声屏障设计中的结构验算

文章编号: 1006- 1355( 2007) 03- 0097- 03 声屏障设计中的结构验算 李 艳 (西南交通大学 环境科学与工程学院, 成都 610031) 摘 要:随着道路建设的发展, 交通噪声的污染越来越严重。声屏障作为一种降低交通噪声有效而经济的方 法, 将会在一定程度上得到发展。声屏障耐久性问题是一个综合复杂的问题, 它受到结构设计、结构施工等各方面 的影响。 关键词:声学; 交通噪声; 声屏障; 结构设计; 耐久性 中图分类号: TU112. 59+ 4 文献标识码: A Structur e Check ing Computa tion s of Sound Barr ier Design LI Yan ( School ofEnvironmental Sc ience and Engineering Southwest JiaotongUn iversity, Chengdu 610031, Ch ina) Ab stra ct:W ith the deve lopment of road construction, the traffic noise pollut ion becomes very impor2 tant problem . Sound barrier, an effect ive and comparative ly inexpensive m easure of controlling noise, w ill be developed to som e degree. The sound barrier durab ility is a very complicated problem. It is influ2 enced by structure design, concrete construct ion and so on. K ey words: acoustics; traffic noise; sound barrier; structure design; durab ility 收稿日期: 2006207222 作者简介:李艳 ( 1980- ), 女,四川资阳人,在读研究生, 研究方向: 噪声控制。 随着我国国民经济和社会生产的迅速发展,交 通规模日益扩大,机动车辆日益增加, 城市轻轨,城 际客运专线的兴建, 导致交通噪声污染日趋严重。 噪声已经与水污染、垃圾污染、空气污染并列成为现 代环境的四大公害。噪声不仅使人烦恼、注意力不 集中、降低工作效率, 而且难以彻底消除。 1 声屏障的降噪机理 目前在我国环境污染投诉中噪声污染占 1 /2。 长期以来,人们一直在采取各种措施降低交通噪声, 使它达到可以忍受的程度。声屏障是设于噪声源和 受保护区 (敏感点 )之间的声学障板, 是敞开空间作 业场所控制局部环境噪声污染的重要措施之一,其 作用是阻挡从声源至受声点的直达声, 使绕射声尽 量少, 使欲保护的建筑、环境场所处于声阴影区内。 当噪声源发出的声波遇到声屏障时, 它将沿着 三条路径传播 (如图 1所示 )一部分越过声屏障顶 端绕射到达受声点;一部分穿透声屏障到达受声点; 一部分在声屏障壁面上产生反射。声屏障的插入损 失主要取决于声源发出的声波沿这三条路径传播的 声能分配。根据能量守恒 E 0 = E r + E A + E S ( 1) E0 ) 单位时间内入射到构件上的总声能。 E r) 反射的声能。 E A) 构件吸收的声能。 E S) 透过构件的声能。 直达声与绕射声的声级之差,称为绕射声衰减, 它是决定声屏障插入损失的主要物理量。 图 1 声波传播路径 2 声屏障的受力分析 我国在很多公路、铁路、城市立交桥上设置了声 屏障,但是几年之后, 往往受到各种作用的破坏, 不 但影响了道路两旁的美观, 而且严重影响了声屏障 的降噪效果,其主要原因是没有对声屏障进行完善 的结构设计。一般情况下, 声屏障的结构设计由两 部分组成,其一是声屏障承重结构的设计和计算,主 要针对声屏障结构的强度和刚度。其二是声屏障结 构应该满足构造要求。 作用在声屏障上的主要荷载: ( 1)由材料自重产 生的竖直向下的永久荷载,是由声屏障使用材料的实 际重量所决定。 ( 2)作用在声屏障的水平风荷载。 97声屏障设计中的结构验算 可以参照5建筑结构#设计# 6取值, 也可根据某一 地区 100年一遇的最大风速来计算。风速和风压的 关系 w0 = v2 16 ( 2) v) 风速 w0 ) 基本风压 作用在声屏障上的风压为 w = k1k2k3k4w0 ( 3) k1 ) 结构物常数,高速公路及一、二级公路及大 中型桥取 1,其他取 0. 85; k2 ) 风振系数, 取值 1. 3; k3 ) 风压高度变化系数, (见 1); k4 ) 地形特征系数, (见表 2); 表 1 风压高度系数 高度 m 20 30 40 50 60 70 80 90 100 k3 1 1. 13 1. 22 1. 3 1. 37 1. 42 1. 47 1. 52 1. 66 表 2 地理地形系数 地形特征 一般地区 山间盆地谷地 山口峡谷地 避风点市区 沿海海面及海岛 k4 1 0. 75- 0. 85 1. 2- 1. 4 0. 8 1. 3- 1. 5 3 声屏障单体构件的强度验算 声屏障一般都是预先制成一定体量的单体,然 后现场拼装,这样就应保证声屏障在运输、安装过程 中有一定的强度、刚度。这方面应该引起足够的重 视,因为声屏障单体在运输、安装过程中受力和使用 过程中的受力不同。在安装就位后的单体强度与刚 度主要是由水平风压作用下的绕曲强度与变形量, 它与立柱的间距有关。在运输、安装时的强度与刚 度,主要是构建自重作用下的弯曲与变形。另外,在 运输过程中的支撑点位置及吊装时的吊点位置都应 严格要求,以减少声屏障在运输、安装过程中产生的 变形, 甚至破坏。 3. 1 承重结构验算 声屏障的结构大致由以下几部分组成:立柱;障 板与立柱的连接;柱与基础的连接 (高架桥道路基 础往往是结构物本身 ) 高架桥 );基础本身, 基础在 地面上又有浅基础与桩基础等的类别。 计算单元的选取:取某一有代表性的立柱的左 右相邻立柱的间距的一半为计算单元, 如图 2所示 的阴影部分。 图 2 计算单元 声屏障所受的风荷载是影响声屏障稳定性的重 要因素,其在声屏障上的传力路径:作用在声屏障上 的水平风荷载 y立柱y 基础 y地基。 ( 1)强度验算 ¹ 立柱水平均布风荷载, 该荷载主要是由障板 传递来的。 q = w @( b1 @b2 ) ( 4) q) 立柱承受的水平均布荷载; w) 风压,由公式 ( 3)计算得出; b1、b2 ) 分别为与该立柱左右相邻立柱间距的 一半; º 立柱承受的竖向荷载 N = G1 + G2 ( 5) G1) 立柱自重 G2) 计算单元内障板的自重 立柱将全部承受由声屏障横向风压产的风荷 载。立柱通常情况下,构成一个单悬壁梁的计算形 式, 因此立柱最危险截面是立柱与基础的连接截面。 » 验算 立柱承受水平荷载产生的弯矩M、立柱自重产 生的垂直压力 N、剪力 V。如图 3所示。 图 3 受力分析 该截面承受压力:N 弯矩 M = 1 2 qH 2 = 1 2 [w ( b1 + b2 ) ]H 2 ( 6) 剪力 v = qH = [w( b1 + b2 ) ]H ( 7) 如果采用允许应力设计方法, 根据第三强度理 论 (由于声屏障立柱一般采用型钢,属于塑性材料 ) 2007年 6月 噪 声 与 振 动 控 制 第 3期 R 2 + 4S 2 [ [R] ( 8) R) 立柱控制截面最大应力 R = MyI + N A I) 立柱控制截面处的截面惯性矩; y) 立柱控制截面外侧到中性轴的距离; A) 立柱控制截面面积; S) 立柱控制截面处的剪应力 R = v A ; [R] ) 立柱的允许应力。 2. 刚度验算 声屏障立柱顶端的位移量应小于 1 /3 000,这与 立柱的断面刚度有直接关系。根据 5材料力学6或 5结构力学6可知承受均布荷载的悬臂梁, 根据图乘 法,立柱顶端的位移量为 $ = 1E I @ 1 3H @ 1 2 qH 2 @ 34H = 1 8E IqH 4 ( 9) E ) 立柱材料的弹性模量; I) 立柱的控制界面的惯性矩; 一般声屏障其立柱顶端的位移量应满足 $ H [ l 300 (10) 如不能满足要求,应该增加立柱截面尺寸,减少 立柱间距等,以适应断面受力的需要。 4 立柱和基础连接验算 声屏障建在高架桥上时,其基础多是防撞护栏。 当新修建筑物时,往往采用预埋法兰盘的形式将基 础与立柱连接。而当旧的结构时, 往往借助栏杆板 外侧以扣件固定立柱。对于以法兰盘连接时, 那么 预埋部分应计算预埋部件有足够的锚固长度, 确保 声屏障承受水平荷载后,立柱具有足够抗拉、抗剪能 力。 声屏障立柱和基础连接多采用地脚螺栓连接, 地脚螺栓按同时受拉、受剪计算 Nv Nbv 2 + N t N bt 2 [ 1 ( 11) N bv、N bt ) 一个螺栓的螺杆所承受的抗剪和抗拉 承载力设计值; N v、N t ) 一个螺栓所承受的剪力和拉力设计值; N v = v n n) 螺栓个数; N t = N n + My1 E y2i yi ) 第 i号螺栓到旋转轴的距离。 当承重结构验算完毕以后,只是保证了构件的 强度与稳定,并不代表施工安装上的完美性,如声屏 障的板与板之间,立柱与板之间密实连接问题,只有 通过结构断面的合理组合,才能避免造成漏声,影响 声屏障的隔声性能。 5 结语 随着高速公路的大量增加以及高速铁路的修 建, 声屏障被广泛使用, 声屏障结构验算是保证声屏 障安全性能的必要条件, 是提高声屏障耐久性能的 重要途径,是声屏障结构设计的重点。 参考文献: [ 1] 陈绍蕃.钢结构设计原理 [M ]. 北京:科学出版社. [ 2] BG50017- 2003.钢结构设计规范 [ S]. [ 3] 崔佳.钢结构设计规范理解与应用 [M ]. 北京:中国建 筑工业出版社. [ 4] 声屏障声学设计和测量规范 [ S]. 国家环保总局. [ 5] 马大酋.振动与噪声控制工程手册 [M ]. 北京:机械工 业出版社, 2002. 99声屏障设计中的结构验算