高速鐵路外敷式半包聲屏障單線有砟簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)研究

劉 奇

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司橋梁工程設(shè)計(jì)研究院,北京 100055)

1 概述

聲屏障作為工程建設(shè)的重要組成部分，是我國(guó)高速鐵路最常見的噪聲防護(hù)措施[1-2]，半封閉聲屏障相較于傳統(tǒng)直立式聲屏障具有更優(yōu)的降噪效果[3]。參考鐵路橋梁工程和聲屏障的研究，蔡理平[4]等分析了橋上全聲屏障在輪軌動(dòng)荷載作用下的振動(dòng)；王少林[5]應(yīng)用車輛-軌道-橋梁動(dòng)態(tài)相互作用原理，利用有限元計(jì)算分析半封閉式聲屏障的動(dòng)力響應(yīng)；李小珍[6]等測(cè)試半封閉聲屏障不同區(qū)域噪聲，分析噪聲來源并對(duì)聲屏障減噪效果進(jìn)行評(píng)價(jià)；胡喆[7]采用可壓縮三維流動(dòng)模型分析列車脈動(dòng)力對(duì)聲屏障影響；姚君芳[8]針對(duì)3種既有橋增設(shè)聲屏障方案進(jìn)行比選，成果可為同類橋梁增設(shè)聲屏障工程提供參考；陳海濤[9]針對(duì)風(fēng)區(qū)段落設(shè)置擋風(fēng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析；鄧運(yùn)清[10-11]詳細(xì)闡述了高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)，系統(tǒng)介紹鐵路箱梁設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)的選取。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)噪聲的認(rèn)識(shí)和關(guān)注的增強(qiáng)，在鐵路橋梁上因地制宜設(shè)置多種形式的聲屏障已成為解決噪聲問題的重要方式。目前關(guān)于橋梁上設(shè)置聲屏障的研究還不夠充分，本文介紹橋梁工程上設(shè)置聲屏障的類型，并就設(shè)計(jì)重點(diǎn)進(jìn)行分析研究。

2 設(shè)計(jì)重點(diǎn)

外敷式半包聲屏障簡(jiǎn)支箱梁設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮外敷式半包聲屏障較傳統(tǒng)直立式聲屏障荷載增加、迎風(fēng)面面積增大的不利影響，從聲屏障選型、橋面布置、橫向加肋對(duì)橋梁影響、抗傾覆設(shè)計(jì)及支座選型等方面進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

2.1 聲屏障選型

直立式聲屏障、半封閉聲屏障和全封閉聲屏障是常見的聲屏障結(jié)構(gòu)形式[12]。我國(guó)高速鐵路廣泛使用插板式金屬聲屏障，其約占聲屏障總量90%以上[13]，降噪效果與材料吸隔聲性能、聲屏障高度相關(guān)[14]，且聲衍射現(xiàn)象較為嚴(yán)重。一般可通過改變直立式聲屏障頂部結(jié)構(gòu)有效增強(qiáng)降噪能力，常見的有Y形、倒L形、T形[15]，具有安裝方便、技術(shù)成熟、空間占用小的優(yōu)點(diǎn)。半封閉聲屏障適用于線路兩側(cè)環(huán)境噪聲要求不同，一側(cè)是噪聲敏感區(qū)域而另一側(cè)對(duì)噪聲要求不高的情況。半封閉聲屏障因一側(cè)敞開，可良好地改善通風(fēng)、采光條件，且測(cè)試表明具有良好的降噪效果。杭長(zhǎng)高鐵金華段部分線路一側(cè)為居民區(qū)另一側(cè)為鐵路，因此采用了半封閉聲屏障[16]。全封閉聲屏障可封閉聲源，聲屏障吸收反射絕大部分聲波并避免繞射聲，僅有少量聲波會(huì)透過聲屏障，因此降噪效果最為理想[17]。在城市交通干道兩側(cè)的高層建筑物密集，容易形成城市“峽谷”效應(yīng)，直立式聲屏障和半封閉聲屏障無(wú)法有效控制噪聲向敏感區(qū)域輻射，因此全封閉聲屏障在城市軌道交通中有著廣泛的應(yīng)用。

宜昌至鄭萬(wàn)高鐵聯(lián)絡(luò)線宜昌地區(qū)配套工程是貫徹落實(shí)長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展戰(zhàn)略，構(gòu)建沿江高速鐵路新通道，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重大工程。因項(xiàng)目部分穿行于宜昌市區(qū)，涉及居民區(qū)等敏感點(diǎn)，為改善人居環(huán)境、提升土地價(jià)值，需降低軌道交通對(duì)周邊環(huán)境影響，因此在該段落橋梁上需設(shè)置聲屏障。

本工程線路北側(cè)緊挨居民區(qū)而南側(cè)為城市主干路，結(jié)合橋梁所在區(qū)域特點(diǎn)以及環(huán)境評(píng)價(jià)意見，為進(jìn)一步降低列車運(yùn)營(yíng)對(duì)居民生活影響并消除居民心理障礙，推薦采用半封閉式聲屏障。

針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)上設(shè)置半封閉聲屏障，對(duì)比混凝土和鋼結(jié)構(gòu)兩個(gè)方案，混凝土方案采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)形式，框架柱作用于橋梁翼緣板，一側(cè)砌筑磚墻，內(nèi)外側(cè)做20 mm砂漿保護(hù)層，外墻、柱子和棚頂涂刷真石漆涂料；鋼結(jié)構(gòu)方案采用門式剛架的結(jié)構(gòu)形式，工字鋼柱子作用于橋梁翼緣板，聲屏障外墻和屋面單元板采用金屬單元板，金屬單元板需進(jìn)行鉻酸鈍化或類似防腐預(yù)處理。兩者優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 半封閉聲屏障方案對(duì)比

綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，認(rèn)為鋼結(jié)構(gòu)施工速度快，荷載小對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)更加友好，優(yōu)勢(shì)明顯，且由于半封閉式聲屏障荷載較大，常規(guī)簡(jiǎn)支梁翼緣板無(wú)法承受其荷載，選擇鋼結(jié)構(gòu)可降低聲屏障對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響，因此本設(shè)計(jì)選用鋼結(jié)構(gòu)外敷式半包聲屏障。

2.2 橋面布置

外敷式半包聲屏障簡(jiǎn)支箱翼緣板外側(cè)設(shè)置聲屏障鋼結(jié)構(gòu)支柱基礎(chǔ)，為適應(yīng)聲屏障荷載作用，對(duì)聲屏障基礎(chǔ)進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，支柱基礎(chǔ)尺寸為650 mm×750 mm(順線路×垂直線路)，聲屏障采用弧頂剛架結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)總高度8.3 m，跨度約為7.02 m，支柱基礎(chǔ)順線路方向間距為4 m。橋面布置見圖1、圖2。

圖1 外敷式半包聲屏障橋面布置圖(有鋼結(jié)構(gòu)支柱)

圖2 外敷式半包聲屏障橋面布置圖(無(wú)鋼結(jié)構(gòu)支柱)

2.3 橫向加肋對(duì)簡(jiǎn)支箱梁影響研究

聲屏障基礎(chǔ)縱橋向間距4 m，相比其他位置，基礎(chǔ)處橋面板荷載較大，影響簡(jiǎn)支梁橫向撓度及受力，可在聲屏障基礎(chǔ)中心兩側(cè)0.75 m(順橋向)范圍內(nèi)對(duì)橋面翼緣板和頂板下部進(jìn)行局部加厚，具體構(gòu)造尺寸如圖3所示，加厚部分與梁體一同現(xiàn)場(chǎng)澆筑形成整體。

圖3 梁體加肋、不加肋跨中截面尺寸(單位：mm)

2.3.1 橫向加肋對(duì)箱梁橫向受力影響研究

為研究支柱基礎(chǔ)處橫向加肋對(duì)受力及配筋的影響，應(yīng)用midas Civil 2019程序建立聲屏障基礎(chǔ)處加肋和不加肋平面桿系模型進(jìn)行對(duì)比分析，考慮自重、二期恒載、列車活載、日照溫差、寒潮、聲屏障荷載、風(fēng)荷載等，橫向撓度計(jì)算結(jié)果見表2，檢算結(jié)果見表3。

表2 梁體加肋、不加肋橫向撓度計(jì)算結(jié)果 mm

表3 梁體加肋、不加肋受力檢算結(jié)果

由表2、表3可知：梁體加肋相比不加肋雖然增加了混凝土的用量，但翼緣板上緣(腹板處)、頂板跨中下緣處配筋減小，且加肋可以增加梁體橫向剛度，特別是將頂板跨中撓度大幅減小，有利于列車平穩(wěn)運(yùn)營(yíng)。

2.3.2 橫向加肋對(duì)箱梁豎向自振頻率影響研究

橋梁結(jié)構(gòu)基頻對(duì)結(jié)構(gòu)體系剛度和列車動(dòng)力響應(yīng)有重要影響，即影響結(jié)構(gòu)安全又影響運(yùn)營(yíng)舒適性[18]。應(yīng)用midas Civil 2019建立有限元模型，分析橫向加肋和不加肋情況下簡(jiǎn)支箱梁的豎向自振頻率。經(jīng)計(jì)算，不加肋的32 m簡(jiǎn)支箱梁豎向自振頻率為10.14 Hz，加肋的32 m簡(jiǎn)支箱梁豎向自振頻率為9.80 Hz。由于橫向加肋導(dǎo)致梁體自重增加，自振頻率較不加肋減小，但影響較小，且亦滿足規(guī)范要求[19]。橫向加肋簡(jiǎn)支梁一階振形如圖4所示。

圖4 跨度32 m橫向加肋簡(jiǎn)支箱梁一階振形

2.3.3 橫向加肋對(duì)運(yùn)梁工況影響研究

本箱梁設(shè)計(jì)采用支架現(xiàn)澆的施工方法，考慮單線運(yùn)梁車運(yùn)輸通過的運(yùn)梁工況，運(yùn)梁車橫向荷載如圖5所示。對(duì)比計(jì)算橫向加肋和不加肋情況下運(yùn)梁工況荷載作用下橫向應(yīng)力大小，利用大型通用有限元軟件ANSYS進(jìn)行分析，加肋情況橫向應(yīng)力如圖5所示，不加肋情況橫向應(yīng)力如圖6所示。

圖5 單線運(yùn)梁車荷載橫向布置(單位：m)

圖6 加肋運(yùn)梁工況橫向應(yīng)力云圖

由圖6、圖7可知，橫向加肋、不加肋在運(yùn)梁工況下橫向拉應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在頂板底，不加肋情況最大拉應(yīng)力為1.040 MPa，加肋情況最大拉應(yīng)力為0.776 MPa，橫向加肋可有效降低運(yùn)梁工況頂板最大拉應(yīng)力。

圖7 不加肋運(yùn)梁工況橫向應(yīng)力云圖

3 抗傾覆驗(yàn)算及支座布置

外敷式半包聲屏障最大高度可達(dá)8.3 m，風(fēng)力作用下會(huì)產(chǎn)生很大的橫向力，因此準(zhǔn)確計(jì)算風(fēng)荷載對(duì)保證結(jié)構(gòu)的安全性至關(guān)重要。依據(jù)規(guī)范[19]規(guī)定計(jì)算出風(fēng)荷載強(qiáng)度為954.9 Pa，計(jì)算公式如下

W=K1K2K3W0

(1)

式中K1——橋墩風(fēng)載體形系數(shù)，取值為1.3；

K2——風(fēng)壓高度變化系數(shù)，結(jié)合工程背景，墩高約在22 m，取值為1.13；

K3——地形、地理?xiàng)l件系數(shù)，結(jié)合工程背景，工程所在地位臨近長(zhǎng)江，地勢(shì)平坦空曠，取值為1.3；

W0——基本風(fēng)壓值，取值為500 Pa。

由于部分橋梁位于線路的小曲線半徑上(最小曲線半徑400 m)，車輛運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生較大橫向離心力，因此需要對(duì)橋梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性檢算。考慮有車、無(wú)車最不利工況下，不同支座間距的梁體自重、二期恒載、聲屏障荷載、列車搖擺力、氣動(dòng)力、脫軌力以及風(fēng)荷載等的穩(wěn)定力矩和傾覆力矩，并計(jì)算抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 不同支座間距抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)

由計(jì)算結(jié)果可知，支座橫向間距2.5、2.8 m和3.1 m均可以滿足相關(guān)規(guī)范要求[19]，考慮宜昌地區(qū)地理環(huán)境復(fù)雜，大風(fēng)天氣復(fù)雜多變，為保證工程安全，結(jié)合工程周邊環(huán)境，支座間距取為3.1 m，考慮側(cè)向風(fēng)荷載以及小曲線半徑引起離心力的影響，支座承受的水平荷載大幅增加，為滿足支座螺栓抗剪需要，增強(qiáng)支座約束以增大抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，選用雙固定、雙縱向活動(dòng)支座。既方便現(xiàn)場(chǎng)施工，降低支座安裝錯(cuò)誤的發(fā)生，也可以提高結(jié)構(gòu)的抗震性能[20]。支座平面布置如圖8所示。

圖8 支座平面布置示意(單位：mm)

4 結(jié)論

隨著我國(guó)高速鐵路的飛速發(fā)展，高速鐵路橋梁上使用大量聲屏障，合理選用不同類型的聲屏障為今后城市發(fā)展規(guī)劃預(yù)留空間至關(guān)重要。通過分析宜昌至鄭萬(wàn)高鐵聯(lián)絡(luò)線宜昌地區(qū)配套工程所在地實(shí)際情況，一側(cè)為密集居民區(qū)一側(cè)為城市主干路，對(duì)比幾種形式的聲屏障的優(yōu)缺點(diǎn)，推薦采用外敷式半包聲屏障進(jìn)行噪聲防護(hù)。

本文系統(tǒng)分析了橫向加肋對(duì)單線有砟簡(jiǎn)支箱梁的影響，橫向加肋可以有效降低箱梁頂板配筋量，降低頂板跨中撓度，雖然增加了自重會(huì)降低梁體豎向自振頻率，但影響較小，滿足相關(guān)規(guī)范要求，且橫向加肋可有效降低運(yùn)梁工況頂板最大拉應(yīng)力，因此橫向加肋對(duì)結(jié)構(gòu)受力有明顯優(yōu)化效果。風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)傾覆有重要影響，對(duì)比不同支座間距的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)可知：拉大支座間距可有效提高抗傾覆系數(shù)，增強(qiáng)梁體安全性。本工程支間距取為3.1 m，且采用雙固定、雙縱向活動(dòng)支座以增大約束，既滿足支座抗剪需要，也有利于提高抗傾覆能力。