公路声屏障锚固技术的研究与应用

尹泽政 刘新峰

广东华路交通科技有限公司 广州 510000

摘要：声屏障，主要用于公路、高速公路、高架复合道路和其它噪声源的隔声降噪，是为减轻行车噪声对附近居民的影响而设置在铁路和公路侧旁的墙式构造物。由于城市的发展，既有道路增设声屏障的需求增加，为适应各种不同环境，不同路段下声屏障的建设要求，本文通过对桥梁、路基、挡墙等不同路段下公路声屏障的锚固技术研究，提出有限条件下的声屏障的锚固方案，旨在为声屏障的建设提供方法和思路。

关键词：声屏障；风荷载；锚固技术；基础形式

Research and application of highway sound barrier

anchorage technology

Yin Zezheng Liu Xinfeng

（Guangdong Hualu Transport Technology Co．，Ltd．，Guangzhou 510000）

Abstract: Sound barrier is mainly used for sound insulation and noise reduction of highways, expressways, elevated composite roads and other noise sources. It is a wall structure set beside railways and highways to reduce the impact of driving noise on nearby residents. Due to the development of the city, the demand for additional sound barriers on existing roads increases. In order to meet the construction requirements of sound barriers under different environments and different sections, this paper studies the anchoring technology of highway sound barriers under different sections such as bridges, subgrade and retaining wall, and puts forward the anchoring scheme of sound barriers under limited conditions, in order to provide methods and ideas for the construction of sound barriers.

Key words: Sound barrier; Wind load; Anchorage technology; Basic form;

1 引言

声屏障结构设计荷载包括主要包括结构自重、风荷载、雪荷载、车致脉动荷载及其它荷载；声屏障的设计荷载应根据使用过程中可能同时作用的荷载进行组合，并按最不利条件进行设计。验算基础稳定性时，护栏应同时组合车撞荷载。

本文结合广州白云金沙洲项目增设隔音屏工程对公路声屏障在不同路段锚固技术进行研究。

2 概况

声屏障高2.0m，纵向每2m设置一根立柱，立柱采用HW150×150×7×10mm的H型钢，高度2.0m，立柱间采用微孔吸声板作为隔音屏障，每2延米单元声屏障面积3.92m²，面密度80kg/m²～100kg/m²。基础通过法兰盘锚固在新泽西护栏顶部，法兰盘与护栏顶部采用M20螺栓锚固。声屏障布置如下图所示：

图1 声屏障布置图

2.1 材料参数及设计荷载

2.1.1材料参数

1）根据《钢结构设计标准》（GB50017-2017）表3.2.1，本次验算涉及到的钢材设计强度等材料参数如表2-1所示，混凝土护栏材料为C40混凝土。

表2-1钢材材料特性表

材料类型	抗拉、压、弯强度 设计值fd（MPa）	弹性模量E MPa	剪切强度 设计值fvd	剪切模量G
Q235B	205	2.06×105	120	0.79×105
M20螺栓	400	2.06×105	320	0.79×105

2.1.1设计荷载

1）隔音屏结构自重计算（每2延米）

声屏障主要自重包括版面、H型钢、法兰盘、加劲肋等，本项目隔音屏自重：

G=3.258+0.62+0.3=4.178 kN

2）风荷载（每2延米）

该地区基本风压为0.5kN/m²，地面粗糙度为B类。依据《声屏障结构技术标准》（GBT 51335-2018）5.2.7条作用在声屏障上的水平侧向风荷载：

：风荷载标准值(kN/m²)；

：风压高度变化系数，地面粗糙度为B类，μ_z=1.0；

：风荷载局部体型系数，桥梁用声屏障取1.65，路基取2.0；

：阵风系数， =1.7。

桥梁段：

路基段：

风荷载设计值（取大值）：

护栏风荷载设计值：

3）雪荷载

根据《建筑结构荷载规范》GB 50009附录E表E.5，广州无该项数据统计（广州不下雪），本次计算不计雪荷载。

4）车致脉动荷载（每2延米）

依据《声屏障结构技术标准》（GB/T 51335-2018）5.2.10条规定，作用在声屏障上的车致风压荷载效应宜通过现场实测或计算流体动力学方法确定可按下列公式计算，本项目声屏障距离最近车道距离为5.625m。

车致脉动风荷载设计值：

由于车致脉动风荷载与自然风荷载不同时组合，且 ，因此计算中可不组合车致脉动风荷载。

5）护栏车撞荷载

根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG／T D81-2017），SA级混凝土护栏汽车横向碰撞荷载标准值：

分布长度：

作用点离地面高度：

6）荷载组合

根据《声屏障结构技术标准》（GB/T 51335-2018），构件按承载能力极限状态验算强度和稳定性，荷载组合采用基本组合；构件刚度、地基承载能力及基础抗倾覆稳定性验算采用标准组合。

2.2整体受力情况

本次验算隔音屏及护栏受力简图如下图所示。

图2结构计算简图

声屏障锚固方式可采用独立基础或锚固于新泽西护栏上，独立基础较为常规，适用于场地条件较好或新建公路路侧，在有限条件环境下，特别是在现有公路路侧无空间设置环境条件下适用性较差，锚固于现有新泽西护栏上较为常见。

锚固于现有新泽西护栏上大多采用法兰盘式或鞍式锚固，主要锚固方式均为螺栓或化学螺栓。以本项目隔音屏为例，柱脚连接如下图所示。

图3柱脚受力图

1）风荷载向外时，柱脚在荷载基本组合（1.3恒载+1.5或载）作用下：

竖向力：N=1.3G=1.3×4.178=5.43kN

弯矩（按路基段计算）：M=1.5 =1.5×6.8×1.0=10.2kNm

水平力：F= =10.2kN

根据计算可得：

反力R₁=71.62kN R₂=-66.19kN

化学锚固螺栓处于受拉状态；

1、锚固螺栓钢材受拉承载能力计算：

锚固螺栓钢材受拉承载能力满足要求。

2、锚固螺栓钢材受剪承载能力计算：

锚固螺栓钢材受剪承载能力满足要求。

3、基材混凝土承载能力验算：

基材混凝土抗拉承载能力满足要求。

基材混凝土抗剪承载能力满足要求。

2）风荷载向内时，柱脚在荷载基本组合（1.3恒载+1.5或载）作用下：

竖向力：N=1.3G=1.3×4.178=5.43kN

弯矩（按路基段计算）：M=1.5 =-1.5×6.8×1.0=-10.2kNm

水平力：F= =-10.2kN

根据计算可得：

反力R₁=-64.38kN R₂=69.81kN

1、同上述计算，可知横向对拉螺栓钢材的抗拉、抗剪，基材混凝土的抗拉、抗剪强度均满足规范要求。

2、锚固钢板的计算参考销轴连接耳板抗拉、抗剪强度验算公式：

锚固钢板孔净截面处抗拉强度满足要求。

锚固钢板端部截面处抗拉强度满足要求。

锚固钢板抗剪强度满足要求。

3 基础稳定性

3.1、桥梁段

桥梁段护栏采用φ12mm植筋到桥梁翼缘进行锚固，钢筋植入深度为25cm，桥梁护栏基础锚固方式及受力模式如下图所示。

图4桥梁段锚固受力图示

1）经计算，护栏基座在荷载标准组合（1.0恒载+1.0活载）作用下：

竖向力：N=29.55kN

弯矩：M=309.2kNm

水平力：F=351.9kN

根据《混凝土结构加固设计规范》 GB 50367-2013，直径为φ12mm的HRB400植筋锚固深度设计值：

=261.36mm

其中

由于该方案中钢筋锚固长度为250mm，小于植筋锚固深度设计值，通过反算，折减后钢筋抗拉设计强度：

单根植筋锚固的抗拉承载力设计值：

①基座抗倾覆稳定性

混凝土护栏基座有效宽度b为0.7m，植筋间距为0.1m，每2米范围内植筋根数为3×20根，在弯矩作用下，仅考虑最内侧一列钢筋受拉，根数为20根，抵抗力矩为

Mu=N×b=499.8kNm

抗倾覆稳定系数：

桥梁段护栏基座抗倾覆稳定性满足规范要求。

②基座抗滑移稳定性

基座外侧2列植筋采用斜向植入，用来平衡护栏水平力，植筋与水平面夹角为20°，共计40根，可提供水平拉力为：

Fu=40×35.7×cos20°=1341.9kN

抗滑移稳定系数：

桥梁段护栏基座抗滑移稳定性满足规范要求。

3.2 路基段及挡墙段基础设计

考虑到路基段及挡墙段，护栏在受到车辆撞击荷载作用对基础倾覆的影响目前尚没有较好的理论计算方法，车辆撞击属于偶然荷载，作用时间短，冲击力大，其作用下产生能量转化与静力作用效果相比具有一定差异，目前主要以车撞实验结果为主。《公路交通安全设施设计细则》JTG/D81-2017在大量实验数据结合适当的理论分析，给出了几种不同防撞等级的护栏基础形式，由于隔音屏产生的荷载相对较小，本次设计主要通过对规范提供的护栏基础形式进行适当加强，提高护栏的抗倾覆能力，以满足护栏防撞及安装隔音屏的需要，具体加强形式如下：

1、路基段

根据规范《公路交通安全设施设计细则》JTG/D81-2017的6.2.8章中：桩基方式是在现浇路侧混凝土护栏前先打入钢管桩，钢管桩规格为桩基方式是在现浇路侧混凝土护栏前先打入钢管桩，钢管桩规格为φ140mm×4.5mm，长90~120cm，纵向间距为100cm。钢管桩必须牢固埋人基座中,并与混凝土护栏连成整体。参考波形梁护栏基础形式，SA级波形护栏立柱埋深为1650mm，在现有的基础上，本次采用的结构类型有所加强，钢管桩埋深取1.65m，并在每根钢管桩四周做一个混凝土尺寸为703*600*1450mm的独立基础，每米设置一个，基础断面形式如图所5示。

图5路基段护栏图示

3、挡墙段

根据规范《公路交通安全设施设计细则》JTG/D81-2017第6.2.8条，路侧混凝土护栏的基础可以采用座椅式，并给出了挡土墙段护栏座椅式基础的断面图，本次设计在此基础上进行加强。考虑现有挡土墙帽石梁顶部标高与路面平齐，采用座椅式基础需将帽石梁凿除，凿除过程对挡土墙结构不利。因此本次设计把帽石梁表面拉毛约3-5mm厚，形成新鲜的混凝土工作面，采用钢管桩与植筋的方式连接现挡墙的帽石梁，植筋纵向间距为20cm，与护栏钢筋双面焊接，钢管立柱纵向间距为50cm，并参考波形护栏SA等级的立柱埋深1.65m，采用钻孔直径为160mm的形式埋入钢管桩，且在立柱四周灌入水泥砂浆加强挡土墙的稳定性，本次钢管桩埋深取1.65m，详细图纸如下。

图6挡墙段护栏图示

4 结语

1. 本文对既有公路增设声屏障进行了初步研究，在有限空间及条件受限情况下锚固于新泽西护栏提供了有效的锚固方式，对锚固措施的理论分析，为该类锚固方式的计算提供了思路。

2. 在车撞荷载及风荷载作用下，护栏受力情况较为复杂，护栏基础锚固方式仍主要通过实验方法进行研究，缺乏理论分析依据。本位通过分析，提出了在不同路段条件下，护栏较为可行的锚固方式，为声屏障在受限路段的建设提供了可行的方案。

参考文献

[1] 罗永家．《声屏障历史发展》：北京科技出版社，2014-04-25.

[2] 《声屏障结构技术标准》（GBT 51335-2018）.

[3] 《钢结构设计标准》（GB50017-2017）.

[4] 《建筑荷载设计规范》.GB50009-2012.

[5] 《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）.

[6] 《公路桥梁加固设计规范》（JTG/T J22-2008）

[7] 《公路交通安全设施设计细则》JTG/D81-2017