聲屏障對城市橋梁結構的影響研究

楊廣安

(上海市城市建設設計研究總院(集團)有限公司 上海市 200125)

近年來，越來越多的市政橋梁通過設置聲屏障來減輕行車噪聲對附近居民的影響。聲屏障通過螺栓或焊接固定在橋梁防撞墻的預埋鋼板上，目前針對聲屏障對橋梁主體結構的影響方面的研究較少。

隨著環保要求日趨提高，聲屏障的高度也越做越高，有的甚至高達5～6m，還有的要求設置全封閉結構。基于此背景，聲屏障對橋梁主體結構的影響日益突出，《聲屏障結構技術標準》(GB/T 51335-2018)中明確指出安裝在橋梁上的聲屏障，應對橋梁結構進行專項驗算。因此，結合目前常見市政橋梁結構形式，分別闡述聲屏障對橋梁上下部結構的影響并提出相關設計建議。

1 聲屏障荷載取值

聲屏障結構設計荷載包括聲屏障結構自重、風荷載、雪荷載、車致脈動荷載等，對于非全封閉聲屏障結構，雪荷載及車致脈動荷載對橋梁主體結構的影響較小，僅從結構自重及風荷載兩方面去闡述其影響。

圖1 聲屏障荷載示意圖

1.1 結構自重

聲屏障結構自重包括聲學材料的重量、立柱重量和基礎重量。根據所受風壓及屏體高度的不同，常規2.0～4.0m高聲屏障豎向結構自重約為0.7～1.2kN/m2，設計時可由屏體設計單位提供的數據確定。

1.2 風荷載

由于我國不同行業規范編制的可靠度指標等有所不同，目前聲屏障屏體結構設計和橋梁結構設計所選取的風荷載的取值有所區別。屏體結構設計的風荷載取值目前比較明確，《聲屏障結構技術標準》(GB/T 51335-2018)和國家建筑標準設計圖集《城市道路聲屏障》09MR603 GJBT-1123對此都有明確的說明(以下簡稱《技術標準》和《設計圖集》)。

(1)《技術標準》中規定作用在聲屏障上的水平側向風荷載宜按下式計算：

ωk=βgzμslμzω0

式中：ωk—風荷載標準值(kN/m2)；

βgz—高度z處的陣風系數，取為1.7；

μsl—風荷載局部體形系數，橋梁段取1.65；

μz—風壓高度變化系數，取為1.0；

ω0—50年重現期下的基本風壓(kN/m2)。

風荷載的組合值系數、頻遇值系數和準永久值系數可分別取為0.6、0.4和0。

(2)《設計圖集》中對于城市橋梁聲屏障風荷載標準值計算公式：

式中：W0—50年重現期下基本風壓(kN/m2)；

Awh—橫向迎風面積(m2)(聲屏障面積)；

k0—設計風速重現期換算系數；

k1—風荷載阻力系數；按普通實腹梁上部結構規定計算：

B—橋梁寬度(m)；

H—梁高+混凝土護欄高+聲屏障高(m)；

k2—考慮地面粗糙度類別和梯度風的風速高度變化修正系數；

k3—地形、地理條件系數；

k5—陣風風速系數，對A/B類地表k5=1.38，對C/D類地表k5=1.7。

荷載組合采用《公路橋涵設計通用規范》。

可見，《技術標準》和《設計圖集》在風荷載取值及荷載組合上分別基于《建筑結構荷載規范》和《公路橋涵設計通用規范》，兩者取用的都是50年重現期下的基本風壓，但在風載局部體型系數取值上略有區別：《技術標準》采用的是固定數值1.65，《設計圖集》采用的是與橋寬B以及迎風面高度H有關的一個變化值，在H一定的情況下，橋寬越窄，風荷載值越大。

對于橋梁結構設計風荷載的取值目前均采用《公路橋梁抗風設計規范》JTG/T 3360-01-2018(以下簡稱《橋抗風規》)中的公式計算：

式中：Fg—作用在主梁單位長度上的順風向等效靜陣風荷載(N/m)；

ρ—空氣密度(kg/m3)，可取為1.25kg/m3；

Ug—等效靜陣風風速(m/s)；

CH—主梁橫向力系數；同設計圖集中的風載阻力系數k1，高度取值時應包含梁高及聲屏障總高；

D—主梁特征高度(m)。

設計風速的取值分為W1和W2兩種作用水平：

w1—取值為重現期10年的設計風速和25m/s的較小值；

w2—取值為重現期100年的設計風速。

荷載組合：

承載能力極限狀態設計：風主控時取1.4w2；風非主控時取1.4w1并與汽車荷載組合。正常使用極限狀態設計：風速按w1風作用水平選取，風荷載的頻遇值系數ψf和準永久值系數ψq均取1.0。

可見，屏體設計和橋梁結構設計選取風荷載最大的區別在于重現期的取值上，由于考慮聲屏障荷載后的橋梁結構本質上為橋梁結構，其可靠度指標應遵從橋梁設計規范的要求，且《橋抗風規》在計算主梁橫向力系數CH和主梁迎風面特征高度D時均明確需考慮聲屏障高度，因此，核算聲屏障荷載下橋梁結構的安全性時荷載的取值及組合應按《橋抗風規》選用。

2 聲屏障對上部梁結構的影響

目前市政高架常規梁橋采用的結構形式有整體式和裝配式兩種，兩種體系的上部結構在受力模式上有較大區別，因此聲屏障對其造成的影響也有所不同。

2.1 整體式上部結構的影響

對于整體式上部結構，聲屏障對其影響主要體現在局部挑臂及梁體整體傾覆上，聲屏障對主梁挑臂局部影響根據荷載及挑臂局部構造按規范驗算即可，在此不做贅述；以下分析聲屏障風荷載對整體抗傾覆能力的影響。

以上海地區為例：W1風作用水平下、C類場地、橋面離地面15m高的30m跨簡支梁橋(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荷載和不考慮聲屏障風荷載兩種工況下直線雙支點主梁的橫向剛體傾覆驗算如下：

從表1可見，考慮聲屏障風荷載對上部主梁的抗傾覆能力影響較明顯，對鋼結構主梁的影響最大，組合結構梁次之，混凝土梁影響最小，且橋寬越窄影響越大。因此新建或現狀橋梁增設聲屏障時不能忽視此影響，抗傾覆能力不足時可拉大支座間距或采用抗拉錨栓、抗拉支座等措施。

表1 聲屏障對橋梁抗傾覆能力影響效應表

2.2 對裝配式上部結構的影響

裝配式上部結構在設計時一般把全橋視作一系列并排放置的主梁所構成的聯系結構來進行分析，根據各種不同橋梁結構的具體特點對橫向結構的連接剛性做出不同程度的假設。

下面以工程上常用的強橫梁體系(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)兩種結構體系的裝配式上部結構分別闡述聲屏障對其受力的影響。

2.2.1強橫梁體系上部結構

在具有可靠橫向連接且寬跨比較小時，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。此時整個主梁斷面橫橋向可看作剛體，聲屏障自重及橫向風荷載對剛體的作用等效為一個作用于形心的豎向力N+扭矩M。可知，類似于偏壓構件纖維的伸長和縮短，此荷載由各片縱梁承擔，主要表現為各片縱梁以豎向力的形式來抵抗此豎向力和扭矩，而各梁產生的扭矩較小。

推導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。

以上海地區為例：W1風作用水平下、C類場地、橋面離地面15m高的40m跨簡支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算橫橋向不同片數T梁(4～10片T梁，梁中心間距2.4m)在聲屏障風荷載作用下主梁受力的影響(僅表示邊梁與次邊梁效應)，部分結果摘錄如表2所示。

表2 聲屏障風荷載產生的附加內力影響效應表

圖2 強橫梁體系橫斷面變形示意圖

由以上梁格法計算分析可見：

(1)橫橋向離橋面中心越遠的縱梁效應越大，因此，橋梁越寬，縱梁的附加荷載效應越小，對于橋寬較窄的匝道橋尤其應注意此附加荷載的影響。

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

裝配式橋梁為空間受力結構，為簡化計算分析，一般采用橫向分布系數簡化為單梁設計，通過平面桿系有限元計算模型可簡便計算橫向分布系數[1]。同理可用類似計算模型來簡便分析聲屏障荷載作用下各主梁的荷載效應大小。將橫向各片縱梁簡化為集中彈簧約束的彈性約束梁，相應位置加載聲屏障自重及橫向風荷載，此時相應支座反力即為縱向每延米主梁所承受的相應內力大小。

圖3 強橫梁體系裝配式梁橫向計算示意簡圖

其中的集中豎向彈簧支承剛度和扭轉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分別為相應主梁的抗彎及抗扭剛度，l為計算跨徑。若各塊板的截面尺寸不完全相同時，應分別計算不同類型板的kw和kθ值。對于中橫隔梁以等剛度矩形截面進行等效模擬，使之成為“擬無橫隔板的肋梁橋”。

2.2.2弱橫梁體系上部結構

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

以上海地區為例：W1風作用水平下、C類場地、橋面離地面15m高的20m跨簡支剛接空心板梁橋(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算橫橋向不同片數空心板梁(5～9片板梁，梁中心間距1.8m)在聲屏障風荷載作用下主梁受力的影響(僅表示邊板與次邊板效應)，部分結果摘錄如表3所示。

表3 聲屏障風荷載產生的附加內力影響效應表

圖4 弱橫梁體系橫斷面變形示意圖

由以上梁格法計算分析可見：

(1)由于各縱梁間橫向聯系較弱，僅離聲屏障較近的幾片縱梁承擔聲屏障產生的附加荷載，橫向橋寬對其影響范圍及大小影響不大；因此對于弱橫梁體系橋梁無論橋面寬窄均應注意聲屏障產生的附加荷載影響。

(2)與強橫梁體系裝配式上部結構相反，弱橫梁體系橋梁在聲屏障荷載作用下產生的附加扭矩及剪力相對于恒載的占比大于附加彎矩的占比，附加扭矩的效應最大，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)即使在不設置聲屏障的條件下也是容易出現病害，因此在設置聲屏障的空心板橋上，聲屏障附近的1～2道濕接縫(鉸縫)應采取措施加強其受力。

(4)從梁格模型還可發現，由于縱梁間橫向聯系較弱，聲屏障荷載主要通過邊板的抗扭和端橫梁的抗彎承擔，小部分通過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相當，故應加強端橫梁的受力核算。

同強橫梁體系類似，也可采用彈性約束梁模型來簡便分析聲屏障荷載作用下空心板的受力，此時對于橫向聯系橋面板可按板實際厚度建立計算模型，鉸接時可通過釋放梁端約束模擬。

圖5 弱橫梁體系裝配式梁跨間橫向計算示意簡圖

對于端橫梁附加橫向彎矩的計算可采用如下平面桿系模型簡便模擬：

(1)采用橫梁實際截面作為桿系截面。

(2)端橫梁每片縱梁實際位置布置彈簧支撐，彈簧剛度按實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數值由以上跨間橫向計算模型支座反力取值。

圖6 端橫梁計算示意簡圖

3 聲屏障對下部結構的影響

聲屏障對下部結構的影響主要體現在橫向風荷載效應上，考慮聲屏障后一方面增大了風載阻力系數，另一方面增大了迎風面積。

(1)對整體式上部梁下部結構的影響

整體式上部梁的下部結構一般由立柱和基礎組成，對于單支座的橋墩，聲屏障及上部梁橫向風荷載僅在墩頂位置傳遞其橫向剪力；對于固結或多支座橋墩，橫向風荷載產生的彎矩亦能傳遞至橋墩及基礎。對于橋寬較窄且墩柱較高的橋梁，聲屏障的風荷載可能直接控制了立柱與樁基礎的大小與規模。

(2)對裝配式上部梁下部結構的影響

裝配式上部梁的下部結構一般由蓋梁、立柱和基礎組成。風荷載對于蓋梁的影響較小。

由于蓋梁的存在，其風荷載效應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荷載引橋的橫向彎矩亦能傳遞至墩柱及基礎。因此對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且無聲屏障時，單墩采用5根Φ800mm樁基，而有聲屏障時，樁基增加至6根。

4 結語

通過分析聲屏障對橋梁結構的受力機理可知：

(1)核算聲屏障荷載下橋梁結構的安全性時荷載的取值及組合應按《橋抗風規》選用。

(2)聲屏障對整體式上部結構主梁抗傾覆能力的影響較明顯，鋼結構主梁>組合梁>混凝土梁，且橋寬越窄影響越大；故在設置聲屏障時應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)可通過彈性約束梁模型簡便計算聲屏障荷載作用下裝配式上部結構的受力情況。

(4)聲屏障對于小箱梁、T梁等橫向整體性較好的裝配式上部結構主梁的影響較小，且橋梁越寬影響越小，一般情況下設計時僅需考慮其對邊板挑臂局部受力的影響；聲屏障對于剛(鉸)接空心板等橫向整體性較弱的裝配式上部結構主梁的邊梁及邊現澆縫有較明顯影響，且影響程度與橋寬因素相關度不大，設計時建議重點關注邊現澆縫的受力性能，適當加強邊板的豎向承載能力及端橫隔梁的橫向抗彎能力。

(5)聲屏障橫向風荷載對墩高較高且橋寬較窄的橋梁下部結構影響較大，設計相關下部結構時不可忽略其影響。