在建城際鐵路橋梁增設全封閉聲屏障方案研究

陳剛

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西西安 710043）

1 工程概況

廣州—佛山環(huán)城際鐵路（簡稱廣佛城際）的佛山西站—廣州南站段位于廣州市和佛山市境內，未來將為沿線居民提供更方便快捷的出行方式。在建期間，地方政府提出某城際高架車站區(qū)域結合地鐵項目需進行TOD開發(fā)，周邊規(guī)劃有居民區(qū)、辦公區(qū)、商業(yè)區(qū)等。這種開發(fā)模式可以使公共交通的使用最大化，但同時為了提升周圍土地價值和改善人居環(huán)境，需降低軌道交通對環(huán)境的影響。因此，規(guī)劃部門要求該段橋梁增設全封閉聲屏障。全封閉聲屏障將噪聲全部封閉在內部，只有很少量的透射聲溢出以及少量結構噪聲輻射，降噪效果最好［1］，但全封閉聲屏障在鐵路工程中較少采用。相關鐵路橋梁和鐵路聲屏障的研究中，蘇衛(wèi)青［2］總結普速及高速鐵路常用敞開式聲屏障結構的設計，陳海濤［3］分析大風區(qū)高鐵橋梁的抗風設計，蔡理平［4］分析聲屏障在輪軌荷載作用下的動力響應，胡喆［5］分析客運專線列車脈動力對聲屏障結構的影響，姚君芳［6］提出既有橋梁增設聲屏障的方案，李小珍等［7］對高速鐵路半封閉式聲屏障不同區(qū)域的噪聲進行測試，分析主要噪聲來源，結合實測資料對聲屏障減噪效果進行評價，王少林［8］分析考慮列車-軌道-橋梁和聲屏障共同作用下高速鐵路半封閉式聲屏障的動力響應。在借鑒上述研究的基礎上，考慮項目為在建工程（僅有部分橋梁樁基已施工），因此結合施工圖設計情況，利用已實施樁對聲屏障增設方案進行分析。

2 聲屏障方案比選

2.1 方案概況

常用聲屏障有3種結構：全封閉聲屏障、半封閉聲屏障和直立式聲屏障，其中全封閉和半封閉聲屏障又分為外覆式全（半）封閉、插入式全（半）封閉和折臂式全（半）封閉聲屏障。

根據(jù)聲屏障降噪的預測效果分析，該段線路高度約為24 m，直立式聲屏障（2.15 m 高）降噪范圍約為線路高度以上9 m，若采用直立式聲屏障，則10層以內的建筑在聲屏障聲影區(qū)內，而10 層以上的建筑降噪效果則不明顯。若采取全封閉聲屏障，至少可降低鐵路噪聲15～20 dB，保證該區(qū)域聲環(huán)境質量維持現(xiàn)有水平。

結合建筑限界、聲屏障結構形式和材料等，提出以下3種全封閉聲屏障方案（見圖1）：

圖1 全封閉聲屏障方案

（1）方案1：外覆式全封閉聲屏障。高度約9.7 m，采用底部吸聲板+中間透光板+上部吸聲板+頂部透光板形式，從內往外分別由鋁鎂合金板、鋁方管龍骨、玻璃布+鍍鋅鋼絲網(wǎng)、吸音棉和屋面板組成。

（2）方案2：圓弧形插入式全封閉聲屏障。高度9.8 m，采用底部吸聲板+中間透光板+上部吸聲板+頂部透光板形式，主要由吸聲板、隔聲板（夾層玻璃、聚碳酸酯板）、立柱、連接件等組成。

（3）方案3：折頂形插入式全封閉聲屏障。高度9.0 m，采用底部吸聲板+中間透光板+上部吸聲板+頂部透光板或吸聲板形式，主要由吸聲板、隔聲板（夾層玻璃、聚碳酸酯板）、立柱、連接件等組成。

2.2 方案比較及推薦

從減噪性能、防腐性能、幾何適應性、抗風穩(wěn)定性、景觀效果等各方面對3 種方案進行綜合比選（見表1），確定該項工程宜采用方案1：外覆式全封閉聲屏障。

3 在建橋梁結構影響分析

3.1 分析基礎

廣佛城際主要技術標準：鐵路等級為城際鐵路；正線數(shù)目為雙線；速度目標值為200 km/h；正線線間距4.4 m；軌道為無砟軌道；設計荷載為ZC荷載；地震峰值加速度為0.1g。

施工現(xiàn)場為配合研究TOD 開發(fā)方案，該段橋梁工程未施工。按照外覆式全封閉聲屏障方案，參考本段橋梁結構施工圖設計方案進行影響分析。該段橋梁原設計：上部結構為雙線32 m 簡支梁，支架現(xiàn)澆施工；箱梁梁長32.6 m，計算跨度31.5 m，截面中心線處梁高2.2 m，橫橋向支座中心距4.2 m；梁體采用單箱單室等高度斜腹板箱形截面，箱梁頂寬11.6 m，梁底寬為5.1 m；箱梁中心線處頂板厚28 cm，底板厚28 cm，腹板厚45 cm，梁端頂板、底板、腹板局部向內側加厚，分別加厚至48、65、100 cm；箱梁腹板設內徑10 cm 通風孔，頂、底板均設有泄水孔，頂面采用中間排水方式；原設計下部結構采用矩形實體墩，基礎采用摩擦樁基礎。梁體跨中斷面見圖2。

表1 全封閉式聲屏障方案比較

圖2 梁體跨中斷面

3.2 影響分析

3.2.1 梁體設計荷載

梁體設置外覆式全封閉聲屏障，設計風速60 m/s；聲屏障骨架采用門形鋼架（鋼架跨度14.2 m，縱向間距2 m），鋼架柱腳按剛性柱腳設計，由此引起梁體外荷載變化：

（1）二期恒載。按全封閉聲屏障結構方案，結構二期恒載由原設計142 kN/m增加為172 kN/m。

（2）聲屏障荷載。包括聲屏障自質量、風荷載、列車氣動力［2］，而作用在聲屏障上的外荷載最終通過門形骨架傳到梁體，鋼架柱腳處荷載有軸力、彎矩及剪力。聲屏障鋼架立柱柱腳連接見圖3。

圖3 聲屏障鋼架立柱柱腳連接

根據(jù)氣象資料確定自然風荷載，橋址處極端風速按60 m/s 檢算時，基本風壓W0=2 250 Pa；非極端風速檢算時，基本風壓W0=800 Pa；高度變化系數(shù)K2=1.13，體形系數(shù)K1=1.3，地形、地理條件系數(shù)K3=1.0，故風荷載強度［9］W=K1K2K3W0。列車氣動力是列車經(jīng)過聲屏障區(qū)域，由于空氣撓動對聲屏障結構產(chǎn)生正、負交替的脈動力，氣動力計算按規(guī)范公式［9］計算。按照《CRH6 型城際動車組技術條件》［10］規(guī)定的空氣動力學要求，在側風風速30 m/s 時，動車組嚴禁進入風區(qū)，故極端風速下不考慮活載作用。主力荷載組合為：聲屏障自質量+列車氣動力；主力+附加力荷載組合為：聲屏障自質量+列車氣動力+風荷載（30 m/s）；主力+特殊荷載組合為：聲屏障自質量+風荷載（60 m/s）。按規(guī)范，當列車運行速度小于160 km/h 時，其橋上建筑物或構件可不計氣動力作用［9］，由于該橋位于出站端，列車通過速度小于160 km/h，氣動力影響較小。

3.2.2 梁體縱向受力

設置全封閉聲屏障結構后，梁體承受的二期恒載增加21.1%，需對預應力鋼束布置進行調整，經(jīng)檢算，主要設計指標見表2。

表2 梁體主要設計指標

3.2.3 梁體翼緣板受力

聲屏障立柱間距2 m，聲屏障荷載通過立柱傳遞到梁體，在立柱處取橫向1 m板進行翼緣板受力分析。列車氣動力分正壓和負壓，對翼緣板的彎矩作用方向相反，故分別按僅考慮列車氣動力、考慮列車氣動力與風荷載同時作用的工況進行分析。

原設計翼板配筋為每延米10 根φ20 mm HRB400 級鋼筋，按施工圖梁體配筋翼緣板端部及根部截面配筋不滿足要求，故對聲屏障立柱兩側一定范圍內的，懸臂板厚度局部加厚50 cm，同時可滿足聲屏障立柱節(jié)點錨固要求；頂層鋼筋調整為2根1束，10根φ20 mm，底層按施工圖單根，10根φ20 mm（單延米配筋）進行補強設計。補強設計前后梁體翼緣板受力檢算結果見表3。

表3 梁體翼緣板受力檢算結果

3.2.4 梁體支反力

梁體在橫橋向荷載作用下，梁端兩側支反力將產(chǎn)生差異，簡支梁支座一般按等噸位設計，故支座墩位需同時滿足最大反力和最小反力（不出現(xiàn)負反力）的要求。中-活載按單線行車、雙線行車及不考慮活載3 種工況，采用空間梁單元模型（見圖6）分別分析梁體支反力，按照“主+橫附”控制（恒載+活載+離心力+搖擺力+橫向風力）計算梁體支反力結果見表5。

圖6 計算模型

表5 梁體支反力表 kN

由表5可知：以上3種工況下最大支反力5 940 kN；最小支反力1 189.9 kN；與施工圖相比，施工圖32 m簡支梁采用支座豎向設計承載力為4 500 kN，增設聲障屏后梁體支反力增加32%，不滿足要求；最小豎向力大于1 000 kN，未出現(xiàn)拉力。

3.2.5 梁體抗傾覆穩(wěn)定性

當梁體受到很大的橫橋向力，需對橋梁結構進行抗傾覆穩(wěn)定性的檢算［3］，設計同時考慮風荷載、列車氣動力、離心力和搖擺力等橫向荷載的作用。按單線行車（考慮橫向偏載作用）和無車2種荷載工況進行分析，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K需滿足規(guī)范要求，檢算公式為：

式中：Md為結構抗傾覆力矩；Mq為結構傾覆力矩。

控制荷載工況下梁體抗傾覆穩(wěn)定性檢算結果見表6，原設計抗傾覆穩(wěn)定性滿足增設聲屏障要求。

表6 梁體抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

3.2.6 橋梁下部結構受力

下部結構墩身采用矩形實體橋墩，基礎采用鉆孔樁基礎（見圖7）。由于梁體自質量、二期恒載及橫向附加力發(fā)生變化，故以調整后的荷載工況對橋梁下部結構進行檢算。在控制組“主+橫附”（恒載+活載+離心力+搖擺力+橫向風力）作用下，對代表墩進行檢算：施工圖中單樁承載力4 439 kN，增設全封閉屏障后單樁承載力7 407 kN，單樁允許承載力5 168 kN，不滿足要求；墩身按鋼筋混凝土構件進行檢算，滿足要求。

圖7 橋梁下部結構

3.3 局部設計調整

通過結合施工圖對梁體及下部結構的影響分析，按相應的分析結論對結構進行局部調整設計：

（1）梁體承受的二期恒載增加21.1%，需對預應力鋼束布置進行調整，調整后梁體縱向受力滿足要求。

（2）翼緣板端部及根部截面配筋不滿足要求，經(jīng)補充檢算按以下措施處理：聲屏障立柱兩側一定范圍，懸臂板厚度局部加厚為50 cm，同時可滿足聲屏障立柱節(jié)點錨固要求；頂層鋼筋調整為2 根1 束HRB400，10 根φ20 mm，底層仍按施工圖單根HRB400，10 根φ20 mm（單延米配筋）。

（3）梁體最大支反力大于原設計支座噸位，故調整支座設計噸位，采用豎向承載力6 000 kN 的球形鋼支座。

（4）通過對橋梁下部結構受力影響進行分析，其單樁承載力不滿足要求，經(jīng)補充檢算需調整基礎布置，調整后的基礎布置見圖8。

圖8 基礎布置調整

4 外覆式全封閉聲屏障運營養(yǎng)護措施

外覆式全封閉聲屏障的養(yǎng)護維修涉及柱腳基礎，鋼結構與聲屏障屏體等方面，針對不同構件，提出對其運營養(yǎng)護措施：

（1）柱腳基礎。外覆式聲屏障的屏體一般設置于鋼立柱外翼緣外側，柱腳基礎的預埋螺栓和螺母在軌道內側均可以實現(xiàn)定期巡視和檢修，如發(fā)現(xiàn)螺栓、螺母、墊片等構件存在腐蝕損壞與松動情況，應采取防腐和補強措施和對螺栓進行緊固。

（2）鋼結構。主結構與次結構的緊固系統(tǒng)、主結構與次結構防腐，需進行定期養(yǎng)護與維修，可在軌道內側觀察。結構防腐問題，可采取油漆修復、鍍鋅修復、防火涂料修復等方式；螺栓系統(tǒng)松動，可進行緊固或更換緊固件；焊縫節(jié)點問題，可以清除現(xiàn)有表面后重新進行焊接補強。

（3）聲屏障屏體。對于外層裝飾板，通過檢修通道或者云梯平臺車進行表面清洗。通過輕敲和觀察的方式，檢查裝飾板處的自攻釘是否脫落，密封膠是否失效。頂部可以通過行走時的聲響來檢查自攻釘是否松動，進而采取緊固措施。某一塊板因外力原因導致破損，可以進行維修與更換。內部的穿孔板可以通過觀察的方式檢查油漆附著力情況和油漆是否脫落、內部的吸聲棉是否受潮及粉化、穿孔板自攻釘是否松動與脫落等，進而決定是否進行緊固或更換。

5 結束語

基于在建廣佛城際鐵路橋梁工程現(xiàn)狀，對部分橋梁段落增設全包式聲屏障方案進行比選，推薦采用外覆式全封閉聲屏障方案。本線設計批復的聲屏障結果檢算風速為60 m/s，橋梁采用全封閉式聲屏障對結構受力影響較大，按施工圖設計及施工現(xiàn)狀提出了結構補強措施。針對橋梁全封閉式聲屏障結構特點，提出其運營養(yǎng)護措施建議。城際鐵路為沿線居民提供了方便快捷的出行方式，但設計同時要考慮對人居環(huán)境的影響。在對減噪要求較高的鐵路橋梁區(qū)段，采用全封閉式聲屏障并結合軌道的減噪措施，可達到滿意的效果。