聲屏障設計及結構驗算

賀 超，曾 濤

（1.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000；2.中恒工程設計院有限公司，四川 成都 610017）

0 引言

隨著我國國民經濟和社會生產的迅速發展、城市化進程的不斷加快，城市交通也在快速發展。然而，快速發展的城市交通帶來的噪音污染與日益提高的人民生活品質之間的矛盾也日趨明顯。既要加快城市交通的建設，方便民眾出行，同是也要為民眾提供安靜舒適的生活環境，隔聲降噪便成為城市交通建設中重要的一環。聲屏障作為一種經濟而有效的降噪措施，越來越多的被應用于城市交通建設中。

1 聲屏障降噪機理

聲屏障是一種專門設計的立于噪聲源和受聲點之間的聲學障板，是以吸聲或隔聲，或吸聲和隔聲混合的材料組成的一種聲學裝置。聲波在傳播過程中，遇到隔聲屏障時，就會發生反射、透射和繞射三種現象，如圖1 所示。通常我們認為屏障能夠阻止直達聲的傳播，并使繞射聲有足夠的衰減，而透射聲的影響可以忽略不計。因此，隔聲屏障的隔聲效果一般可用減噪量表示，它反映了隔聲屏障上述兩種屏蔽透聲的本領。在聲源和接收點之間插入一個隔聲屏障，設屏障無限長，聲波只能從屏障上方繞射過去，而在其后形成一個聲影區，就象光線被物體遮擋形成一個陰影那樣。在這個聲影區內，人們可以感到噪聲明顯地減弱了，這就是隔聲屏障的減噪效果。

圖1 聲波傳播路徑

2 聲屏障設計

2.1 總體構造

（1）聲屏障高度：3 m。

（2）標準單元長度：2 m。

（3）聲屏障外形：頂面采用弧形，吸聲屏內、外表面均為波浪形。

（4）外觀顏色：鋼立柱、吸聲屏表面顏色均為啞光綠色，隔聲屏不透光。

2.2 吸聲屏構造及技術要求

（1）一個標準單元中包含3 塊吸聲板，高均為0.5 m，總厚均為100 mm。

（2）吸聲屏面板、背板均采用1 mm 厚的波浪形冷軋鋼板，為保證吸音效率，在面板上設微穿孔，開孔率＞23%，背板上不開孔。

（3）吸聲材料采用聚酯纖維板、三聚氰胺板、發泡陶瓷、泡沫鋁等，不得采用巖棉、玻璃棉等戶外耐久性差、對人體有危害的材料。

（4）吸聲屏性主要能指標見表1。

表1 吸聲屏主要性能指標表

（5）吸聲屏原則上采用廠家的成品板。

（6）吸聲屏表面光潔，無傷痕、皺皮、流墜、氣泡、變色和色澤不勻等缺陷。

（7）吸聲屏應具有防腐蝕、抗凍融、抗老化、防沖擊、防潮（水）、防蟲、防紫外線等功能。

2.3 隔聲屏構造及技術要求

（1）一個標準單元中，隔聲屏寬度1.97 m，高度1.5 m。

（2）隔聲屏采用15 mm 厚單面磨砂加筋亞克力板材，磨砂面向內。

（3）隔聲屏主要性能指標見表2。

表2 亞克力隔聲屏主要性能指標表

（4）隔聲屏采用鋁合金框架，其主型材截面的最小實測壁厚應不小于1.4 mm。

（5）隔聲屏與框架的固定應采用嵌入安裝法或螺栓安裝法，不應采用自攻螺釘固定。

（6）聲屏障結構布置如圖2 所示。

圖2 聲屏障立面布置圖（單位：mm）

3 聲屏障結構驗算

3.1 荷載計算

3.1.1 結構自重

（1）立柱重

聲屏障立柱采用HW125 mm×125 mm×6.5 mm×9 mmQ235B 級型鋼，立柱高3 m，結構自重：

（2）吸聲屏重

吸聲屏面密度按照30 kg/m2計，單跨吸聲屏重：

（3）隔聲屏重

隔聲屏面密度按照1 200 kg/m3計，單跨隔聲屏重：

（4）鋁合金邊框重

項目采用鋁合金邊框規格為80 mm×80 mm×1.5 mm，邊框尺寸1 950 mm×1 500 mm，鋁合金容重按照27.7 kN/m3，單跨邊框重：

3.1.2 風荷載

按照現行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），作用在聲屏障上的水平側向風荷載按照下式計算：

式中：ωk為作用在聲屏障上的風壓，kN/m2；βgz為高度z 處的陣風系數，按《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）表5.2.7-1 取值，橋位處地面粗糙度類別為C類，橋面離地高度10 m，βgz取值為2.05；μsl為風荷載局部體型系數，根據現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）取值；橋梁用聲屏障取1.65；μz為風壓高度變化系數，按《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）表5.2.7-2 取值，橋位處地面粗糙度類別為C類，橋面離地高度10 m，μz取值為0.65；ω0為基本風壓，kN/m2，按現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）取值，貴陽市50 a重現期基本風壓為0.3 kN/m2。

按照上述取值進行計算，作用在聲屏障上的風壓為：

作用在立柱上的風荷載集度為：

橋面高度處的風速驗算：

根據現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012）附錄E 可知基本風壓ω0與基本風速v0的關系式為：

同理可得，橋面高度處作用在聲屏障上的風壓ωk與風速v 的關系為：

式中：ρ 為空氣密度，取1.25×10-3t/m3。

由上述可知橋面高度處風速為：

按《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018）

5.2.9 條規定：當風荷載參與車致風壓荷載效應組合時，橋面高度處風速不應大于25 m/s。

因而當風荷載參與車致風壓荷載效應組合時，其作用在聲屏障上的最大風壓為：

作用在立柱上的風荷載集度為：

3.1.3 車致風壓荷載

按照現行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），作用在聲屏障上的車致風壓荷載可通過下式計算：

式中：k1為車輛形狀系數，本橋位于市區中心，本次計算按照客車取值k1=0.85；ρ 為空氣密度，取1.25×10-3t/m3；Vt為車輛速度，m/s，按照道路設計速度取值為60 km/h；Cpl為車致風壓系數；Y 為車輛中心線至聲屏障的距離，該橋梁為雙向4 車道，車道1 的距離Y1取值為2.7，車道2 的距離Y2取值為6.2。

按照上述取值進行計算，在不考慮對向行車影響的前提下，作用在聲屏障上的車致風壓計算如下：

作用在立柱上的車致風壓荷載集度為：

3.1.4 雪荷載

按照現行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），作用在聲屏障投影面上的雪荷載標準值按照下式計算：

式中：μr為聲屏障頂面積雪分布系數，聲屏障結構承重框架和立柱可按全跨積雪的均勻分布分布情況采用，μr=1.0；s0為基本雪壓，kN/m2，基本雪壓重現期應為50 a，據現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB 50009—2012），貴陽市區s0取值0.2 kN/m2。

按照上述取值進行計算，作用在聲屏障投影面上的雪荷載標準值：

作用在立柱上的雪荷載（即單跨聲屏障投影面上的雪荷載）為：

3.2 荷載組合（基本組合）

3.2.1 風荷載參與車致風壓荷載組合時，立柱底緣截面荷載效應基本組合

3.2.2 風荷載不參與車致風壓荷載組合時，立柱底緣截面荷載效應基本組合

3.3 結構驗算

立柱結構受力如圖3 所示。

圖3 受力簡圖

3.3.1 立柱強度驗算

由上述3.2.1、3.2.2 計算可知，風荷載不參與車致風壓荷載組合時，立柱底緣截面荷載效應基本組合較為不利，進行結構承載能力極限狀態驗算時應采用3.2.2 的效應組合。

抗彎強度驗算：

抗剪強度驗算：

由上可知，立柱強度驗算滿足要求。

3.3.2 立柱撓度驗算

按照現行國家標準《聲屏障結構技術標準》（GB/T 51335—2018），在風荷載設計標準值作用下，立柱頂點水平位移值不應大于H/200。

由上可知，立柱撓度驗算滿足要求。

3.3.3 基底連接螺栓強度及錨固長度驗算

聲屏障立柱底通過2 根直徑20 mm 的U 形8.8 級高強螺栓與混凝土防撞護欄連接，螺栓錨固長度500 mm，前后排螺栓間距100 mm。螺栓有效直徑為17.65 mm。柱腳連接上鋼板厚20 mm，護欄頂預埋下鋼板厚10 mm。

根據《鋼結構設計標準》（GB 50017—2017）第11.4.1 條可知：

抗剪承載力由2 排4 顆螺栓共同提供，抗拉承載力由后排2 顆螺栓提供：

螺栓強度驗算滿足要求。

根據《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2015）第8.3.1 條可知，螺栓錨固長度：

螺栓錨固長度驗算滿足要求。

4 結語

通過對貴陽市某高架橋聲屏障主要結構進行設計計算，其強度、剛度等均滿足要求，為項目的安全實施提供可靠依據。聲屏障結構計算相對簡單，我們需要更多的關注聲屏障的日常管理養護，注重鋼結構部分的防腐，確保其耐久性，確保聲屏障在使用年限內的安全。