高速公路路基段聲屏障檔距設計淺析

周海林

（山西省交通環境保護中心站（有限公司），山西 太原 030032）

交通噪聲是高速公路運營期間對周圍環境最主要的影響因素，而聲屏障是當前在經濟技術上最為可行的降噪措施之一。鋼立柱插板型聲屏障是國內最為常見的聲屏障結構形式，該型式聲屏障上部結構通常采用H型鋼作為支撐立柱，下部結構采用淺樁連梁基礎，將聲屏障屏體直接插入H型鋼立柱中，具有結構簡單、便于安裝等特點。該種型式聲屏障隨著相鄰鋼立柱間距（即檔距）加大，單位長度聲屏障所需設置的鋼立柱和樁基礎數量將減少，但隨著間距增大，單根鋼立柱和樁基礎所承受的水平荷載也將增大，所選用鋼立柱和樁基礎也將加大，因此，選擇合適的檔距對聲屏障整體工程造價具有重要意義。本文擬根據現行聲屏障相關設計規范要求，通過核算不同設計檔距下鋼立柱及樁基礎的選型，從材料耗量角度對聲屏障檔距進行初步探討。

1 鋼立柱及樁基礎選型設計計算

1.1 基本參數

表1 某高速公路及聲屏障工程基本技術指標一覽表

以某雙向四車道高速公路路基段為例，高速公路及聲屏障工程基本技術指標見表1。

聲屏障工程設計氣象參數取值見表2。

表2 設計氣象參數指標一覽表

聲屏障鋼立柱采用寬翼緣熱軋H型鋼，鋼材牌號按Q235，見表3。

表3 寬翼緣熱軋H型鋼技術指標一覽表[1]

聲屏障工程樁基礎直徑一般小于0.6 m，深度小于6 m，一般在路基工程完工后開始實施。鋼管樁基礎施工周期短，開挖量小，對路基邊坡及其防護破壞也較小，適宜在高速公路聲屏障工程中采用[2]，常用鋼管樁尺寸見表4。

表4 鋼管樁用普通無縫鋼管尺寸一覽表

聲屏障基礎采用C30混凝土澆筑，承臺尺寸為600 mm×1 000 mm×500 mm，連系梁截面尺寸為300 mm×500 mm。

常見鋼立柱插板型聲屏障結構形式見圖1。

圖1 常見鋼立柱插板型聲屏障結構示意圖（單位：mm）

1.2 屏體水平荷載計算（Fwh）[4]

聲屏障屏體所承受的水平荷載主要由自然風荷載（Fk）和車致風壓荷載（P1k）兩部分組成，其中自然風荷載組合系數取1.5，車致風壓荷載組合系數取1.0。

自然風荷載（Fk，kN）：

式中：S為屏體作用面積，m2；βgz為陣風系數；μsl為局部體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓，kN/m2。

車致風壓荷載（P1k，kN）：

式中：ρ為空氣密度，取1.25 kg/m3；vt為車輛速度，m/s；k1為車輛形狀系數，貨車取1.0；cpl為車致風壓系數；Y為車輛中心線至聲屏障距離，m。

1.3 鋼立柱選型設計計算[5-6]

鋼立柱是聲屏障屏體水平荷載的主要支撐受力結構，鋼立柱所選用H型鋼應滿足抗彎強度，最大撓度和整體穩定性要求。

當磨料流量不斷增加,進入沙管的水和磨粒增多,作用于線材表面的磨料顆粒相應增多,氧化皮和銹層受到的剪切碰撞作用增強,磨粒磨損加大,線材表面的去除效率增大;隨著磨料流量逐漸增大,由于沙管的孔徑太小,大量的水和磨料不僅降低了射流的速度,而且阻礙高壓水噴射出來,導致射流壓力降低,流量減少,從而導致磨粒相互間的剪切碰撞作用減弱,磨損減輕,使得磨粒作用于線材表面的能量降低,對銹層的去除效率也降低。同時,流量的增加導致部分磨粒反彈,使得流量無法對線材表面產生沖蝕作用，對線材表面的去除效率明顯減小。

1.3.1 抗彎強度校核

式中：Mx為繞強軸最大彎矩，kN·m；γx為對x軸的截面塑性發展系數，取1.05；Wx為對x軸的凈截面模量，mm3；f為鋼材抗彎強度，取215 N/mm2。

1.3.2 最大撓度校核

式中：q為鋼立柱均布水平荷載，N/mm；l為鋼立柱長度，mm；E為鋼立柱彈性模量，取2.06×105N/mm2；Ix為x軸慣性矩，mm4；[v0]為最大允許撓度，取l/200，mm。

1.3.3 整體穩定性校核

式中：φb為整體穩定系數；βb為等效彎矩系數；λy為側向支承點間對截面弱軸y-y的長細比；A為鋼立柱截面積，mm2；h、t1為鋼立柱全高和受壓翼緣厚度，mm；l1為鋼立柱受壓翼緣側向支承點之間的距離，mm；iy為鋼立柱對y軸的慣性半徑，mm；ηb為鋼立柱截面不對稱系數，取0；εk為鋼號修正系數，取1.0。

1.4 鋼管樁選型設計計算[7]

路基段聲屏障通常設置在填方路堤段，路基填土層較厚，樁基埋深較淺，聲屏障鋼管樁基礎主要承受屏體、鋼立柱等上部結構以及承臺、連梁等下部結構重力荷載，和風壓等引起的水平荷載，按照一柱一樁設置，鋼管樁單樁豎向承載力特征值（Ra）和單樁水平承載力特征值（Rha）應小于相應的豎向作用力（Nk）和水平作用力（Hk）。

1.4.1 單樁豎向承載力特征值（R）a校核

式中：Nk為樁基軸心豎向作用力，N；Ra為單樁豎向承載力特征值，N；k為安全系數，取2；Qsk為單樁豎向極限承載力標準值，N；u為樁周長，m；λp為樁端土塞效應系數，按閉口樁，取1；qsik為樁側土層極限側阻力標準值，取22 kPa；l為樁長（埋深），m；qpk為極限端阻力標準值，取210 kPa；Ap為樁端截面積，m2。

1.4.2 單樁水平承載力特征值（Rh）a校核

式中：Hk為樁基頂部水平作用力，N；Rha為單樁水平承載力特征值，N；a為樁基水平變形系數；E為樁側土層水平抗力系數的比例系數，取6×106N/m4；b0為樁身的計算寬度，m；E為彈性模量，取2.06×105N/mm2；I為慣性矩，cm4；d為樁直徑（外徑），m；vx為樁頂水平位移系數，按樁埋深取值；x0a為樁頂允許水平位置，取6 mm。

2 鋼立柱選型結果

2.1 鋼立柱水平荷載

根據式（1）～式（3），綜合考慮聲屏障屏體自然風荷載和車致風荷載，不同基本風壓和檔距下鋼立柱所受水平荷載見表5。

表5 鋼立柱水平荷載Fwh計算結果一覽表 kN

2.2 鋼立柱選型

根據式（4）～式（8），在滿足抗彎強度、最大允許撓度和整體穩定性的情況，鋼立柱選型結果見表6。

表6 不同條件下鋼立柱選型結果一覽表

3 鋼管樁選型結果

3.1 單樁水平荷載和豎直荷載

為簡化計算，聲屏障樁基礎按一柱一樁設置，單樁水平荷載（Hk）與立柱所受水平荷載（Fwh）相同，見表5。

聲屏障單樁所承受的豎直荷載包括立柱、屏體等上部結構的重力和承臺、連梁的重力，則不同基本風壓和檔距下鋼立柱所受豎直荷載見表7。

表7 樁基礎豎直荷載Nk計算結果一覽表

3.2 鋼管樁選型

根據式（9）～式（15），在單樁豎向承載力特征值和水平承載力特征值滿足要求的情況下，鋼管樁選型結果見表8。

表8 不同條件下鋼管樁選型結果一覽表

4 鋼立柱及鋼管樁材料量分析

從表6、表8可看出，隨著基本風壓和檔距增加，聲屏障所選用的H型鋼以及鋼管樁也將增大。聲屏障高度按照3 m取值，則不同設計條件下，單位長度聲屏障鋼材料耗量見表9、圖2。

表9 不同條件下單位長度聲屏障鋼立柱及鋼管樁材料耗量一覽表

從表9、圖2可以看出，聲屏障工程在同一檔距下，單位長度聲屏障鋼立柱和鋼管樁材料耗量隨基本風壓的增加而增大，但在同一基本風壓條件下，隨著設計檔距的增加，單位長度聲屏障所設的鋼立柱和鋼管樁數量將減少，同時由于每根鋼立柱和鋼管樁所承受的豎直荷載和水平荷載將增大，鋼立柱所選用的H型鋼型號將加大，鋼管樁直徑將加大或樁長將加長，因此，折合單位長度聲屏障的鋼立柱和鋼管樁材料耗量并不一定減少，如基本風壓為0.3 kN/m2，檔距為3 m時，鋼立柱選用HW150型鋼，材料耗量為46.65 kg/m，而檔距為3.5 m時，鋼立柱將選用HW175型鋼，材料耗量增至51.94 kg/m；同樣，檔距為2.5 m時，鋼管樁選用DN219 mm（樁長3 m），材料耗量為37.82 kg/m，而檔距為3 m時，鋼管樁選用DN273 mm（樁長3 m），材料耗量增至42.72 kg/m。

圖2 不同基本風壓下材料耗量隨檔距變化趨勢圖

5 結論與建議

a）對于鋼立柱插板型聲屏障而言，在高速公路沿線屏體所受的水平荷載主要是自然風荷載，車致風荷載相對較小，水平荷載主要由鋼立柱和樁基礎所承擔，其荷載大小與區域基本風壓和設計檔距直接相關。設計檔距越大，基本風壓越大，水平荷載越大。

b）高速公路路基段聲屏障工程主要設在填方路堤段，樁基礎豎直荷載主要是鋼立柱及屏體等上部結構和承臺、連梁等下部結構的重力荷載。在承臺、連梁尺寸不變的情況下，設計檔距越大，樁基礎所承受的豎直荷載越大。

c）在不同基本風壓條件下，聲屏障工程設計檔距越大，單位長度聲屏障工程所設置的鋼立柱和樁基礎數量將減小，但單根鋼立柱和樁基礎所承受的水平荷載將增大，相應選用的立柱及樁基的型號將增大，因此，應結合聲屏障工程所在區域的基本風壓情況，合理選擇設計檔距。

d）根據初步核算，在基本風壓0.45 kN/m2地區，3.5 m檔距時單位長度聲屏障工程鋼立柱及鋼管樁綜合材料量最小，可優先選擇；而在其他基本風壓地區，4 m檔距時聲屏障工程鋼立柱及鋼管樁綜合材料量最小，應優先選擇。