的大小與規(guī)模。

(2)對(duì)裝配式上部梁下部結(jié)構(gòu)的影響

裝配式上部梁的下部結(jié)構(gòu)一般由蓋梁、立柱和基礎(chǔ)組成。風(fēng)荷載對(duì)于蓋梁的影響較小。

由于蓋梁的存在，其風(fēng)荷載效應(yīng)類似于整體式上部梁多支座下部橋墩，聲屏障及上部梁橫向風(fēng)荷載引橋的橫向彎矩亦能傳遞至墩柱及基礎(chǔ)。因此對(duì)于高墩窄橋不能忽略聲屏障荷載的影響。如上海某工程8m寬裝配式小箱梁匝道橋在墩高小于6m且無(wú)聲屏障時(shí)，單墩采用5根Φ800mm樁基，而有聲屏障時(shí)，樁基增加至6根。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析聲屏障對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理可知：

(1)核算聲屏障荷載下橋梁結(jié)構(gòu)的安全性時(shí)荷載的取值及組合應(yīng)按《橋抗風(fēng)規(guī)》選用。

(2)聲屏障對(duì)整體式上部結(jié)構(gòu)主梁抗傾覆能力的影響較明顯，鋼結(jié)構(gòu)主梁>組合梁>混凝土梁，且橋?qū)捲秸绊懺酱?；故在設(shè)置聲屏障時(shí)應(yīng)采取加大支座橫橋向間距或抗拉支座等措施提高抗傾覆能力。

(3)可通過(guò)彈性約束梁模型簡(jiǎn)便計(jì)算聲屏障荷載作用下裝配式上部結(jié)構(gòu)的受力情況。

(4)聲屏障對(duì)于小箱梁、T梁等橫向整體性較好的裝配式上部結(jié)構(gòu)主梁的影響較小，且橋梁越寬影響越小，一般情況下設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮其對(duì)邊板挑臂局部受力的影響；聲屏障對(duì)于剛(鉸)接空心板等橫向整體性較弱的裝配式上部結(jié)構(gòu)主梁的邊梁及邊現(xiàn)澆縫有較明顯影響，且影響程度與橋?qū)捯蛩叵嚓P(guān)度不大，設(shè)計(jì)時(shí)建議重點(diǎn)關(guān)注邊現(xiàn)澆縫的受力性能，適當(dāng)加強(qiáng)邊板的豎向承載能力及端橫隔梁的橫向抗彎能力。

(5)聲屏障橫向風(fēng)荷載對(duì)墩高較高且橋?qū)捿^窄的橋梁下部結(jié)構(gòu)影響較大，設(shè)計(jì)相關(guān)下部結(jié)構(gòu)時(shí)不可忽略其影響。