高速公路路基段声屏障档距设计浅析

周海林

（山西省交通环境保护中心站（有限公司），山西 太原 030032）

交通噪声是高速公路运营期间对周围环境最主要的影响因素，而声屏障是当前在经济技术上最为可行的降噪措施之一。钢立柱插板型声屏障是国内最为常见的声屏障结构形式，该型式声屏障上部结构通常采用H型钢作为支撑立柱，下部结构采用浅桩连梁基础，将声屏障屏体直接插入H型钢立柱中，具有结构简单、便于安装等特点。该种型式声屏障随着相邻钢立柱间距（即档距）加大，单位长度声屏障所需设置的钢立柱和桩基础数量将减少，但随着间距增大，单根钢立柱和桩基础所承受的水平荷载也将增大，所选用钢立柱和桩基础也将加大，因此，选择合适的档距对声屏障整体工程造价具有重要意义。本文拟根据现行声屏障相关设计规范要求，通过核算不同设计档距下钢立柱及桩基础的选型，从材料耗量角度对声屏障档距进行初步探讨。

1 钢立柱及桩基础选型设计计算

1.1 基本参数

表1 某高速公路及声屏障工程基本技术指标一览表

以某双向四车道高速公路路基段为例，高速公路及声屏障工程基本技术指标见表1。

声屏障工程设计气象参数取值见表2。

表2 设计气象参数指标一览表

声屏障钢立柱采用宽翼缘热轧H型钢，钢材牌号按Q235，见表3。

表3 宽翼缘热轧H型钢技术指标一览表[1]

声屏障工程桩基础直径一般小于0.6 m，深度小于6 m，一般在路基工程完工后开始实施。钢管桩基础施工周期短，开挖量小，对路基边坡及其防护破坏也较小，适宜在高速公路声屏障工程中采用[2]，常用钢管桩尺寸见表4。

表4 钢管桩用普通无缝钢管尺寸一览表

声屏障基础采用C30混凝土浇筑，承台尺寸为600 mm×1 000 mm×500 mm，连系梁截面尺寸为300 mm×500 mm。

常见钢立柱插板型声屏障结构形式见图1。

图1 常见钢立柱插板型声屏障结构示意图（单位：mm）

1.2 屏体水平荷载计算（Fwh）[4]

声屏障屏体所承受的水平荷载主要由自然风荷载（Fk）和车致风压荷载（P1k）两部分组成，其中自然风荷载组合系数取1.5，车致风压荷载组合系数取1.0。

自然风荷载（Fk，kN）：

式中：S为屏体作用面积，m2；βgz为阵风系数；μsl为局部体型系数；μz为风压高度变化系数；w0为基本风压，kN/m2。

车致风压荷载（P1k，kN）：

式中：ρ为空气密度，取1.25 kg/m3；vt为车辆速度，m/s；k1为车辆形状系数，货车取1.0；cpl为车致风压系数；Y为车辆中心线至声屏障距离，m。

1.3 钢立柱选型设计计算[5-6]

钢立柱是声屏障屏体水平荷载的主要支撑受力结构，钢立柱所选用H型钢应满足抗弯强度，最大挠度和整体稳定性要求。

当磨料流量不断增加,进入沙管的水和磨粒增多,作用于线材表面的磨料颗粒相应增多,氧化皮和锈层受到的剪切碰撞作用增强,磨粒磨损加大,线材表面的去除效率增大;随着磨料流量逐渐增大,由于沙管的孔径太小,大量的水和磨料不仅降低了射流的速度,而且阻碍高压水喷射出来,导致射流压力降低,流量减少,从而导致磨粒相互间的剪切碰撞作用减弱,磨损减轻,使得磨粒作用于线材表面的能量降低,对锈层的去除效率也降低。同时,流量的增加导致部分磨粒反弹,使得流量无法对线材表面产生冲蚀作用，对线材表面的去除效率明显减小。

1.3.1 抗弯强度校核

式中：Mx为绕强轴最大弯矩，kN·m；γx为对x轴的截面塑性发展系数，取1.05；Wx为对x轴的净截面模量，mm3；f为钢材抗弯强度，取215 N/mm2。

1.3.2 最大挠度校核

式中：q为钢立柱均布水平荷载，N/mm；l为钢立柱长度，mm；E为钢立柱弹性模量，取2.06×105N/mm2；Ix为x轴惯性矩，mm4；[v0]为最大允许挠度，取l/200，mm。

1.3.3 整体稳定性校核

式中：φb为整体稳定系数；βb为等效弯矩系数；λy为侧向支承点间对截面弱轴y-y的长细比；A为钢立柱截面积，mm2；h、t1为钢立柱全高和受压翼缘厚度，mm；l1为钢立柱受压翼缘侧向支承点之间的距离，mm；iy为钢立柱对y轴的惯性半径，mm；ηb为钢立柱截面不对称系数，取0；εk为钢号修正系数，取1.0。

1.4 钢管桩选型设计计算[7]

路基段声屏障通常设置在填方路堤段，路基填土层较厚，桩基埋深较浅，声屏障钢管桩基础主要承受屏体、钢立柱等上部结构以及承台、连梁等下部结构重力荷载，和风压等引起的水平荷载，按照一柱一桩设置，钢管桩单桩竖向承载力特征值（Ra）和单桩水平承载力特征值（Rha）应小于相应的竖向作用力（Nk）和水平作用力（Hk）。

1.4.1 单桩竖向承载力特征值（R）a校核

式中：Nk为桩基轴心竖向作用力，N；Ra为单桩竖向承载力特征值，N；k为安全系数，取2；Qsk为单桩竖向极限承载力标准值，N；u为桩周长，m；λp为桩端土塞效应系数，按闭口桩，取1；qsik为桩侧土层极限侧阻力标准值，取22 kPa；l为桩长（埋深），m；qpk为极限端阻力标准值，取210 kPa；Ap为桩端截面积，m2。

1.4.2 单桩水平承载力特征值（Rh）a校核

式中：Hk为桩基顶部水平作用力，N；Rha为单桩水平承载力特征值，N；a为桩基水平变形系数；E为桩侧土层水平抗力系数的比例系数，取6×106N/m4；b0为桩身的计算宽度，m；E为弹性模量，取2.06×105N/mm2；I为惯性矩，cm4；d为桩直径（外径），m；vx为桩顶水平位移系数，按桩埋深取值；x0a为桩顶允许水平位置，取6 mm。

2 钢立柱选型结果

2.1 钢立柱水平荷载

根据式（1）～式（3），综合考虑声屏障屏体自然风荷载和车致风荷载，不同基本风压和档距下钢立柱所受水平荷载见表5。

表5 钢立柱水平荷载Fwh计算结果一览表 kN

2.2 钢立柱选型

根据式（4）～式（8），在满足抗弯强度、最大允许挠度和整体稳定性的情况，钢立柱选型结果见表6。

表6 不同条件下钢立柱选型结果一览表

3 钢管桩选型结果

3.1 单桩水平荷载和竖直荷载

为简化计算，声屏障桩基础按一柱一桩设置，单桩水平荷载（Hk）与立柱所受水平荷载（Fwh）相同，见表5。

声屏障单桩所承受的竖直荷载包括立柱、屏体等上部结构的重力和承台、连梁的重力，则不同基本风压和档距下钢立柱所受竖直荷载见表7。

表7 桩基础竖直荷载Nk计算结果一览表

3.2 钢管桩选型

根据式（9）～式（15），在单桩竖向承载力特征值和水平承载力特征值满足要求的情况下，钢管桩选型结果见表8。

表8 不同条件下钢管桩选型结果一览表

4 钢立柱及钢管桩材料量分析

从表6、表8可看出，随着基本风压和档距增加，声屏障所选用的H型钢以及钢管桩也将增大。声屏障高度按照3 m取值，则不同设计条件下，单位长度声屏障钢材料耗量见表9、图2。

表9 不同条件下单位长度声屏障钢立柱及钢管桩材料耗量一览表

从表9、图2可以看出，声屏障工程在同一档距下，单位长度声屏障钢立柱和钢管桩材料耗量随基本风压的增加而增大，但在同一基本风压条件下，随着设计档距的增加，单位长度声屏障所设的钢立柱和钢管桩数量将减少，同时由于每根钢立柱和钢管桩所承受的竖直荷载和水平荷载将增大，钢立柱所选用的H型钢型号将加大，钢管桩直径将加大或桩长将加长，因此，折合单位长度声屏障的钢立柱和钢管桩材料耗量并不一定减少，如基本风压为0.3 kN/m2，档距为3 m时，钢立柱选用HW150型钢，材料耗量为46.65 kg/m，而档距为3.5 m时，钢立柱将选用HW175型钢，材料耗量增至51.94 kg/m；同样，档距为2.5 m时，钢管桩选用DN219 mm（桩长3 m），材料耗量为37.82 kg/m，而档距为3 m时，钢管桩选用DN273 mm（桩长3 m），材料耗量增至42.72 kg/m。

图2 不同基本风压下材料耗量随档距变化趋势图

5 结论与建议

a）对于钢立柱插板型声屏障而言，在高速公路沿线屏体所受的水平荷载主要是自然风荷载，车致风荷载相对较小，水平荷载主要由钢立柱和桩基础所承担，其荷载大小与区域基本风压和设计档距直接相关。设计档距越大，基本风压越大，水平荷载越大。

b）高速公路路基段声屏障工程主要设在填方路堤段，桩基础竖直荷载主要是钢立柱及屏体等上部结构和承台、连梁等下部结构的重力荷载。在承台、连梁尺寸不变的情况下，设计档距越大，桩基础所承受的竖直荷载越大。

c）在不同基本风压条件下，声屏障工程设计档距越大，单位长度声屏障工程所设置的钢立柱和桩基础数量将减小，但单根钢立柱和桩基础所承受的水平荷载将增大，相应选用的立柱及桩基的型号将增大，因此，应结合声屏障工程所在区域的基本风压情况，合理选择设计档距。

d）根据初步核算，在基本风压0.45 kN/m2地区，3.5 m档距时单位长度声屏障工程钢立柱及钢管桩综合材料量最小，可优先选择；而在其他基本风压地区，4 m档距时声屏障工程钢立柱及钢管桩综合材料量最小，应优先选择。