道路声屏障基础连接形式受力分析及优化建议

陶晓光

（上海申华声学装备有限公司，上海市200070）

道路声屏障基础连接形式受力分析及优化建议

陶晓光

（上海申华声学装备有限公司，上海市200070）

随着经济的快速发展，交通噪声对城市道路两侧的居民影响越为严重，越来越多的声屏障设置在城市高架桥、快速路上，基础连接形式多样化。通过对各种基础连接部位的有限元模拟计算，分析各类结构的安全性，据此提出了相应的优化建议。

电力电缆隧道；线路设计；纵断设计；工作井

0　前言

伴随着城市建设的快速发展，交通噪声成为了城市环境中不可忽视的一个环节，声屏障是控制交通噪声的一种有效方式。越来越多的声屏障设置在城市高架桥、快速路上，结构形式多样，基础形式多样化，通常分为有预埋和无预埋式。最为常见的是有预埋，它是指有预埋地脚螺栓，声屏障钢结构与地脚螺栓螺母紧固连接；无预埋式主要分为植筋连接与骑马桩对穿螺杆（栓）连接。多样化的形式并没有进行过结构安全性以及整体性的分析。

1　声屏障荷载分析

声屏障所承受的主要荷载有：（1）自重荷载：它包含钢立柱及其他钢结构、声屏障单元板及零配件的重力荷载；（2）风压荷载：水平风荷载，汽车、列车经过时引起的脉动力风压疲劳荷载，通常不予以考虑疲劳荷载。

声屏障主要由钢立柱、预先加工好的吸隔声单元板，由于主要分析的是柱下结构的安全性，因此不考虑声屏障单元板自身的参数属性，而是把荷载加载到钢立柱上来进行计算。简化模型见图1。

图1　声屏障框架计算单元图

除了自重荷载对基础会造成压力影响外，风荷载是影响声屏障结构安全的重要因素，水平风荷载作用在上图的阴影面积上，受力形式类似于楼面板，荷载传递至钢立柱上，通过立柱与基础的连接转移到防撞墙基础或者路面基础。

立柱承受均布的横向风荷载，从图2可知，结构计算模型为悬臂梁模型，最不利的截面是在钢立柱与基础的连接截面。

图2　受力分析图

通过理论计算可得：

式中：q——立柱承受的横向风荷载；

w——基本风压，通过查询基本风压表及相关系数可得；

b1、b2——阴影部分的截面面积，分别为相邻两跨立柱间距的一半。

式中：G1——钢立柱自重荷载；

G2——声屏障单元板自重荷载。

需要注意，当声屏障单元板均布受压在基础面上时，G2仅计算钢底板上受压面的荷载；当声屏障单元板通过垫高等形式两端简支，中部漏空的固定在立柱上时，G2取一榀框架下声屏障单元板自重，本模拟考虑最不利荷载情况下，取G2为一榀框架单元板自重计算。

2　声屏障基础参数设置

通过有限元模拟软件ANSYS对声屏障整体结构进行模拟分析，模拟有预埋、无预埋植筋、无预埋骑马桩式三种工况下一榀框架的整体受力分布情况。

钢立柱、预埋螺杆、对穿螺杆采用采用S0LID185实体单元，弹性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.3；防撞墙采用S0LID65单元，弹性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.25，通过对S0LID65单元实常数设置钢筋的三向配比模拟钢筋混凝土，其中混凝土裂缝张开的剪力传递系数为0.5，裂缝闭合的剪力传递系数为0.9，混凝土采用C30混凝土，则抗拉强度为1.43 MPa，由于不考虑混凝土抗压破坏，取单轴抗压强度为-1；钢筋的弹性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.3。

模拟采用等尺寸比例进行分析，各尺寸如下：

钢底板-300mm×220mm×20mm；预埋钢板-300mm×220mm×10mm；H=125mm×125mm，高2 500mm，Q235B；骑马桩底板：（740mm×300mm）×20mm。

两侧混凝土宽度：考虑混凝土局部承压，按2倍的承压面积放大，一边设置300mm。防撞墙高度：1 000mm。

荷载参照《09MR603 城市道路声屏障》，具体如下：

声屏障整体自重G：2.2 kN；声屏障风压荷载Fw=qH：8.13 kN。

三种工况下的模拟图见图3～图5。

图3　有预埋式

图4　无预埋植筋式

图5　骑马桩式

3　声屏障模拟分析

3.1钢立柱顶端位移对比

通过对钢立柱变形量的比较可知，有预埋式钢立柱的顶端最大位移为12.392 2mm，无预埋植筋式为13.427 9mm，骑马桩式12.558 9mm，根据《09MR603 城市道路声屏障》要求，声屏障立柱顶端位移小于L/200=12.6mm，设置骑马桩会略微增大顶端位移，但处于规范要求之内，而无预埋植筋式下钢立柱位移则超过规范要求，局部不满足安全性要求，见图6～图8。

图6　有预埋式（柱变形）

图7　无预埋植筋式（柱变形）

图8 骑马桩式（柱变形）

3.2钢立柱柱脚应力对比

通过对钢立柱柱脚应力的比较可知，柱脚H钢与底板连接边缘处均出现应力集中，不能按此值分析柱脚应力，应考虑周边节点的应力分布。从图9～图11可知，有预埋式钢立柱柱脚应力最小，为69～83 MPa；骑马桩式次之，为81～94 MPa；无预埋植筋式最大，为82～102 MPa；声屏障钢立柱通常选用Q235B，σ＜235 MPa，故在三种工况下柱脚应力均在安全范围内。

图9　有预埋式（柱脚应力）

图10　无预埋植筋式（柱脚应力）

图11　骑马桩式（柱脚应力）

3.3柱下混凝土应力对比

通过对三种工况下混凝土抗压强度的比较可知，有预埋式与无预埋植筋式柱下混凝土均处于安全位置，但无预埋植筋式柱下混凝土荷载更大，最大压应力为11.4 MPa，且最大位置应力较集中，容易出现局部破坏，有预埋式柱下混凝土最大压应力5.78 MPa，应力分布较均匀；而骑马桩式柱下混凝土整体处于受拉状态，仅在骑马板底板边缘部分受压，见图12～图14。

图12　有预埋式（混凝土抗压）

图13　无预埋植筋式（混凝土抗压）

图14　骑马桩式（混凝土抗压）

从图15可知，骑马桩式柱下混凝土抗拉大部分处在范围之内，骑马板内侧与混凝土连接部位部分区域出现超标现象。

3.4混凝土开裂对比

通过对三种工况下混凝土裂缝的比较可知（见图16～图18），骑马桩式裂缝最小，因骑马桩和混凝土三向约束受力；有预埋式下混凝土裂缝次之，无预埋植筋式下混凝土裂缝最大，且范围最大，从混凝土应力分布中看，抗压强度远小于C30混凝土强度范围之内，因此均处于安全范围。

图15　骑马桩式（柱下混凝土抗拉分析）

图16　有预埋式

图17　无预埋植筋式

图18　骑马桩式

4　结论及建议

通过以上对比分析，有预埋式声屏障各项指标均满足相应的荷载规范要求；无预埋植筋式下，钢立柱柱脚应力偏大，钢立柱顶端位移超标，柱下混凝土裂缝区域大，压力大且集中，当钢立柱加高或处于台风地区时非常的不安全，部分无法预埋位置局部可以设置植筋，但不适宜通长或整段的设置，否则安全无法保证；骑马桩式声屏障各项参数均满足规范要求，钢立柱柱脚应力略有增大，柱下混凝土整体处于抗拉状态，大部分区域满足抗拉强度标准值，部分位置出现应力集中现象，需要进一步分析。

三种工况下柱下混凝土应力均有应力集中现象，建议在有预埋的情况下，加强预埋件下部钢筋，增设一定量箍筋，可有效降低混凝土开裂现象。同时本文并未考虑混凝土的非线性以以及钢筋的真实分布，因此在局部模拟上导致部分位置出现混凝土应力集中现象，建议在后期分析中加入混凝土非线性参数，充分考虑钢筋的作用，采用分离式模型，利用LINK8或PIPE16单元模拟钢筋，将会得到更为有效的结果。

TU112.59+4

B

1009-7716（2015）01-0171-04

2014-11-11

陶晓光（1981-），男，浙江金华人，工程师，从事道路声屏障工程设计及施工工作。