声屏障对城市桥梁结构的影响研究

杨广安

(上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司 上海市 200125)

近年来，越来越多的市政桥梁通过设置声屏障来减轻行车噪声对附近居民的影响。声屏障通过螺栓或焊接固定在桥梁防撞墙的预埋钢板上，目前针对声屏障对桥梁主体结构的影响方面的研究较少。

随着环保要求日趋提高，声屏障的高度也越做越高，有的甚至高达5～6m，还有的要求设置全封闭结构。基于此背景，声屏障对桥梁主体结构的影响日益突出，《声屏障结构技术标准》(GB/T 51335-2018)中明确指出安装在桥梁上的声屏障，应对桥梁结构进行专项验算。因此，结合目前常见市政桥梁结构形式，分别阐述声屏障对桥梁上下部结构的影响并提出相关设计建议。

1 声屏障荷载取值

声屏障结构设计荷载包括声屏障结构自重、风荷载、雪荷载、车致脉动荷载等，对于非全封闭声屏障结构，雪荷载及车致脉动荷载对桥梁主体结构的影响较小，仅从结构自重及风荷载两方面去阐述其影响。

图1 声屏障荷载示意图

1.1 结构自重

声屏障结构自重包括声学材料的重量、立柱重量和基础重量。根据所受风压及屏体高度的不同，常规2.0～4.0m高声屏障竖向结构自重约为0.7～1.2kN/m2，设计时可由屏体设计单位提供的数据确定。

1.2 风荷载

由于我国不同行业规范编制的可靠度指标等有所不同，目前声屏障屏体结构设计和桥梁结构设计所选取的风荷载的取值有所区别。屏体结构设计的风荷载取值目前比较明确，《声屏障结构技术标准》(GB/T 51335-2018)和国家建筑标准设计图集《城市道路声屏障》09MR603 GJBT-1123对此都有明确的说明(以下简称《技术标准》和《设计图集》)。

(1)《技术标准》中规定作用在声屏障上的水平侧向风荷载宜按下式计算：

ωk=βgzμslμzω0

式中：ωk—风荷载标准值(kN/m2)；

βgz—高度z处的阵风系数，取为1.7；

μsl—风荷载局部体形系数，桥梁段取1.65；

μz—风压高度变化系数，取为1.0；

ω0—50年重现期下的基本风压(kN/m2)。

风荷载的组合值系数、频遇值系数和准永久值系数可分别取为0.6、0.4和0。

(2)《设计图集》中对于城市桥梁声屏障风荷载标准值计算公式：

式中：W0—50年重现期下基本风压(kN/m2)；

Awh—横向迎风面积(m2)(声屏障面积)；

k0—设计风速重现期换算系数；

k1—风荷载阻力系数；按普通实腹梁上部结构规定计算：

B—桥梁宽度(m)；

H—梁高+混凝土护栏高+声屏障高(m)；

k2—考虑地面粗糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数；

k3—地形、地理条件系数；

k5—阵风风速系数，对A/B类地表k5=1.38，对C/D类地表k5=1.7。

荷载组合采用《公路桥涵设计通用规范》。

可见，《技术标准》和《设计图集》在风荷载取值及荷载组合上分别基于《建筑结构荷载规范》和《公路桥涵设计通用规范》，两者取用的都是50年重现期下的基本风压，但在风载局部体型系数取值上略有区别：《技术标准》采用的是固定数值1.65，《设计图集》采用的是与桥宽B以及迎风面高度H有关的一个变化值，在H一定的情况下，桥宽越窄，风荷载值越大。

对于桥梁结构设计风荷载的取值目前均采用《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T 3360-01-2018(以下简称《桥抗风规》)中的公式计算：

式中：Fg—作用在主梁单位长度上的顺风向等效静阵风荷载(N/m)；

ρ—空气密度(kg/m3)，可取为1.25kg/m3；

Ug—等效静阵风风速(m/s)；

CH—主梁横向力系数；同设计图集中的风载阻力系数k1，高度取值时应包含梁高及声屏障总高；

D—主梁特征高度(m)。

设计风速的取值分为W1和W2两种作用水平：

w1—取值为重现期10年的设计风速和25m/s的较小值；

w2—取值为重现期100年的设计风速。

荷载组合：

承载能力极限状态设计：风主控时取1.4w2；风非主控时取1.4w1并与汽车荷载组合。正常使用极限状态设计：风速按w1风作用水平选取，风荷载的频遇值系数ψf和准永久值系数ψq均取1.0。

可见，屏体设计和桥梁结构设计选取风荷载最大的区别在于重现期的取值上，由于考虑声屏障荷载后的桥梁结构本质上为桥梁结构，其可靠度指标应遵从桥梁设计规范的要求，且《桥抗风规》在计算主梁横向力系数CH和主梁迎风面特征高度D时均明确需考虑声屏障高度，因此，核算声屏障荷载下桥梁结构的安全性时荷载的取值及组合应按《桥抗风规》选用。

2 声屏障对上部梁结构的影响

目前市政高架常规梁桥采用的结构形式有整体式和装配式两种，两种体系的上部结构在受力模式上有较大区别，因此声屏障对其造成的影响也有所不同。

2.1 整体式上部结构的影响

对于整体式上部结构，声屏障对其影响主要体现在局部挑臂及梁体整体倾覆上，声屏障对主梁挑臂局部影响根据荷载及挑臂局部构造按规范验算即可，在此不做赘述；以下分析声屏障风荷载对整体抗倾覆能力的影响。

以上海地区为例：W1风作用水平下、C类场地、桥面离地面15m高的30m跨简支梁桥(主梁高1.8m，防撞墙高1.0m，声屏障高3.5m)为例，分别分析考虑声屏障风荷载和不考虑声屏障风荷载两种工况下直线双支点主梁的横向刚体倾覆验算如下：

从表1可见，考虑声屏障风荷载对上部主梁的抗倾覆能力影响较明显，对钢结构主梁的影响最大，组合结构梁次之，混凝土梁影响最小，且桥宽越窄影响越大。因此新建或现状桥梁增设声屏障时不能忽视此影响，抗倾覆能力不足时可拉大支座间距或采用抗拉锚栓、抗拉支座等措施。

表1 声屏障对桥梁抗倾覆能力影响效应表

2.2 对装配式上部结构的影响

装配式上部结构在设计时一般把全桥视作一系列并排放置的主梁所构成的联系结构来进行分析，根据各种不同桥梁结构的具体特点对横向结构的连接刚性做出不同程度的假设。

下面以工程上常用的强横梁体系(多横梁体系T梁及小箱梁等)和弱横梁体系(刚接空心板及铰接空心板等)两种结构体系的装配式上部结构分别阐述声屏障对其受力的影响。

2.2.1强横梁体系上部结构

在具有可靠横向连接且宽跨比较小时，声屏障荷载作用下中间横隔梁的弹性挠曲变形同纵向主梁相比微不足道。此时整个主梁断面横桥向可看作刚体，声屏障自重及横向风荷载对刚体的作用等效为一个作用于形心的竖向力N+扭矩M。可知，类似于偏压构件纤维的伸长和缩短，此荷载由各片纵梁承担，主要表现为各片纵梁以竖向力的形式来抵抗此竖向力和扭矩，而各梁产生的扭矩较小。

推导可知各梁的竖向荷载Rik如下：

式中：N—声屏障竖向自重(kN)；

M—声屏障对主梁截面的总扭矩(kN·m)；

Ii—各主梁纵向抗弯惯性矩(m4)；

αi—各主梁中心线与桥面中心线间的距离(m)；

β—主梁抗扭修正系数。

以上海地区为例：W1风作用水平下、C类场地、桥面离地面15m高的40m跨简支T梁桥(主梁高2.5m，防撞墙高1.0m，声屏障高3.5m)为例，采用梁格模型分别计算横桥向不同片数T梁(4～10片T梁，梁中心间距2.4m)在声屏障风荷载作用下主梁受力的影响(仅表示边梁与次边梁效应)，部分结果摘录如表2所示。

表2 声屏障风荷载产生的附加内力影响效应表

图2 强横梁体系横断面变形示意图

由以上梁格法计算分析可见：

(1)横桥向离桥面中心越远的纵梁效应越大，因此，桥梁越宽，纵梁的附加荷载效应越小，对于桥宽较窄的匝道桥尤其应注意此附加荷载的影响。

(2)声屏障荷载产生的附加扭矩及剪力相对于一期恒载的占比远小于附加弯矩的占比，因此可主要关注附加弯矩的影响。

装配式桥梁为空间受力结构，为简化计算分析，一般采用横向分布系数简化为单梁设计，通过平面杆系有限元计算模型可简便计算横向分布系数[1]。同理可用类似计算模型来简便分析声屏障荷载作用下各主梁的荷载效应大小。将横向各片纵梁简化为集中弹簧约束的弹性约束梁，相应位置加载声屏障自重及横向风荷载，此时相应支座反力即为纵向每延米主梁所承受的相应内力大小。

图3 强横梁体系装配式梁横向计算示意简图

其中的集中竖向弹簧支承刚度和扭转弹簧支承刚度可由下式得出[1]：

式中E、G分别为弹性模量及抗剪模量，l和lT分别为相应主梁的抗弯及抗扭刚度，l为计算跨径。若各块板的截面尺寸不完全相同时，应分别计算不同类型板的kw和kθ值。对于中横隔梁以等刚度矩形截面进行等效模拟，使之成为“拟无横隔板的肋梁桥”。

2.2.2弱横梁体系上部结构

刚(铰)接空心板板梁相对于多横隔板的小箱梁/T梁，由于跨中未设置横隔板，仅通过桥面板(铰缝)联系相邻纵梁，横向联系较弱。

以上海地区为例：W1风作用水平下、C类场地、桥面离地面15m高的20m跨简支刚接空心板梁桥(主梁高0.95m，防撞墙高1.0m，声屏障高3.5m)为例，采用梁格模型分别计算横桥向不同片数空心板梁(5～9片板梁，梁中心间距1.8m)在声屏障风荷载作用下主梁受力的影响(仅表示边板与次边板效应)，部分结果摘录如表3所示。

表3 声屏障风荷载产生的附加内力影响效应表

图4 弱横梁体系横断面变形示意图

由以上梁格法计算分析可见：

(1)由于各纵梁间横向联系较弱，仅离声屏障较近的几片纵梁承担声屏障产生的附加荷载，横向桥宽对其影响范围及大小影响不大；因此对于弱横梁体系桥梁无论桥面宽窄均应注意声屏障产生的附加荷载影响。

(2)与强横梁体系装配式上部结构相反，弱横梁体系桥梁在声屏障荷载作用下产生的附加扭矩及剪力相对于恒载的占比大于附加弯矩的占比，附加扭矩的效应最大，附加剪力次之，附加弯矩基本可忽略。

(3)由于空心板湿接缝(特别是铰接板的铰缝)即使在不设置声屏障的条件下也是容易出现病害，因此在设置声屏障的空心板桥上，声屏障附近的1～2道湿接缝(铰缝)应采取措施加强其受力。

(4)从梁格模型还可发现，由于纵梁间横向联系较弱，声屏障荷载主要通过边板的抗扭和端横梁的抗弯承担，小部分通过横向桥面板传递给相邻其他板。端横梁附加弯矩大小与恒载与活载之和的效应相当，故应加强端横梁的受力核算。

同强横梁体系类似，也可采用弹性约束梁模型来简便分析声屏障荷载作用下空心板的受力，此时对于横向联系桥面板可按板实际厚度建立计算模型，铰接时可通过释放梁端约束模拟。

图5 弱横梁体系装配式梁跨间横向计算示意简图

对于端横梁附加横向弯矩的计算可采用如下平面杆系模型简便模拟：

(1)采用横梁实际截面作为杆系截面。

(2)端横梁每片纵梁实际位置布置弹簧支撑，弹簧刚度按实际橡胶支座刚度取值。

(3)离声屏障较近的边梁及次边梁分别加载集中扭矩M1和M2,其中M1和M2数值由以上跨间横向计算模型支座反力取值。

图6 端横梁计算示意简图

3 声屏障对下部结构的影响

声屏障对下部结构的影响主要体现在横向风荷载效应上，考虑声屏障后一方面增大了风载阻力系数，另一方面增大了迎风面积。

(1)对整体式上部梁下部结构的影响

整体式上部梁的下部结构一般由立柱和基础组成，对于单支座的桥墩，声屏障及上部梁横向风荷载仅在墩顶位置传递其横向剪力；对于固结或多支座桥墩，横向风荷载产生的弯矩亦能传递至桥墩及基础。对于桥宽较窄且墩柱较高的桥梁，声屏障的风荷载可能直接控制了立柱与桩基础的大小与规模。

(2)对装配式上部梁下部结构的影响

装配式上部梁的下部结构一般由盖梁、立柱和基础组成。风荷载对于盖梁的影响较小。

由于盖梁的存在，其风荷载效应类似于整体式上部梁多支座下部桥墩，声屏障及上部梁横向风荷载引桥的横向弯矩亦能传递至墩柱及基础。因此对于高墩窄桥不能忽略声屏障荷载的影响。如上海某工程8m宽装配式小箱梁匝道桥在墩高小于6m且无声屏障时，单墩采用5根Φ800mm桩基，而有声屏障时，桩基增加至6根。

4 结语

通过分析声屏障对桥梁结构的受力机理可知：

(1)核算声屏障荷载下桥梁结构的安全性时荷载的取值及组合应按《桥抗风规》选用。

(2)声屏障对整体式上部结构主梁抗倾覆能力的影响较明显，钢结构主梁>组合梁>混凝土梁，且桥宽越窄影响越大；故在设置声屏障时应采取加大支座横桥向间距或抗拉支座等措施提高抗倾覆能力。

(3)可通过弹性约束梁模型简便计算声屏障荷载作用下装配式上部结构的受力情况。

(4)声屏障对于小箱梁、T梁等横向整体性较好的装配式上部结构主梁的影响较小，且桥梁越宽影响越小，一般情况下设计时仅需考虑其对边板挑臂局部受力的影响；声屏障对于刚(铰)接空心板等横向整体性较弱的装配式上部结构主梁的边梁及边现浇缝有较明显影响，且影响程度与桥宽因素相关度不大，设计时建议重点关注边现浇缝的受力性能，适当加强边板的竖向承载能力及端横隔梁的横向抗弯能力。

(5)声屏障横向风荷载对墩高较高且桥宽较窄的桥梁下部结构影响较大，设计相关下部结构时不可忽略其影响。