道路聲屏障基礎連接形式受力分析及優化建議

陶曉光

（上海申華聲學裝備有限公司，上海市200070）

道路聲屏障基礎連接形式受力分析及優化建議

陶曉光

（上海申華聲學裝備有限公司，上海市200070）

隨著經濟的快速發展，交通噪聲對城市道路兩側的居民影響越為嚴重，越來越多的聲屏障設置在城市高架橋、快速路上，基礎連接形式多樣化。通過對各種基礎連接部位的有限元模擬計算，分析各類結構的安全性，據此提出了相應的優化建議。

電力電纜隧道；線路設計；縱斷設計；工作井

0　前言

伴隨著城市建設的快速發展，交通噪聲成為了城市環境中不可忽視的一個環節，聲屏障是控制交通噪聲的一種有效方式。越來越多的聲屏障設置在城市高架橋、快速路上，結構形式多樣，基礎形式多樣化，通常分為有預埋和無預埋式。最為常見的是有預埋，它是指有預埋地腳螺栓，聲屏障鋼結構與地腳螺栓螺母緊固連接；無預埋式主要分為植筋連接與騎馬樁對穿螺桿（栓）連接。多樣化的形式并沒有進行過結構安全性以及整體性的分析。

1　聲屏障荷載分析

聲屏障所承受的主要荷載有：（1）自重荷載：它包含鋼立柱及其他鋼結構、聲屏障單元板及零配件的重力荷載；（2）風壓荷載：水平風荷載，汽車、列車經過時引起的脈動力風壓疲勞荷載，通常不予以考慮疲勞荷載。

聲屏障主要由鋼立柱、預先加工好的吸隔聲單元板，由于主要分析的是柱下結構的安全性，因此不考慮聲屏障單元板自身的參數屬性，而是把荷載加載到鋼立柱上來進行計算。簡化模型見圖1。

圖1　聲屏障框架計算單元圖

除了自重荷載對基礎會造成壓力影響外，風荷載是影響聲屏障結構安全的重要因素，水平風荷載作用在上圖的陰影面積上，受力形式類似于樓面板，荷載傳遞至鋼立柱上，通過立柱與基礎的連接轉移到防撞墻基礎或者路面基礎。

立柱承受均布的橫向風荷載，從圖2可知，結構計算模型為懸臂梁模型，最不利的截面是在鋼立柱與基礎的連接截面。

圖2　受力分析圖

通過理論計算可得：

式中：q——立柱承受的橫向風荷載；

w——基本風壓，通過查詢基本風壓表及相關系數可得；

b1、b2——陰影部分的截面面積，分別為相鄰兩跨立柱間距的一半。

式中：G1——鋼立柱自重荷載；

G2——聲屏障單元板自重荷載。

需要注意，當聲屏障單元板均布受壓在基礎面上時，G2僅計算鋼底板上受壓面的荷載；當聲屏障單元板通過墊高等形式兩端簡支，中部漏空的固定在立柱上時，G2取一榀框架下聲屏障單元板自重，本模擬考慮最不利荷載情況下，取G2為一榀框架單元板自重計算。

2　聲屏障基礎參數設置

通過有限元模擬軟件ANSYS對聲屏障整體結構進行模擬分析，模擬有預埋、無預埋植筋、無預埋騎馬樁式三種工況下一榀框架的整體受力分布情況。

鋼立柱、預埋螺桿、對穿螺桿采用采用S0LID185實體單元，彈性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.3；防撞墻采用S0LID65單元，彈性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.25，通過對S0LID65單元實常數設置鋼筋的三向配比模擬鋼筋混凝土，其中混凝土裂縫張開的剪力傳遞系數為0.5，裂縫閉合的剪力傳遞系數為0.9，混凝土采用C30混凝土，則抗拉強度為1.43 MPa，由于不考慮混凝土抗壓破壞，取單軸抗壓強度為-1；鋼筋的彈性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.3。

模擬采用等尺寸比例進行分析，各尺寸如下：

鋼底板-300mm×220mm×20mm；預埋鋼板-300mm×220mm×10mm；H=125mm×125mm，高2 500mm，Q235B；騎馬樁底板：（740mm×300mm）×20mm。

兩側混凝土寬度：考慮混凝土局部承壓，按2倍的承壓面積放大，一邊設置300mm。防撞墻高度：1 000mm。

荷載參照《09MR603 城市道路聲屏障》，具體如下：

聲屏障整體自重G：2.2 kN；聲屏障風壓荷載Fw=qH：8.13 kN。

三種工況下的模擬圖見圖3～圖5。

圖3　有預埋式

圖4　無預埋植筋式

圖5　騎馬樁式

3　聲屏障模擬分析

3.1鋼立柱頂端位移對比

通過對鋼立柱變形量的比較可知，有預埋式鋼立柱的頂端最大位移為12.392 2mm，無預埋植筋式為13.427 9mm，騎馬樁式12.558 9mm，根據《09MR603 城市道路聲屏障》要求，聲屏障立柱頂端位移小于L/200=12.6mm，設置騎馬樁會略微增大頂端位移，但處于規范要求之內，而無預埋植筋式下鋼立柱位移則超過規范要求，局部不滿足安全性要求，見圖6～圖8。

圖6　有預埋式（柱變形）

圖7　無預埋植筋式（柱變形）

圖8 騎馬樁式（柱變形）

3.2鋼立柱柱腳應力對比

通過對鋼立柱柱腳應力的比較可知，柱腳H鋼與底板連接邊緣處均出現應力集中，不能按此值分析柱腳應力，應考慮周邊節點的應力分布。從圖9～圖11可知，有預埋式鋼立柱柱腳應力最小，為69～83 MPa；騎馬樁式次之，為81～94 MPa；無預埋植筋式最大，為82～102 MPa；聲屏障鋼立柱通常選用Q235B，σ＜235 MPa，故在三種工況下柱腳應力均在安全范圍內。

圖9　有預埋式（柱腳應力）

圖10　無預埋植筋式（柱腳應力）

圖11　騎馬樁式（柱腳應力）

3.3柱下混凝土應力對比

通過對三種工況下混凝土抗壓強度的比較可知，有預埋式與無預埋植筋式柱下混凝土均處于安全位置，但無預埋植筋式柱下混凝土荷載更大，最大壓應力為11.4 MPa，且最大位置應力較集中，容易出現局部破壞，有預埋式柱下混凝土最大壓應力5.78 MPa，應力分布較均勻；而騎馬樁式柱下混凝土整體處于受拉狀態，僅在騎馬板底板邊緣部分受壓，見圖12～圖14。

圖12　有預埋式（混凝土抗壓）

圖13　無預埋植筋式（混凝土抗壓）

圖14　騎馬樁式（混凝土抗壓）

從圖15可知，騎馬樁式柱下混凝土抗拉大部分處在范圍之內，騎馬板內側與混凝土連接部位部分區域出現超標現象。

3.4混凝土開裂對比

通過對三種工況下混凝土裂縫的比較可知（見圖16～圖18），騎馬樁式裂縫最小，因騎馬樁和混凝土三向約束受力；有預埋式下混凝土裂縫次之，無預埋植筋式下混凝土裂縫最大，且范圍最大，從混凝土應力分布中看，抗壓強度遠小于C30混凝土強度范圍之內，因此均處于安全范圍。

圖15　騎馬樁式（柱下混凝土抗拉分析）

圖16　有預埋式

圖17　無預埋植筋式

圖18　騎馬樁式

4　結論及建議

通過以上對比分析，有預埋式聲屏障各項指標均滿足相應的荷載規范要求；無預埋植筋式下，鋼立柱柱腳應力偏大，鋼立柱頂端位移超標，柱下混凝土裂縫區域大，壓力大且集中，當鋼立柱加高或處于臺風地區時非常的不安全，部分無法預埋位置局部可以設置植筋，但不適宜通長或整段的設置，否則安全無法保證；騎馬樁式聲屏障各項參數均滿足規范要求，鋼立柱柱腳應力略有增大，柱下混凝土整體處于抗拉狀態，大部分區域滿足抗拉強度標準值，部分位置出現應力集中現象，需要進一步分析。

三種工況下柱下混凝土應力均有應力集中現象，建議在有預埋的情況下，加強預埋件下部鋼筋，增設一定量箍筋，可有效降低混凝土開裂現象。同時本文并未考慮混凝土的非線性以以及鋼筋的真實分布，因此在局部模擬上導致部分位置出現混凝土應力集中現象，建議在后期分析中加入混凝土非線性參數，充分考慮鋼筋的作用，采用分離式模型，利用LINK8或PIPE16單元模擬鋼筋，將會得到更為有效的結果。

TU112.59+4

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1009-7716（2015）01-0171-04

2014-11-11

陶曉光（1981-），男，浙江金華人，工程師，從事道路聲屏障工程設計及施工工作。