城市高架路全影型聲屏障的設(shè)計(jì)優(yōu)化與施工

王玎君， 柯 慶， 奚 皓

（1.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所，上海200135；2.上海市路政局，上海200023）

0 引 言

2017年12月29日，嘉閔高架南南延伸段（S32—莘松路）和S32嘉閔立交及收費(fèi)廣場(chǎng)工程順利完工，實(shí)現(xiàn)了S32高速路與嘉閔高架城市快速路的互通，為完善上海西部地區(qū)干線路網(wǎng)、改善區(qū)域交通條件提供了有力保障。該工程采用了諸多新技術(shù)、新工藝、新材料和新設(shè)備。為降低嘉閔高架南南延伸段（S32—莘松路）城市快速路建成通車之后產(chǎn)生的交通噪聲對(duì)周圍聲環(huán)境保護(hù)目標(biāo)的影響，工程設(shè)計(jì)單位從環(huán)保和安全保密的角度對(duì)該段高架道路進(jìn)行全影型聲屏障降噪設(shè)計(jì)，為同類型聲屏障工程的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

1 工程概況和主要技術(shù)參數(shù)

1.1 工程設(shè)計(jì)范圍

嘉閔高架南南延伸段（S32—莘松路）城市快速路主線全影型聲屏障總長(zhǎng)約1 500 m，工程設(shè)計(jì)范圍為高架全影型聲屏障覆蓋區(qū)域（樁號(hào)K0+950～K2+370），包括元江路上匝道全影型聲屏障覆蓋區(qū)域（樁號(hào)YJSK0+031.54～YJSK0+260.13）。高架道路聲屏障平面布置圖見圖1。

圖1 高架道路聲屏障平面布置圖

1.2 主要技術(shù)參數(shù)及說明

1）結(jié)構(gòu)主要設(shè)計(jì)參數(shù)：項(xiàng)目采用的基本風(fēng)壓為0.55 k N/m2；地面粗糙度為B類；按重要性分級(jí)，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理使用年限為50 a；建筑抗震設(shè)防烈度為7度；基本地震加速度值為0.10g。結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為一類。

2）全影型聲屏障主結(jié)構(gòu)（見圖2）為門式鋼架結(jié)構(gòu)，以全鋼結(jié)構(gòu)作為主要支撐受力框架，主線跨度為25～38 m，單元跨距為2.0 m。全影型聲屏障邊側(cè)鋼柱（HW250）和中間鋼柱（HW200）的柱腳均通過高架橋防撞墩預(yù)埋錨栓與下部主體結(jié)構(gòu)連接，鋼梁采用同規(guī)格的型鋼與鋼柱連接，檁條采用HW150型鋼與鋼梁或鋼柱連接。為保證鋼架的縱向穩(wěn)定性，在立柱頂部和中部沿線路縱向設(shè)置縱向系桿和柱間支撐，在對(duì)應(yīng)柱間支撐位置處設(shè)置屋面斜撐。

圖2 全影型聲屏障橫斷面示意

3）根據(jù)敏感點(diǎn)保護(hù)的需要，在全影型聲屏障東側(cè)直立段設(shè)置全金屬吸隔聲屏，在全影型聲屏障西側(cè)直立段設(shè)置亞克力全透明隔聲屏，直立段與頂部連接段和頂部屋面全部采用金屬吸隔聲屏，屏體均通過插裝的方式固定在鋼架結(jié)構(gòu)的HW型鋼翼緣內(nèi)。整個(gè)屏體設(shè)置總面積近5萬m2。

4）出于采光和消防排煙的需要，在全影型聲屏障頂部中間開口處設(shè)計(jì)5 m寬的采光和排煙帶，采用?32鋼管進(jìn)行間隔柵欄布置，有效避免空中意外墜物對(duì)下面車道的行車安全造成影響。

1.3 深化設(shè)計(jì)需考慮的問題

1.3.1 鋼結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)

全影型鋼結(jié)構(gòu)的連接深化設(shè)計(jì)應(yīng)考慮總裝工藝、運(yùn)輸條件、現(xiàn)場(chǎng)吊裝環(huán)境和條件及工期節(jié)點(diǎn)等因素。

由于該項(xiàng)目的鋼結(jié)構(gòu)跨度大（主線跨度25～38 m），受運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)吊裝條件限制，無法在工廠化整體加工之后現(xiàn)場(chǎng)一次性吊裝就位，必須進(jìn)行分段拼裝；同時(shí)，由于現(xiàn)場(chǎng)施工工期較短，交叉施工作業(yè)較多，施工場(chǎng)地有限，現(xiàn)場(chǎng)焊接拼裝不僅工作量大、工效差，而且會(huì)給焊接質(zhì)量、現(xiàn)場(chǎng)防腐和高空作業(yè)安全管控帶來諸多不利因素，進(jìn)而影響項(xiàng)目實(shí)施的進(jìn)度、質(zhì)量和安全控制。

1.3.2 吸隔聲屏的安裝設(shè)計(jì)

全影型吸隔聲屏的安裝應(yīng)考慮現(xiàn)場(chǎng)安裝和養(yǎng)護(hù)維修的便利性。在原設(shè)計(jì)中，直立段全影型聲屏障吸隔聲屏均通過插裝的方式安裝在鋼架或檁條的HW型鋼翼緣內(nèi)，并用角鋼進(jìn)行壓緊固定，安裝完成之后不易進(jìn)行更換維修。在安裝屋面屏體時(shí)，存在難安裝、易漏水和易脫落等問題，給高架道路上車輛的運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患。

1.3.3 吸隔聲屏的設(shè)置和材料設(shè)計(jì)

在設(shè)置全影型吸隔聲屏和設(shè)計(jì)吸隔聲屏的材料時(shí)，應(yīng)考慮保密功能、吸聲功能、采光照明和消防排煙，并盡可能地避免屋面滲漏等問題出現(xiàn)。

在全影型聲屏障東側(cè)直立段采用復(fù)合通孔吸聲面板和鍍鋅隔板組成的空腔吸隔聲結(jié)構(gòu)，以滿足東側(cè)敏感點(diǎn)的環(huán)保降噪和安全保密需求；在西側(cè)直立段采用鋁合金型材圍護(hù)的亞克力全透明隔聲屏，以滿足西側(cè)敏感點(diǎn)的隔聲降噪和高架道路采光通視的需求；在中央分隔帶上采用雙面復(fù)合通孔吸聲面板和鍍鋅中隔板組成的空腔吸隔聲結(jié)構(gòu)，有效降低對(duì)面車道上行駛的車輛帶來的噪聲混響；在直立段與頂部連接段和頂部屋面采用復(fù)合通孔吸聲面板和鍍鋅隔板組成的空腔吸隔聲結(jié)構(gòu)進(jìn)行圍封，該結(jié)構(gòu)形式除了存在上述安裝困難以外，還存在雨滴下落引起的二次噪聲污染。

1.3.4 全影型聲屏障線型設(shè)計(jì)

全影型聲屏障邊側(cè)鋼柱（HW250）和中間鋼柱（HW200）柱腳均與設(shè)置在高架橋防撞墩上的預(yù)埋件栓接，以保證整個(gè)建筑體型與高架道路線性貼合，但因防撞墩內(nèi)設(shè)有大量結(jié)構(gòu)鋼筋，在設(shè)置埋件時(shí)不可避免地存在橫向位置誤差和縱向位置誤差。因此，消除技術(shù)誤差，確保安裝合理和線性美觀是對(duì)全影型聲屏障進(jìn)行二次優(yōu)化設(shè)計(jì)需解決的問題，技術(shù)要求較高。

2 全影型聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 鋼結(jié)構(gòu)制作和組裝形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

安裝鋼結(jié)構(gòu)是全影型聲屏障建造中最重要的一個(gè)步驟。聲屏障鋼柱與鋼梁的連接和檁條與鋼梁的連接均采用焊接的方式，具有連接強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，但因現(xiàn)場(chǎng)焊接節(jié)點(diǎn)太多，工作量較大，現(xiàn)場(chǎng)施工的效率較差，對(duì)控制項(xiàng)目的進(jìn)度十分不利；同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)焊接作業(yè)受施焊環(huán)境、高空作業(yè)安全、道路交叉施工、鋼結(jié)構(gòu)二次防腐和地面成品保護(hù)等因素的影響較大，現(xiàn)場(chǎng)施工的適應(yīng)性、針對(duì)性和可操作性不強(qiáng)。從確?，F(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度、保證產(chǎn)品質(zhì)量和安全環(huán)保的角度考慮，鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)施工宜采用工廠化預(yù)制、主鋼結(jié)構(gòu)分段拼裝和現(xiàn)場(chǎng)栓接替代焊接的方案。

1）工廠化預(yù)制可保證鋼結(jié)構(gòu)的焊接質(zhì)量：將鋼結(jié)構(gòu)焊件轉(zhuǎn)移到工廠定點(diǎn)制作，焊機(jī)和夾具的定位充分、穩(wěn)固，焊接工藝穩(wěn)定，施焊環(huán)境好，焊接質(zhì)量可控。焊縫質(zhì)量由工廠質(zhì)檢部門監(jiān)督控制；焊接質(zhì)量按生產(chǎn)職責(zé)分配，全過程精細(xì)化把控，使質(zhì)量的可追溯性得到有效保證。圖3為工廠化預(yù)制構(gòu)件。

圖3 工廠化預(yù)制構(gòu)件

2）主鋼結(jié)構(gòu)分段和拼接點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)：全影型聲屏障門式鋼架的現(xiàn)場(chǎng)拼裝位置應(yīng)根據(jù)總裝工藝、運(yùn)輸條件及現(xiàn)場(chǎng)吊裝環(huán)境和條件確定，且應(yīng)避開應(yīng)力集中點(diǎn)最大位置；根據(jù)類似全影型聲屏障施工優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合工程實(shí)際，主鋼結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)拼裝位置應(yīng)設(shè)置在直立段與圓弧段交接處下方的350 mm處、中間鋼柱與鋼梁拼接處和直段鋼梁長(zhǎng)度≤12 m處（見圖4）。

圖4 主鋼結(jié)構(gòu)拼接點(diǎn)優(yōu)化選擇

3）主鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼裝方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)：從確?，F(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度和滿足安裝工藝要求的角度考慮，主鋼結(jié)構(gòu)現(xiàn)場(chǎng)拼裝采用高強(qiáng)度螺栓連接代替焊接（見圖5），可大大提高現(xiàn)場(chǎng)施工的效率，縮短施工工期；同時(shí)，可確保鋼結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，避免因現(xiàn)場(chǎng)焊接質(zhì)量不合格或現(xiàn)場(chǎng)防腐處理不到位而產(chǎn)生質(zhì)量缺陷。

圖5 主鋼結(jié)構(gòu)拼接方式優(yōu)化替代

4）檁條與主鋼結(jié)構(gòu)的連接方式優(yōu)化設(shè)計(jì)：檁條一般在鋼結(jié)構(gòu)安裝完畢之后安裝，若采用焊縫連接檁條與主鋼結(jié)構(gòu)，則因主結(jié)構(gòu)已存在自重應(yīng)力，高溫會(huì)使受力的桿件產(chǎn)生局部急速變形而影響穩(wěn)定；在鋼結(jié)構(gòu)就位之后，檁條不宜在主鋼結(jié)構(gòu)上施焊連接，且現(xiàn)場(chǎng)大量的檁條焊接會(huì)使施工效率下降、焊接和二次防腐質(zhì)量控制的難度增大。因此，從保證結(jié)構(gòu)安全、提高施工效率和控制質(zhì)量的角度考慮，提出將檁條與主鋼結(jié)構(gòu)的連接方式優(yōu)化為螺栓連接。經(jīng)計(jì)算，采用M12、8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓連接，節(jié)點(diǎn)的連接強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)不變，但現(xiàn)場(chǎng)施工的效率提高1倍以上。

2.2 屋面吸聲材料和結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

全影型聲屏障屋面結(jié)構(gòu)原設(shè)計(jì)（見圖6a））是將單元金屬吸隔聲屏嵌裝在HW150屋面檁條內(nèi)，屏體材料主要是復(fù)合通孔吸聲面板和鍍鋅隔板組成的空腔吸隔聲結(jié)構(gòu)，安裝在屋面頂部會(huì)因雨滴下落而導(dǎo)致二次噪聲污染。塊狀嵌入式安裝設(shè)計(jì)因頂部HW150型鋼檁條翼緣凹槽間距較小，屏體正面插裝進(jìn)入的空間較小，很難安裝，存在大量低效率狀態(tài)，若通過縮小屏體尺寸勉強(qiáng)嵌入安裝，則與翼緣板的搭接量會(huì)很小，受溫度、振動(dòng)等因素影響，很容易滑移出型鋼翼緣；同時(shí)，塊狀屏體與四周型鋼翼緣邊組成的結(jié)構(gòu)形式存在大量的搭接縫，一旦下雨，極易滲漏，給高架道路上車輛的運(yùn)營(yíng)帶來安全隱患。

針對(duì)工程施工過程中和運(yùn)營(yíng)之后存在的問題與不足，從提高施工效率、優(yōu)化材料組成和結(jié)構(gòu)功能的角度出發(fā)，將屋面頂部的塊狀屏體優(yōu)化為整體式金屬屋面結(jié)構(gòu)（見圖6b））。金屬屋面吸隔聲材料自內(nèi)向外由穿孔鋁合金板、防水透氣層、玻璃吸聲面、防護(hù)層和壓型鋼板等組成，材料的優(yōu)化組合既能有效提高屋面的吸聲系數(shù)和吸聲功效，又可防止雨滴帶來的二次噪聲污染。整個(gè)金屬屋面采用整體式滿鋪設(shè)計(jì)，各層材料從鋼結(jié)構(gòu)的最頂層開始分層鋪設(shè)，無任何阻擋，能有效解決上述施工難題，提施工效率，保證屋面施工質(zhì)量。

圖6 檁條與主鋼結(jié)構(gòu)連接的替代優(yōu)化

2.3 屏體結(jié)構(gòu)的安全設(shè)計(jì)

2.3.1 屋面結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)揭安全設(shè)計(jì)

2.3.1.1 風(fēng)揭破壞的危害分析

可靠的安全連接技術(shù)是保證聲屏障屋面穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，根據(jù)以往的實(shí)例，四周邊緣區(qū)域是抗風(fēng)薄弱區(qū)域，強(qiáng)風(fēng)容易在某薄弱處將屋面板掀起，然后擴(kuò)大損壞，造成卷翻、吹飛等情況。因此，須對(duì)不同風(fēng)向下聲屏障屋面各部位的風(fēng)壓進(jìn)行分析，找出風(fēng)壓的最大值、最小值和分布區(qū)域，合理選擇壓型板的板型、板厚和檁條間距，并在金屬屋面抗風(fēng)揭能力最弱處進(jìn)行強(qiáng)化加固設(shè)計(jì)，從而提高屋面的抗風(fēng)揭能力。

2.3.1.2 選擇抗風(fēng)支架和防松螺栓固定

對(duì)壓型鋁屋面板的抗風(fēng)揭性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，對(duì)于相同板型、相同板厚和相同檁條間距的壓型鋼板而言，加設(shè)抗風(fēng)支架會(huì)對(duì)抗風(fēng)等級(jí)產(chǎn)生顯著的影響。若板型采用65/400，板厚為1 mm，檁條間距為1 500 mm，則在設(shè)置抗風(fēng)支架之后，抗風(fēng)等級(jí)將從2.9提高到4.3；若板型采用65/400，板厚為1 mm，檁條間距為1 000 mm，則在設(shè)置抗風(fēng)支架之后，抗風(fēng)等級(jí)將從3.6提高到6.1。由此可見，設(shè)置抗風(fēng)支架能顯著提高整體結(jié)構(gòu)的安全抗風(fēng)性能。考慮到屋面吸聲屏體連接固定強(qiáng)度等因素，須在最不利處采用不銹鋼材質(zhì)的防松螺栓加固，避免最薄弱處被風(fēng)揭。圖7為抗風(fēng)薄弱區(qū)域節(jié)點(diǎn)示意。由圖7可知，通過Z型檁條的連接加固，頂面不銹鋼防松螺栓壓緊固定隔聲防水層端頭既能起到隔聲防噪的作用，又可提高風(fēng)荷載薄弱區(qū)域抗風(fēng)支架整體結(jié)構(gòu)的受力能力。底面不銹鋼防松螺栓將受力傳遞到下面的C型檁條體系中，通過優(yōu)化節(jié)點(diǎn)使抗風(fēng)體系的設(shè)計(jì)更加合理，既兼顧后期維護(hù)的安全性，又在細(xì)節(jié)上兼顧每個(gè)可能的漏聲點(diǎn)，滿足聲屏障隔聲降噪的本質(zhì)需求。

圖7 抗風(fēng)薄弱區(qū)域節(jié)點(diǎn)示意

2.3.2 側(cè)面屏體結(jié)構(gòu)安全優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，高架快速路運(yùn)行之后的路面振動(dòng)和溫度變化可能會(huì)迫使屏體的位置發(fā)生變動(dòng)，因此提出在聲屏障鋼立柱中間預(yù)留鋼絲繩孔，設(shè)計(jì)不銹鋼鋼絲繩自下而上貫穿于屏體外側(cè)面，與鋼立柱預(yù)留孔串聯(lián)為一體，端部設(shè)置專用的夾頭固定牢靠，確保屏體不會(huì)沿鋼立柱內(nèi)側(cè)滑落，使安全性能得到進(jìn)一步保證。

此外，在屏體定位方向焊接止退鋼板，簡(jiǎn)化施工定位工序，能有效提高施工的安全性，限制屏體安裝偏差，從而提高施工的精準(zhǔn)度。該優(yōu)化設(shè)計(jì)可預(yù)先控制兩側(cè)屏體的搭接量，防止屏體兩側(cè)端面出現(xiàn)偏移脫落的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，能有效提高隔聲屏兩側(cè)與H型鋼翼緣貼合的緊密性，防止漏聲。圖8為側(cè)面屏體安全設(shè)計(jì)圖。

3 計(jì)算機(jī)建模對(duì)施工的技術(shù)指導(dǎo)

全影型聲屏障的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于保證整個(gè)建筑體型與高架道路線形緊密貼合且平滑順暢，因此借助計(jì)算機(jī)建模輔助技術(shù)（見圖9）具有重要意義。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)首先將從現(xiàn)場(chǎng)獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地顯示在預(yù)覽結(jié)果中，然后通過修改聲屏障立柱預(yù)埋件縱橫向坐標(biāo)來避免與防撞墻鋼筋碰撞，達(dá)到一次性安裝成功的目的。需注意，在三維建模過程中，為達(dá)到美化視覺感受的目的，應(yīng)從不同角度進(jìn)行平衡和考量，包括生產(chǎn)、運(yùn)輸、安裝和后期維護(hù)保養(yǎng)等，盡可能地按標(biāo)準(zhǔn)尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行調(diào)配，實(shí)現(xiàn)施工計(jì)劃的有序統(tǒng)一，減少非標(biāo)聲屏障構(gòu)件的生產(chǎn)和安裝工程量，提高施工效率，控制項(xiàng)目總體成本。

圖8 側(cè)面屏體安全設(shè)計(jì)圖

圖9 計(jì)算機(jī)建模輔助技術(shù)

4 全影型聲屏障施工實(shí)踐效果

全影型聲屏障俯視圖見圖10，具有以下施工實(shí)踐效果：

1）聲屏障鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)從焊接到螺栓連接的轉(zhuǎn)變可大幅減少現(xiàn)場(chǎng)特殊工種的焊接作業(yè)量；工廠化預(yù)制的鋼構(gòu)件配合高強(qiáng)度的螺栓連接，可在保證構(gòu)件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)不變的前提下，使現(xiàn)場(chǎng)安裝效率提高1倍，生產(chǎn)環(huán)境良好。

2）屋面屏體采用分層滿鋪設(shè)計(jì)，在極大地提高施工效率的同時(shí)，徹底消除塊狀屏體帶來的熱脹冷縮、漏聲、滲水和后期維護(hù)保養(yǎng)工作繁瑣等問題，使屋面的整體線型整齊、美觀。

3）抗風(fēng)揭的安全優(yōu)化設(shè)計(jì)使屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性和實(shí)際使用效果更好，維護(hù)成本降低。

4）建模能直觀預(yù)覽測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)聲屏障預(yù)埋件數(shù)據(jù)之后得到的鋼結(jié)構(gòu)三維圖視效果和線形誤差量，經(jīng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)修正，可有效消除這些誤差，確保建筑線形平滑順暢，并以此指導(dǎo)鋼結(jié)構(gòu)的工廠化制作和現(xiàn)場(chǎng)安裝，在提高精準(zhǔn)度的同時(shí)，大大節(jié)省人力成本和物力成本，獲得很好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖10 全影型聲屏障俯視圖

5 結(jié) 語

以高架道路全影型聲屏障為研究對(duì)象，結(jié)合降噪目標(biāo)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，通過在施工階段進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并輔以計(jì)算機(jī)軟件建模，系統(tǒng)地解決了聲學(xué)降噪、結(jié)構(gòu)形式及安全、建筑線性、施工效率、施工安全和環(huán)保等方面的諸多問題，有效提高了現(xiàn)場(chǎng)施工效率，縮短了工期，項(xiàng)目實(shí)體安全可靠，降噪效果顯著。