声屏障设计及结构验算_贺超.pdf

摘要：随着社会经济的不断发展，城市化进程不断加快，声屏障的使用越来越多。在设计过程中，设计者往往更多地关注桥梁主体结构，而对于桥梁附属结构没有引起足够的重视。依托贵阳市某高架桥声屏障项目，简要叙述声屏障的各项设计参数，依据现行相关规范对其主要的受力结构进行验算，确保其结构强度、刚度等均满足要求，为项目的安全实施提供可靠依据。关键词：噪声；声屏障设计；结构验算中图分类号：U443.5文献标志码：B文章编号：1009-7716（2023）01-0109-04声屏障设计及结构验算收稿日期：2022-03-16作者简介：贺超（1989），男，学士，工程师，从事桥梁设计工作。贺 超1，曾 涛2（1.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000；2.中恒工程设计院有限公司，四川 成都 610017）DOI:10.16799/ki.csdqyfh.2023.01.0270引言随着我国国民经济和社会生产的迅速发展、城市化进程的不断加快，城市交通也在快速发展。然而，快速发展的城市交通带来的噪音污染与日益提高的人民生活品质之间的矛盾也日趋明显。既要加快城市交通的建设，方便民众出行，同是也要为民众提供安静舒适的生活环境，隔声降噪便成为城市交通建设中重要的一环。声屏障作为一种经济而有效的降噪措施，越来越多的被应用于城市交通建设中。1声屏障降噪机理声屏障是一种专门设计的立于噪声源和受声点之间的声学障板，是以吸声或隔声，或吸声和隔声混合的材料组成的一种声学装置。声波在传播过程中，遇到隔声屏障时，就会发生反射、透射和绕射三种现象，如图 1 所示。通常我们认为屏障能够阻止直达声的传播，并使绕射声有足够的衰减，而透射声的影响可以忽略不计。因此，隔声屏障的隔声效果一般可用减噪量表示，它反映了隔声屏障上述两种屏蔽透声的本领。在声源和接收点之间插入一个隔声屏障，设屏障无限长，声波只能从屏障上方绕射过去，而在其后形成一个声影区，就象光线被物体遮挡形成一个阴影那样。在这个声影区内，人们可以感到噪声明显地减弱了，这就是隔声屏障的减噪效果。2声屏障设计2.1总体构造（1）声屏障高度：3 m。（2）标准单元长度：2 m。（3）声屏障外形：顶面采用弧形，吸声屏内、外表面均为波浪形。（4）外观颜色：钢立柱、吸声屏表面颜色均为哑光绿色，隔声屏不透光。2.2吸声屏构造及技术要求（1）一个标准单元中包含 3 块吸声板，高均为0.5 m，总厚均为 100 mm。（2）吸声屏面板、背板均采用 1 mm 厚的波浪形冷轧钢板，为保证吸音效率，在面板上设微穿孔，开孔率23%，背板上不开孔。（3）吸声材料采用聚酯纤维板、三聚氰胺板、发泡陶瓷、泡沫铝等，不得采用岩棉、玻璃棉等户外耐久性差、对人体有危害的材料。（4）吸声屏性主要能指标见表 1。（5）吸声屏原则上采用厂家的成品板。（6）吸声屏表面光洁，无伤痕、皱皮、流坠、气泡、变色和色泽不匀等缺陷。URBAN ROADS BRIDGES&FLOOD CONTROL第 1 期（总第 285 期）2023 年 1 月图 1声波传播路径桥梁结构109（7）吸声屏应具有防腐蚀、抗冻融、抗老化、防冲击、防潮（水）、防虫、防紫外线等功能。2.3隔声屏构造及技术要求（1）一个标准单元中，隔声屏宽度 1.97 m，高度1.5 m。（2）隔声屏采用 15 mm 厚单面磨砂加筋亚克力板材，磨砂面向内。（3）隔声屏主要性能指标见表 2。（4）隔声屏采用铝合金框架，其主型材截面的最小实测壁厚应不小于 1.4 mm。（5）隔声屏与框架的固定应采用嵌入安装法或螺栓安装法，不应采用自攻螺钉固定。（6）声屏障结构布置如图 2 所示。3声屏障结构验算3.1荷载计算3.1.1结构自重（1）立柱重声屏障立柱采用 HW125 mm125 mm6.5 mm9 mmQ235B 级型钢，立柱高 3 m，结构自重：G柱=23.839.810-3=0.7 kN（1）（2）吸声屏重吸声屏面密度按照 30 kg/m2计，单跨吸声屏重：G吸=1.950.53039.810-3=0.86 kN（2）（3）隔声屏重隔声屏面密度按照 1 200 kg/m3计，单跨隔声屏重：G隔=1.951.50.01512009.810-3=0.52 kN（3）（4）铝合金边框重项目采用铝合金边框规格为 80 mm80 mm1.5 mm，边框尺寸 1 950 mm1 500 mm，铝合金容重按照 27.7 kN/m3，单跨边框重：G框=（1.951.5）230.0840.001527.7=0.28 kN（4）3.1.2风荷载按照现行国家标准 声屏障结构技术标准（GB/T513352018），作用在声屏障上的水平侧向风荷载按照下式计算：k=gzslz0（5）式中：k为作用在声屏障上的风压，kN/m2；gz为高度 z 处的阵风系数，按 声屏障结构技术标准（GB/T513352018）表 5.2.7-1 取值，桥位处地面粗糙度类别为 C 类，桥面离地高度 10 m，gz取值为 2.05；sl为风荷载局部体型系数，根据现行国家标准 建筑结构荷载规范（GB 500092012）取值；桥梁用声屏障取1.65；z为风压高度变化系数，按 声屏障结构技术标准（GB/T 513352018）表 5.2.7-2 取值，桥位处地面粗糙度类别为 C 类，桥面离地高度 10 m，z取值为0.65；0为基本风压，kN/m2，按现行国家标准 建筑结构荷载规范（GB 500092012）取值，贵阳市 50 a重现期基本风压为 0.3 kN/m2。按照上述取值进行计算，作用在声屏障上的风压为：k=2051.650.650.3=0.66 kN/m（6）作用在立柱上的风荷载集度为：q风=Lk=2.00.66=1.32 kN/m（7）桥面高度处的风速验算：根据现行国家标准 建筑结构荷载规范（GB贺超，等：声屏障设计及结构验算表 1吸声屏主要性能指标表表 2亚克力隔声屏主要性能指标表项 目性能指标降噪系数0.5隔声量/dB25面密度/（kgm-2）30燃烧性能等级满足 建筑材料及制品燃烧性能分级（GB 86242012）规定的 B 级及以上耐候性经 80 次高温（70）、淋水（15）循环和 20 次加热（50）、冷冻（-20）循环后，表面无裂纹、粉化、剥落现象项目性能指标计权隔声量/dB25密度/（kgm-3）1200拉伸强度/MPa70弯曲强度/MPa90.2拉伸弹性模量/MPa3 100弯曲弹性模量/MPa3 620简支梁缺口冲击强度/（kJm-2）17维卡软化温度/100使用温度/-7070图 2声屏障立面布置图（单位：mm）2023 年第 1 期110贺超，等：声屏障设计及结构验算500092012）附录 E 可知基本风压 0与基本风速v0的关系式为：0=12v20（8）同理可得，桥面高度处作用在声屏障上的风压 k与风速 v 的关系为：k=12v2（9）式中：为空气密度，取 1.2510-3t/m3。由上述可知桥面高度处风速为：v=2k()0.5=2.00.661.2510-3()0.5=32.5 m/s（10）按 声屏障结构技术标准（GB/T 513352018）5.2.9 条规定：当风荷载参与车致风压荷载效应组合时，桥面高度处风速不应大于 25 m/s。因而当风荷载参与车致风压荷载效应组合时，其作用在声屏障上的最大风压为：0=12v21=0.51.2510-3252=0.39 kN/m2（11）作用在立柱上的风荷载集度为：q风1=Lk1=2.00.39=0.78 kN/m（12）3.1.3车致风压荷载按照现行国家标准 声屏障结构技术标准（GB/T513352018），作用在声屏障上的车致风压荷载可通过下式计算：P1k=12V2tk1Cp1（13）Cp1=2.5（Y+2.5）+0.02（14）式中：k1为车辆形状系数，本桥位于市区中心，本次计算按照客车取值 k1=0.85；为空气密度，取 1.2510-3t/m3；Vt为车辆速度，m/s，按照道路设计速度取值为 60 km/h；Cpl为车致风压系数；Y 为车辆中心线至声屏障的距离，该桥梁为双向 4 车道，车道 1 的距离 Y1取值为 2.7，车道 2 的距离 Y2取值为 6.2。按照上述取值进行计算，在不考虑对向行车影响的前提下，作用在声屏障上的车致风压计算如下：Cpl1=2.5（2.7+2.5）2+0.02=0.11（15）Cpl2=2.5（6.2+2.5）2+0.02=0.05（16）P1k=12V2tk1（Cpl1+Cpl2）=0.51.2510-36010003600()20.850.16=0.02 kN/m2（17）作用在立柱上的车致风压荷载集度为：q车 1=LP1k=2.00.02=0.04 kN/m（18）3.1.4雪荷载按照现行国家标准 声屏障结构技术标准（GB/T513352018），作用在声屏障投影面上的雪荷载标准值按照下式计算：sk=rs0（19）式中：r为声屏障顶面积雪分布系数，声屏障结构承重框架和立柱可按全跨积雪的均匀分布分布情况采用，r=1.0；s0为基本雪压，kN/m2，基本雪压重现期应为 50 a，据现行国家标准 建筑结构荷载规范（GB500092012），贵阳市区 s0取值 0.2 kN/m2。按照上述取值进行计算，作用在声屏障投影面上的雪荷载标准值：sk=1.00.2=0.2 kN/m2（20）作用在立柱上的雪荷载（即单跨声屏障投影面上的雪荷载）为：F雪=0.020.232.0=0.09 kN（21）3.2荷载组合（基本组合）3.2.1风荷载参与车致风压荷载组合时，立柱底缘截面荷载效应基本组合M风=12q风1H2=0.50.7832=3.51 kN m（22）M车=12q车1H2=0.50.0432=0.18 kN m（23）M=1.4M风+M车=1.4（3.51+0.18）=5.17 kN m（24）Q风=q风1H=0.783=2.34 kN（25）Q车=q风1H=0.043=0.12 kN（26）Q=1.4Q风+1.4Q车=1.4（2.34+0.12）=3.44 kN（27）N=1.35（G柱+G吸+G隔+G框）+0.71.4F雪=1.35（0.7+0.86+0.52+0.28）+0.71.40.09=3.27 kN（28）3.2.2风荷载不参与车致风压荷载组合时，立柱底缘截面荷载效应基本组合M风=12q风H2=0.51.3232=5.94 kN m（29）M=1.4M风=1.45.94=8.32 kN m（30）Q风=q风H=1.323=3.96 kN（31）Q=1.4Q风=1.43.96=5.54 kN（32）N=1.35（G柱+G吸+G隔+G框）+0.71.4F雪=1.35（0.7+0.86+0.52+0.28）+0.71.40.09=3.27kN（33）3.3结构验算立柱结构受力如图 3 所示。3.3.1立柱强度验算由上述 3.2.1、3.2.2 计算可知，风荷载不参与车2023 年第 1 期111贺超，等：声屏障设计及结构验算致风压荷载组合时，立柱底缘截面荷载效应基本组合较为不利，进行结构承载能力极限状态验算时应采用 3.2.2 的效应组合。抗弯强度验算：max=NAn+NMn=32703031+8.321061.051.35105=59.8 MPa（34）抗剪强度验算：=QSItw5540（112558+347.7526.75）8.471066.5=7.5 MPa（35）max=59.8 MPa f=215MPa（36）=7.5 MPa fv=125MPa（37）由上可知，立柱强度验算满足要求。3.3.2立柱挠度验算按照现行国家标准 声屏障结构技术标准（GB/T513352018），在风荷载设计标准值作用下，立柱顶点水平位移值不应大于 H/200。顶=q风H48EI=1.323000482.061058.47106=7.7 mm（38）0=H200=3000200=15 mm（39）顶=7.7 mm0=15 mm（40）由上可知