高速铁路外敷式半包声屏障单线有砟简支箱梁设计研究

刘 奇

(中铁工程设计咨询集团有限公司桥梁工程设计研究院,北京 100055)

1 概述

声屏障作为工程建设的重要组成部分，是我国高速铁路最常见的噪声防护措施[1-2]，半封闭声屏障相较于传统直立式声屏障具有更优的降噪效果[3]。参考铁路桥梁工程和声屏障的研究，蔡理平[4]等分析了桥上全声屏障在轮轨动荷载作用下的振动；王少林[5]应用车辆-轨道-桥梁动态相互作用原理，利用有限元计算分析半封闭式声屏障的动力响应；李小珍[6]等测试半封闭声屏障不同区域噪声，分析噪声来源并对声屏障减噪效果进行评价；胡喆[7]采用可压缩三维流动模型分析列车脉动力对声屏障影响；姚君芳[8]针对3种既有桥增设声屏障方案进行比选，成果可为同类桥梁增设声屏障工程提供参考；陈海涛[9]针对风区段落设置挡风结构的简支梁进行分析；邓运清[10-11]详细阐述了高速铁路标准简支箱梁设计，系统介绍铁路箱梁设计各项参数指标的选取。

随着社会经济的发展，人们对噪声的认识和关注的增强，在铁路桥梁上因地制宜设置多种形式的声屏障已成为解决噪声问题的重要方式。目前关于桥梁上设置声屏障的研究还不够充分，本文介绍桥梁工程上设置声屏障的类型，并就设计重点进行分析研究。

2 设计重点

外敷式半包声屏障简支箱梁设计重点考虑外敷式半包声屏障较传统直立式声屏障荷载增加、迎风面面积增大的不利影响，从声屏障选型、桥面布置、横向加肋对桥梁影响、抗倾覆设计及支座选型等方面进行适应性设计。

2.1 声屏障选型

直立式声屏障、半封闭声屏障和全封闭声屏障是常见的声屏障结构形式[12]。我国高速铁路广泛使用插板式金属声屏障，其约占声屏障总量90%以上[13]，降噪效果与材料吸隔声性能、声屏障高度相关[14]，且声衍射现象较为严重。一般可通过改变直立式声屏障顶部结构有效增强降噪能力，常见的有Y形、倒L形、T形[15]，具有安装方便、技术成熟、空间占用小的优点。半封闭声屏障适用于线路两侧环境噪声要求不同，一侧是噪声敏感区域而另一侧对噪声要求不高的情况。半封闭声屏障因一侧敞开，可良好地改善通风、采光条件，且测试表明具有良好的降噪效果。杭长高铁金华段部分线路一侧为居民区另一侧为铁路，因此采用了半封闭声屏障[16]。全封闭声屏障可封闭声源，声屏障吸收反射绝大部分声波并避免绕射声，仅有少量声波会透过声屏障，因此降噪效果最为理想[17]。在城市交通干道两侧的高层建筑物密集，容易形成城市“峡谷”效应，直立式声屏障和半封闭声屏障无法有效控制噪声向敏感区域辐射，因此全封闭声屏障在城市轨道交通中有着广泛的应用。

宜昌至郑万高铁联络线宜昌地区配套工程是贯彻落实长江经济带发展战略，构建沿江高速铁路新通道，促进区域经济社会发展的重大工程。因项目部分穿行于宜昌市区，涉及居民区等敏感点，为改善人居环境、提升土地价值，需降低轨道交通对周边环境影响，因此在该段落桥梁上需设置声屏障。

本工程线路北侧紧挨居民区而南侧为城市主干路，结合桥梁所在区域特点以及环境评价意见，为进一步降低列车运营对居民生活影响并消除居民心理障碍，推荐采用半封闭式声屏障。

针对桥梁结构上设置半封闭声屏障，对比混凝土和钢结构两个方案，混凝土方案采用钢筋混凝土框架结构形式，框架柱作用于桥梁翼缘板，一侧砌筑砖墙，内外侧做20 mm砂浆保护层，外墙、柱子和棚顶涂刷真石漆涂料；钢结构方案采用门式刚架的结构形式，工字钢柱子作用于桥梁翼缘板，声屏障外墙和屋面单元板采用金属单元板，金属单元板需进行铬酸钝化或类似防腐预处理。两者优缺点见表1。

表1 半封闭声屏障方案对比

综合考虑两种方案的优缺点，认为钢结构施工速度快，荷载小对桥梁结构更加友好，优势明显，且由于半封闭式声屏障荷载较大，常规简支梁翼缘板无法承受其荷载，选择钢结构可降低声屏障对桥梁结构影响，因此本设计选用钢结构外敷式半包声屏障。

2.2 桥面布置

外敷式半包声屏障简支箱翼缘板外侧设置声屏障钢结构支柱基础，为适应声屏障荷载作用，对声屏障基础进行加强设计，支柱基础尺寸为650 mm×750 mm(顺线路×垂直线路)，声屏障采用弧顶刚架结构，主体结构总高度8.3 m，跨度约为7.02 m，支柱基础顺线路方向间距为4 m。桥面布置见图1、图2。

图1 外敷式半包声屏障桥面布置图(有钢结构支柱)

图2 外敷式半包声屏障桥面布置图(无钢结构支柱)

2.3 横向加肋对简支箱梁影响研究

声屏障基础纵桥向间距4 m，相比其他位置，基础处桥面板荷载较大，影响简支梁横向挠度及受力，可在声屏障基础中心两侧0.75 m(顺桥向)范围内对桥面翼缘板和顶板下部进行局部加厚，具体构造尺寸如图3所示，加厚部分与梁体一同现场浇筑形成整体。

图3 梁体加肋、不加肋跨中截面尺寸(单位：mm)

2.3.1 横向加肋对箱梁横向受力影响研究

为研究支柱基础处横向加肋对受力及配筋的影响，应用midas Civil 2019程序建立声屏障基础处加肋和不加肋平面杆系模型进行对比分析，考虑自重、二期恒载、列车活载、日照温差、寒潮、声屏障荷载、风荷载等，横向挠度计算结果见表2，检算结果见表3。

表2 梁体加肋、不加肋横向挠度计算结果 mm

表3 梁体加肋、不加肋受力检算结果

由表2、表3可知：梁体加肋相比不加肋虽然增加了混凝土的用量，但翼缘板上缘(腹板处)、顶板跨中下缘处配筋减小，且加肋可以增加梁体横向刚度，特别是将顶板跨中挠度大幅减小，有利于列车平稳运营。

2.3.2 横向加肋对箱梁竖向自振频率影响研究

桥梁结构基频对结构体系刚度和列车动力响应有重要影响，即影响结构安全又影响运营舒适性[18]。应用midas Civil 2019建立有限元模型，分析横向加肋和不加肋情况下简支箱梁的竖向自振频率。经计算，不加肋的32 m简支箱梁竖向自振频率为10.14 Hz，加肋的32 m简支箱梁竖向自振频率为9.80 Hz。由于横向加肋导致梁体自重增加，自振频率较不加肋减小，但影响较小，且亦满足规范要求[19]。横向加肋简支梁一阶振形如图4所示。

图4 跨度32 m横向加肋简支箱梁一阶振形

2.3.3 横向加肋对运梁工况影响研究

本箱梁设计采用支架现浇的施工方法，考虑单线运梁车运输通过的运梁工况，运梁车横向荷载如图5所示。对比计算横向加肋和不加肋情况下运梁工况荷载作用下横向应力大小，利用大型通用有限元软件ANSYS进行分析，加肋情况横向应力如图5所示，不加肋情况横向应力如图6所示。

图5 单线运梁车荷载横向布置(单位：m)

图6 加肋运梁工况横向应力云图

由图6、图7可知，横向加肋、不加肋在运梁工况下横向拉应力最大值均出现在顶板底，不加肋情况最大拉应力为1.040 MPa，加肋情况最大拉应力为0.776 MPa，横向加肋可有效降低运梁工况顶板最大拉应力。

图7 不加肋运梁工况横向应力云图

3 抗倾覆验算及支座布置

外敷式半包声屏障最大高度可达8.3 m，风力作用下会产生很大的横向力，因此准确计算风荷载对保证结构的安全性至关重要。依据规范[19]规定计算出风荷载强度为954.9 Pa，计算公式如下

W=K1K2K3W0

(1)

式中K1——桥墩风载体形系数，取值为1.3；

K2——风压高度变化系数，结合工程背景，墩高约在22 m，取值为1.13；

K3——地形、地理条件系数，结合工程背景，工程所在地位临近长江，地势平坦空旷，取值为1.3；

W0——基本风压值，取值为500 Pa。

由于部分桥梁位于线路的小曲线半径上(最小曲线半径400 m)，车辆运行会产生较大横向离心力，因此需要对桥梁进行结构抗倾覆稳定性检算。考虑有车、无车最不利工况下，不同支座间距的梁体自重、二期恒载、声屏障荷载、列车摇摆力、气动力、脱轨力以及风荷载等的稳定力矩和倾覆力矩，并计算抗倾覆稳定系数，计算结果见表4。

表4 不同支座间距抗倾覆稳定系数

由计算结果可知，支座横向间距2.5、2.8 m和3.1 m均可以满足相关规范要求[19]，考虑宜昌地区地理环境复杂，大风天气复杂多变，为保证工程安全，结合工程周边环境，支座间距取为3.1 m，考虑侧向风荷载以及小曲线半径引起离心力的影响，支座承受的水平荷载大幅增加，为满足支座螺栓抗剪需要，增强支座约束以增大抗倾覆稳定系数，选用双固定、双纵向活动支座。既方便现场施工，降低支座安装错误的发生，也可以提高结构的抗震性能[20]。支座平面布置如图8所示。

图8 支座平面布置示意(单位：mm)

4 结论

随着我国高速铁路的飞速发展，高速铁路桥梁上使用大量声屏障，合理选用不同类型的声屏障为今后城市发展规划预留空间至关重要。通过分析宜昌至郑万高铁联络线宜昌地区配套工程所在地实际情况，一侧为密集居民区一侧为城市主干路，对比几种形式的声屏障的优缺点，推荐采用外敷式半包声屏障进行噪声防护。

本文系统分析了横向加肋对单线有砟简支箱梁的影响，横向加肋可以有效降低箱梁顶板配筋量，降低顶板跨中挠度，虽然增加了自重会降低梁体竖向自振频率，但影响较小，满足相关规范要求，且横向加肋可有效降低运梁工况顶板最大拉应力，因此横向加肋对结构受力有明显优化效果。风荷载对结构倾覆有重要影响，对比不同支座间距的抗倾覆稳定系数可知：拉大支座间距可有效提高抗倾覆系数，增强梁体安全性。本工程支间距取为3.1 m，且采用双固定、双纵向活动支座以增大约束，既满足支座抗剪需要，也有利于提高抗倾覆能力。