林建茂

（福建省高速公路科技創(chuàng)新研究院有限公司，福建 福州 350001）

隨著高速公路的快速發(fā)展，沿線噪聲污染問題日益突出。國(guó)內(nèi)外已有學(xué)者開展聲屏障相關(guān)理論及試驗(yàn)研究，積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但尚未形成成熟的理論應(yīng)用體系［1］。

本文對(duì)高速公路常見的聲屏障結(jié)構(gòu)形式及屏體材質(zhì)進(jìn)行分類對(duì)比分析，并以福建省高速公路典型的橋梁式聲屏障結(jié)構(gòu)為例，進(jìn)行各項(xiàng)力學(xué)性能驗(yàn)算分析；在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)、景觀、材料選取等角度剖析，為高速公路聲屏障工程設(shè)計(jì)應(yīng)用提供借鑒。

1 聲屏障分類

聲屏障是通過(guò)延長(zhǎng)聲源處聲音的傳播路徑或改變傳播方向方式等起到隔音降噪效果。根據(jù)聲屏障工作原理，可將聲屏障按結(jié)構(gòu)形式和屏體材質(zhì)進(jìn)行不同的分類。

1.1 按結(jié)構(gòu)形式分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式不同，可將聲屏障分為直立式、直弧式、封閉式3種常見類型［2-3］，如圖1所示。

圖1 常見聲屏障結(jié)構(gòu)形式Fig. 1 Common structural forms of sound barrier

直立式聲屏障是最為常見的一種，其造型簡(jiǎn)單，便于安裝與運(yùn)輸，性價(jià)比較高，但隔音降噪效果一般；直弧式聲屏障是將頂部立柱與屏體單元做成弧形結(jié)構(gòu)形式（沿噪聲源方向），通過(guò)延長(zhǎng)聲程差起到降噪效果，該類結(jié)構(gòu)對(duì)加工生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝工藝等要求較高，因而總體造價(jià)較高；封閉式聲屏障類似于隧道，可將過(guò)往車輛產(chǎn)生的噪聲完全包封在道路內(nèi)側(cè)，隔聲效果佳，主要適用于噪聲要求高的敏感區(qū)域路段，整體造價(jià)不菲，但也極大影響了沿線的自然景觀及行車舒適度。3種不同結(jié)構(gòu)的聲屏障性能對(duì)比見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)形式的聲屏障性能特性對(duì)比Table 1 Comparison of performance and characteristics of sound barriers with different structural forms

1.2 按屏體材質(zhì)分類

高速公路常用的屏體材質(zhì)有混凝土、鍍鋅鋼板和亞克力板3 類。其中，混凝土類屏體是早期較為常見的一種材質(zhì)，主要適用于遠(yuǎn)離城區(qū)的路基段，該類屏體耐腐蝕性強(qiáng)、強(qiáng)度高、使用壽命長(zhǎng)，但存在隔聲效果一般、結(jié)構(gòu)笨重、適用性弱、沿線景觀和諧性差等弱點(diǎn)；鍍鋅鋼板（鋁合金板）是當(dāng)前高速公路主流屏體的外殼材質(zhì)，材質(zhì)輕巧、隔音效果優(yōu)、易于運(yùn)輸與安裝、價(jià)格低，但耐腐蝕性差、壽命短（8～10 a），且隨著年限增長(zhǎng)，隔聲效果急劇下降，甚至成為“二次噪聲源”；亞克力板一般用于城區(qū)或?qū)坝^有特殊要求的路段，該類材質(zhì)透光率高、抗拉壓性能好、與沿線景觀協(xié)調(diào)性好，但造價(jià)昂貴、材質(zhì)易變黃且透光率穩(wěn)定性差。不同屏體材質(zhì)的性能對(duì)比見表2。

表2 不同屏體材質(zhì)性能特性對(duì)比Table 2 Comparison of performance characteristics of different screen materials

2 聲屏障力學(xué)性能分析

2.1 工程概況

以福建省南平市高速公路某段橋梁式聲屏障為例，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)性能分析。該聲屏障為直弧式聲屏障，由屏體單元板、立柱和基礎(chǔ)底座3部分組成，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 橋梁式聲屏障結(jié)構(gòu) 單位：mmFig. 2 Bridge-type sound barrier structure

聲屏障屏體豎向由1 m 高的彩鋼夾芯隔聲板和1 m 高的鍍鋅夾芯百葉吸聲板（向內(nèi)折彎）組成，屏體單元板尺寸均為1 970 mm×500 mm×100 mm；工字鋼立柱為3 092 mm×150 mm×150 mm，Q235材質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)立柱間距為2.0 m，立柱底部通過(guò)6個(gè)A級(jí)M24螺栓與砼護(hù)欄連接。

2.2 力學(xué)性能分析

由聲屏障傳力路徑可知，屏體單元板承受自然風(fēng)荷載，并通過(guò)立柱傳遞至防撞護(hù)欄（立柱底部通過(guò)螺栓與砼護(hù)欄形成剛性連接），即屏體單元板受力傳遞路徑為：外界荷載→屏體單元板→立柱→基礎(chǔ)［4］。因而可將立柱視為懸臂構(gòu)件，其根部為薄弱控制面，應(yīng)驗(yàn)算最不利工況，即自重+風(fēng)荷載+雪荷載組合下（南平地區(qū)常年氣溫高于零度，因而可忽略雪荷載影響），立柱薄弱控制截面處的強(qiáng)度、擾度、穩(wěn)定性和柱腳螺栓強(qiáng)度［5］。

2.2.1 最不利工況

2.2.1.1 結(jié)構(gòu)自重

選取標(biāo)準(zhǔn)跨立柱左右各一半單元作為一個(gè)受力分析單元體，如圖3所示。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)跨計(jì)算單元體 單位：mmFig. 3 Standard cross computing unit body

立柱承受的豎向荷載G包含立柱自身重力G1和左右相鄰屏體各一半的重力G2。經(jīng)計(jì)算，工字鋼立柱G1重力為0.95 kN，屏體單元板G2重力為2.20 kN，因而豎向總荷載G為3.15 kN。

2.2.1.2 風(fēng)荷載

當(dāng)風(fēng)荷載方向垂直于屏體單元板正面時(shí)，產(chǎn)生的外力為最大工況。依據(jù)《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［6］與《鐵路聲屏障工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［7］，風(fēng)荷載計(jì)算公式為

式中：ωk為自然風(fēng)荷載，kN/m2；βgz為距地面高度z處的陣風(fēng)系數(shù)；μsl為風(fēng)荷載局部體型系數(shù)，橋梁結(jié)構(gòu)取1.65；μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取0.65；ω0為基本風(fēng)壓值，kN/m2。

該橋處于南平市區(qū)且橋面距地面高度約為5 m，按50 a重現(xiàn)期設(shè)計(jì)，查《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》［8］，知βgz=2.05，50 a 重現(xiàn)期風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)值ω0為0.35 kN/m2，因而

2.2.2 立柱薄弱控制截面處的驗(yàn)算

由結(jié)構(gòu)受力分析可知，風(fēng)荷載是影響結(jié)構(gòu)的主要荷載，在風(fēng)荷載作用下，立柱薄弱控制截面為立柱頂部距最底排螺栓的距離，即L=2.7 m 處的截面（后面統(tǒng)稱為控制截面）。結(jié)構(gòu)最不利荷載效應(yīng)值計(jì)算公式為

式中：Sd為荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值，kN；γGj為第j個(gè)永久荷載的分項(xiàng)系數(shù)；SGjk為第j個(gè)永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值Gjk計(jì)算的荷載效應(yīng)值，kN；γQi為第i個(gè)可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)；SQik為第i個(gè)可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值Qik計(jì)算的荷載效應(yīng)值，kN；ψci為第i個(gè)可變荷載Qi的組合值系數(shù)。

根據(jù)《聲屏障結(jié)構(gòu)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》［6］，SQ1k為各可變荷載效應(yīng)中起控制作用的荷載效應(yīng)值，對(duì)應(yīng)的γQ1=1.4。又由于在聲屏障中，當(dāng)可變荷載起控制作用時(shí)，γGj=1.2；當(dāng)永久荷載起控制作用時(shí)，γGj=1.35。

在本例中，風(fēng)荷載是影響結(jié)構(gòu)的主要荷載，因此，γGj=1.2，此時(shí)屏體與立柱自重產(chǎn)生的永久荷載效應(yīng)值

風(fēng)荷載引起的立柱底面剪力

（屏體長(zhǎng)度為2 m，立柱頂部至底排螺栓的距離為2.7 m）；

風(fēng)荷載引起的立柱在底排螺栓截面處沿工字鋼翼板方向的彎矩

（令工字鋼翼板方向?yàn)閤軸、腹板方向?yàn)閥軸）。

2.2.2.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

立柱控制截面處強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中：f為立柱控制截面處的強(qiáng)度，N/mm2；A為立柱截面積，mm2；γx為截面沿x軸方向的塑性發(fā)展系數(shù)；wx為x軸截面模量，mm3。

查《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》［9］附表3.16 及附錄5，150 mm×150 mm×7 mm×10 mm 規(guī)格的工字鋼截面積A=4 055 mm2，x軸截面模量wx=221 000 mm3，γx=1.05，從而

由上述計(jì)算可知：在最不利荷載工況下，立柱控制截面處強(qiáng)度約為鋼材屈服強(qiáng)度f(wàn)σs=215 N/mm2［6］的六分之一，滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

2.2.2.2 擾度驗(yàn)算

在聲屏障計(jì)算中，立柱可視為懸臂構(gòu)件，其最大位移出現(xiàn)在柱頂截面處。立柱最大位移計(jì)算公式為

式中：VQ為立柱最大位移，mm；L為立柱有效高度，也就是立柱頂部至底排螺栓的距離，mm；E為鋼材的彈性模量，N/mm2；I為工字鋼截面慣性矩，mm4。

由于L=2 700 mm，E=206 kN/mm2，查《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》［9］附表3.16，I=16 600 000 mm4，從而

即在最不利荷載組合作用下，立柱頂部位移VQ=4.2 mm，低于規(guī)范值L/200（2 700/200=13.5 mm）［6］，滿足構(gòu)造要求。

2.2.2.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算

構(gòu)件最不利方向的長(zhǎng)細(xì)比λmax計(jì)算為

式中：O為對(duì)應(yīng)方向的回轉(zhuǎn)半徑，mm。

查《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》［9］附表3.16，150 mm×150 mm×7 mm×10 mm 工字鋼的Ox=63.9 mm，Oy=37.3 mm，因而

彎矩作用下平面內(nèi)整體穩(wěn)定性計(jì)算公式為

式中：f內(nèi)為彎矩作用下平面內(nèi)整體穩(wěn)定性，N/mm2；βmx為桿件非均勻分布的彎矩?fù)Q算成兩端彎矩相等的等效彎矩系數(shù)；N′Ex為桿件平面內(nèi)彎曲的臨界力，kN。

由于

查《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》［9］，βmx=1.0，受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φx=0.889、φy=0.736，

因而

彎矩作用下平面外整體穩(wěn)定性計(jì)算公式為

式中：f外為彎矩作用下平面外整體穩(wěn)定性，N/mm2；φb為均勻彎曲梁的整體穩(wěn)定系數(shù)；βtx為平面外的等效彎矩系數(shù)。

對(duì)于雙軸對(duì)稱工字鋼截面，當(dāng)φb＞1.0 時(shí)，取φb=1.0；否則，按實(shí)計(jì)算。

查《鋼結(jié)構(gòu)基本原理》［9］，βtx=0.65，由于

因而

因此，在最不利荷載工況下，聲屏障立柱整體穩(wěn)定性均滿足要求。

2.2.2.4 柱腳連接驗(yàn)算

通過(guò)對(duì)立柱底部螺栓群連接鍵受力分析可知，外荷載繞最低點(diǎn)螺栓轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，螺栓受力最大。，則連接可靠。

每個(gè)螺栓承受的剪力和拉力計(jì)算公式分別為

此時(shí)，若

式中：Nv、Nt分別為每個(gè)螺栓所承受的剪力和拉力，kN；分別為每個(gè)螺栓所承受剪力和拉力的設(shè)計(jì)值，kN；n為螺栓個(gè)數(shù)，這里n=6；yq為各螺栓到螺栓群中最不利螺栓的轉(zhuǎn)動(dòng)距離，y1為yq中的最大值，mm；q為螺栓群中第q個(gè)螺栓；m為螺栓的列數(shù)。

每個(gè)螺栓承受的剪力

每個(gè)螺栓承受的拉力

螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為

式中：d為螺栓直徑，這里d=24 mm ；為螺栓的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，=190 N/mm2。

因而

螺栓抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算公式為

因而

從而

即連接可靠，滿足構(gòu)造要求。

由以上計(jì)算可知，該聲屏障結(jié)構(gòu)立柱的強(qiáng)度、擾度、穩(wěn)定性以及基礎(chǔ)螺栓連接均滿足設(shè)計(jì)要求，且安全富裕系數(shù)過(guò)于保守。

3 聲屏障設(shè)計(jì)思考

聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)融合聲學(xué)、結(jié)構(gòu)造型、材質(zhì)、景觀于一體的綜合性設(shè)計(jì)學(xué)科，在聲屏障結(jié)構(gòu)滿足最不利工況下各項(xiàng)性能指標(biāo)的同時(shí)，要優(yōu)先考慮沿線氣候、自然景觀、地域文化、運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面，盡力做到沿線聲屏障結(jié)構(gòu)形式與外界環(huán)境的和諧統(tǒng)一。

在聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要考慮風(fēng)荷載，也就是首先要參考當(dāng)?shù)氐幕撅L(fēng)壓值等特征參數(shù)，嚴(yán)禁套用“通用圖”，從而導(dǎo)致部分高速區(qū)域路段的聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)安全系數(shù)偏高，浪費(fèi)資源；或者部分區(qū)域路段聲屏障結(jié)構(gòu)未能滿足規(guī)范要求，形成安全隱患。

高速公路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、壽命的基礎(chǔ)上，還應(yīng)因地制宜，兼顧聲屏障附屬設(shè)施與沿線環(huán)境和諧共存的理念，將沿線自然景觀、地域文化元素融入設(shè)計(jì)。具體地說(shuō)，在聲屏障外觀造型方面，應(yīng)綜合考慮聲屏障長(zhǎng)度、人體舒適感（視覺疲勞、壓抑感等）等元素，宜采用新穎、柔和的結(jié)構(gòu)形式，避免單調(diào)、呆板；在色彩選取方面，盡可能選取單一顏色，色彩比例要協(xié)調(diào)，可選用淺藍(lán)色、灰色等中性、溫和的色調(diào)，外側(cè)色彩應(yīng)盡可能地與周圍環(huán)境色調(diào)保持一致［10-11］。

在高速公路聲屏障屏體材質(zhì)選擇方面，要積極探索新型材料，特別是高性能纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在聲屏障屏體中的應(yīng)用，盡力避免當(dāng)前以鋼筋混凝土、金屬?gòu)?fù)合吸（隔）聲板和透光板為主的屏體材質(zhì)的缺陷，有效提高屏體的耐久性，還可以塑造出滿足沿線景觀路段特殊要求的色彩與質(zhì)感［12-13］。

4 結(jié)語(yǔ)

高速公路聲屏障工程是一個(gè)融合聲學(xué)、材質(zhì)、景觀、結(jié)構(gòu)于一體的綜合性設(shè)計(jì)學(xué)科，在滿足聲屏障結(jié)構(gòu)安全及聲學(xué)要求的前提下，應(yīng)從多方面、多維度提升聲屏障的壽命周期及隔聲降噪效果；另外，還要考慮沿線景觀、視覺協(xié)調(diào)的融合度等，營(yíng)造一種舒適的行車環(huán)境，積極提升聲屏障的品質(zhì)工程。