道路聲屏障基礎(chǔ)連接形式受力分析及優(yōu)化建議

陶曉光

（上海申華聲學(xué)裝備有限公司，上海市200070）

道路聲屏障基礎(chǔ)連接形式受力分析及優(yōu)化建議

陶曉光

（上海申華聲學(xué)裝備有限公司，上海市200070）

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通噪聲對(duì)城市道路兩側(cè)的居民影響越為嚴(yán)重，越來(lái)越多的聲屏障設(shè)置在城市高架橋、快速路上，基礎(chǔ)連接形式多樣化。通過(guò)對(duì)各種基礎(chǔ)連接部位的有限元模擬計(jì)算，分析各類(lèi)結(jié)構(gòu)的安全性，據(jù)此提出了相應(yīng)的優(yōu)化建議。

電力電纜隧道；線路設(shè)計(jì)；縱斷設(shè)計(jì)；工作井

0　前言

伴隨著城市建設(shè)的快速發(fā)展，交通噪聲成為了城市環(huán)境中不可忽視的一個(gè)環(huán)節(jié)，聲屏障是控制交通噪聲的一種有效方式。越來(lái)越多的聲屏障設(shè)置在城市高架橋、快速路上，結(jié)構(gòu)形式多樣，基礎(chǔ)形式多樣化，通常分為有預(yù)埋和無(wú)預(yù)埋式。最為常見(jiàn)的是有預(yù)埋，它是指有預(yù)埋地腳螺栓，聲屏障鋼結(jié)構(gòu)與地腳螺栓螺母緊固連接；無(wú)預(yù)埋式主要分為植筋連接與騎馬樁對(duì)穿螺桿（栓）連接。多樣化的形式并沒(méi)有進(jìn)行過(guò)結(jié)構(gòu)安全性以及整體性的分析。

1　聲屏障荷載分析

聲屏障所承受的主要荷載有：（1）自重荷載：它包含鋼立柱及其他鋼結(jié)構(gòu)、聲屏障單元板及零配件的重力荷載；（2）風(fēng)壓荷載：水平風(fēng)荷載，汽車(chē)、列車(chē)經(jīng)過(guò)時(shí)引起的脈動(dòng)力風(fēng)壓疲勞荷載，通常不予以考慮疲勞荷載。

聲屏障主要由鋼立柱、預(yù)先加工好的吸隔聲單元板，由于主要分析的是柱下結(jié)構(gòu)的安全性，因此不考慮聲屏障單元板自身的參數(shù)屬性，而是把荷載加載到鋼立柱上來(lái)進(jìn)行計(jì)算。簡(jiǎn)化模型見(jiàn)圖1。

圖1　聲屏障框架計(jì)算單元圖

除了自重荷載對(duì)基礎(chǔ)會(huì)造成壓力影響外，風(fēng)荷載是影響聲屏障結(jié)構(gòu)安全的重要因素，水平風(fēng)荷載作用在上圖的陰影面積上，受力形式類(lèi)似于樓面板，荷載傳遞至鋼立柱上，通過(guò)立柱與基礎(chǔ)的連接轉(zhuǎn)移到防撞墻基礎(chǔ)或者路面基礎(chǔ)。

立柱承受均布的橫向風(fēng)荷載，從圖2可知，結(jié)構(gòu)計(jì)算模型為懸臂梁模型，最不利的截面是在鋼立柱與基礎(chǔ)的連接截面。

圖2　受力分析圖

通過(guò)理論計(jì)算可得：

式中：q——立柱承受的橫向風(fēng)荷載；

w——基本風(fēng)壓，通過(guò)查詢(xún)基本風(fēng)壓表及相關(guān)系數(shù)可得；

b1、b2——陰影部分的截面面積，分別為相鄰兩跨立柱間距的一半。

式中：G1——鋼立柱自重荷載；

G2——聲屏障單元板自重荷載。

需要注意，當(dāng)聲屏障單元板均布受壓在基礎(chǔ)面上時(shí)，G2僅計(jì)算鋼底板上受壓面的荷載；當(dāng)聲屏障單元板通過(guò)墊高等形式兩端簡(jiǎn)支，中部漏空的固定在立柱上時(shí)，G2取一榀框架下聲屏障單元板自重，本模擬考慮最不利荷載情況下，取G2為一榀框架單元板自重計(jì)算。

2　聲屏障基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)置

通過(guò)有限元模擬軟件ANSYS對(duì)聲屏障整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，模擬有預(yù)埋、無(wú)預(yù)埋植筋、無(wú)預(yù)埋騎馬樁式三種工況下一榀框架的整體受力分布情況。

鋼立柱、預(yù)埋螺桿、對(duì)穿螺桿采用采用S0LID185實(shí)體單元，彈性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.3；防撞墻采用S0LID65單元，彈性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.25，通過(guò)對(duì)S0LID65單元實(shí)常數(shù)設(shè)置鋼筋的三向配比模擬鋼筋混凝土，其中混凝土裂縫張開(kāi)的剪力傳遞系數(shù)為0.5，裂縫閉合的剪力傳遞系數(shù)為0.9，混凝土采用C30混凝土，則抗拉強(qiáng)度為1.43 MPa，由于不考慮混凝土抗壓破壞，取單軸抗壓強(qiáng)度為-1；鋼筋的彈性模量E=2×105MPa，泊松比λ=0.3。

模擬采用等尺寸比例進(jìn)行分析，各尺寸如下：

鋼底板-300mm×220mm×20mm；預(yù)埋鋼板-300mm×220mm×10mm；H=125mm×125mm，高2 500mm，Q235B；騎馬樁底板：（740mm×300mm）×20mm。

兩側(cè)混凝土寬度：考慮混凝土局部承壓，按2倍的承壓面積放大，一邊設(shè)置300mm。防撞墻高度：1 000mm。

荷載參照《09MR603 城市道路聲屏障》，具體如下：

聲屏障整體自重G：2.2 kN；聲屏障風(fēng)壓荷載Fw=qH：8.13 kN。

三種工況下的模擬圖見(jiàn)圖3～圖5。

圖3　有預(yù)埋式

圖4　無(wú)預(yù)埋植筋式

圖5　騎馬樁式

3　聲屏障模擬分析

3.1鋼立柱頂端位移對(duì)比

通過(guò)對(duì)鋼立柱變形量的比較可知，有預(yù)埋式鋼立柱的頂端最大位移為12.392 2mm，無(wú)預(yù)埋植筋式為13.427 9mm，騎馬樁式12.558 9mm，根據(jù)《09MR603 城市道路聲屏障》要求，聲屏障立柱頂端位移小于L/200=12.6mm，設(shè)置騎馬樁會(huì)略微增大頂端位移，但處于規(guī)范要求之內(nèi)，而無(wú)預(yù)埋植筋式下鋼立柱位移則超過(guò)規(guī)范要求，局部不滿(mǎn)足安全性要求，見(jiàn)圖6～圖8。

圖6　有預(yù)埋式（柱變形）

圖7　無(wú)預(yù)埋植筋式（柱變形）

圖8 騎馬樁式（柱變形）

3.2鋼立柱柱腳應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)對(duì)鋼立柱柱腳應(yīng)力的比較可知，柱腳H鋼與底板連接邊緣處均出現(xiàn)應(yīng)力集中，不能按此值分析柱腳應(yīng)力，應(yīng)考慮周邊節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力分布。從圖9～圖11可知，有預(yù)埋式鋼立柱柱腳應(yīng)力最小，為69～83 MPa；騎馬樁式次之，為81～94 MPa；無(wú)預(yù)埋植筋式最大，為82～102 MPa；聲屏障鋼立柱通常選用Q235B，σ＜235 MPa，故在三種工況下柱腳應(yīng)力均在安全范圍內(nèi)。

圖9　有預(yù)埋式（柱腳應(yīng)力）

圖10　無(wú)預(yù)埋植筋式（柱腳應(yīng)力）

圖11　騎馬樁式（柱腳應(yīng)力）

3.3柱下混凝土應(yīng)力對(duì)比

通過(guò)對(duì)三種工況下混凝土抗壓強(qiáng)度的比較可知，有預(yù)埋式與無(wú)預(yù)埋植筋式柱下混凝土均處于安全位置，但無(wú)預(yù)埋植筋式柱下混凝土荷載更大，最大壓應(yīng)力為11.4 MPa，且最大位置應(yīng)力較集中，容易出現(xiàn)局部破壞，有預(yù)埋式柱下混凝土最大壓應(yīng)力5.78 MPa，應(yīng)力分布較均勻；而騎馬樁式柱下混凝土整體處于受拉狀態(tài)，僅在騎馬板底板邊緣部分受壓，見(jiàn)圖12～圖14。

圖12　有預(yù)埋式（混凝土抗壓）

圖13　無(wú)預(yù)埋植筋式（混凝土抗壓）

圖14　騎馬樁式（混凝土抗壓）

從圖15可知，騎馬樁式柱下混凝土抗拉大部分處在范圍之內(nèi)，騎馬板內(nèi)側(cè)與混凝土連接部位部分區(qū)域出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。

3.4混凝土開(kāi)裂對(duì)比

通過(guò)對(duì)三種工況下混凝土裂縫的比較可知（見(jiàn)圖16～圖18），騎馬樁式裂縫最小，因騎馬樁和混凝土三向約束受力；有預(yù)埋式下混凝土裂縫次之，無(wú)預(yù)埋植筋式下混凝土裂縫最大，且范圍最大，從混凝土應(yīng)力分布中看，抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)小于C30混凝土強(qiáng)度范圍之內(nèi)，因此均處于安全范圍。

圖15　騎馬樁式（柱下混凝土抗拉分析）

圖16　有預(yù)埋式

圖17　無(wú)預(yù)埋植筋式

圖18　騎馬樁式

4　結(jié)論及建議

通過(guò)以上對(duì)比分析，有預(yù)埋式聲屏障各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足相應(yīng)的荷載規(guī)范要求；無(wú)預(yù)埋植筋式下，鋼立柱柱腳應(yīng)力偏大，鋼立柱頂端位移超標(biāo)，柱下混凝土裂縫區(qū)域大，壓力大且集中，當(dāng)鋼立柱加高或處于臺(tái)風(fēng)地區(qū)時(shí)非常的不安全，部分無(wú)法預(yù)埋位置局部可以設(shè)置植筋，但不適宜通長(zhǎng)或整段的設(shè)置，否則安全無(wú)法保證；騎馬樁式聲屏障各項(xiàng)參數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求，鋼立柱柱腳應(yīng)力略有增大，柱下混凝土整體處于抗拉狀態(tài)，大部分區(qū)域滿(mǎn)足抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，部分位置出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要進(jìn)一步分析。

三種工況下柱下混凝土應(yīng)力均有應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議在有預(yù)埋的情況下，加強(qiáng)預(yù)埋件下部鋼筋，增設(shè)一定量箍筋，可有效降低混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象。同時(shí)本文并未考慮混凝土的非線性以以及鋼筋的真實(shí)分布，因此在局部模擬上導(dǎo)致部分位置出現(xiàn)混凝土應(yīng)力集中現(xiàn)象，建議在后期分析中加入混凝土非線性參數(shù)，充分考慮鋼筋的作用，采用分離式模型，利用LINK8或PIPE16單元模擬鋼筋，將會(huì)得到更為有效的結(jié)果。

TU112.59+4

B

1009-7716（2015）01-0171-04

2014-11-11

陶曉光（1981-），男，浙江金華人，工程師，從事道路聲屏障工程設(shè)計(jì)及施工工作。