張高明，程衛(wèi)紅，劉 楓，黨 輝

(1.中國(guó)建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2.中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300308)

1 工程概況

京沈高鐵北京朝陽(yáng)站至五環(huán)路段包含京沈正線(設(shè)計(jì)里程DK12+200～DK18+190段).動(dòng)車走行線.鐵科試車線.既有東北環(huán)線等線路，其中鐵科試車線及既有東北環(huán)線為運(yùn)營(yíng)線，線路毗鄰部分居住小區(qū)，為降低鐵路給周圍小區(qū)居民帶來的噪聲影響[1]，按照2013年國(guó)家生態(tài)環(huán)境部的項(xiàng)目環(huán)評(píng)批復(fù)要求，需沿線設(shè)置聲屏障，聲屏障效果如圖1.圖2所示。

圖1 京沈高鐵北京朝陽(yáng)站至五環(huán)段聲屏障整體效果

圖2 京沈高鐵北京朝陽(yáng)站至五環(huán)段聲屏障局部效果

為滿足降噪效果達(dá)到16 dB(A)以上的要求[2-5]，在京沈高鐵北京朝陽(yáng)站至五環(huán)路段采用全封閉式聲屏障體系，總長(zhǎng)約1.8 km。封閉式聲屏障體系采用明洞方案[6]，主體結(jié)構(gòu)采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)，主拱框架采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，薄殼采用預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)[7-8](SP板和聲屏障中空板)，拱腳基礎(chǔ)采用重力式擋墻結(jié)構(gòu)，中柱基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)。從結(jié)構(gòu)形式和工程規(guī)模來講，尚無類似工程經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2 聲屏障荷載取值

聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限100年，安全等級(jí)一級(jí)，建筑抗震設(shè)防類別乙類，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)甲級(jí)，抗震等級(jí)一級(jí)。

(1)恒活荷載[9]?？紤]2.5 kN/m2的附加恒荷載，SP板自重2.5 kN/m2，合計(jì)考慮5.0 kN/m2恒荷載?；詈奢d取1.0 kN/m2，荷載放大1.1倍(設(shè)計(jì)使用年限100年)，并按活荷載的不利布置考慮，施加在聲屏障結(jié)構(gòu)半跨上。

(2)風(fēng)雪荷載[10]?；撅L(fēng)壓ω0為0.50 kN/m2(重現(xiàn)期100年)，地面粗糙度C類，體型系數(shù)μs如圖3所示，風(fēng)振系數(shù)按照GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》確定。雪荷載基本雪壓S0為0.45 kN/m2(重現(xiàn)期100年)，雪荷載與活荷載不同時(shí)組合。

圖3 封閉聲屏障風(fēng)荷載體型系數(shù)μs

(3)列車風(fēng)荷載[11]。列車高速進(jìn)入封閉聲屏障時(shí)，會(huì)在結(jié)構(gòu)上突加一個(gè)上吸風(fēng)荷載(有利)；離開時(shí)，又會(huì)在結(jié)構(gòu)上突加一個(gè)下壓風(fēng)荷載(不利)，考慮不利風(fēng)荷載，按0.40 kN/m2施加。

(4)基礎(chǔ)變位荷載[12]?？紤]拱腳發(fā)生水平和豎向變位的可能，在一側(cè)拱腳分別考慮水平位移Ux=0.01 m，豎向位移Uz=-0.02 m。

(5)溫度荷載?？紤]聲屏障使用過程中的溫度與合龍溫度的差異，升溫考慮25 ℃，降溫考慮-25 ℃。

(6)地震作用。設(shè)計(jì)使用年限100年，地震作用乘以1.4的系數(shù)。

3 結(jié)構(gòu)平面布置

京沈高鐵北京朝鮮陽(yáng)站至五環(huán)路段封閉式聲屏障采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)[13]，拱間距采用6 m，拱跨度除個(gè)別段根據(jù)軌道線路變化外，多數(shù)段采用等跨度。聲屏障結(jié)構(gòu)按照50 m左右分段[14]，共分為35段，段與段之間的雙拱中心間距1 800 mm，單側(cè)懸挑1 000 mm，凈距200 mm。其總平面布置如圖4.圖5所示，其中圖4為北側(cè)的非標(biāo)準(zhǔn)段(約1.2 km)，圖5為南側(cè)的標(biāo)準(zhǔn)段(約650 m)。

圖4 聲屏障總平面布置(北側(cè)非標(biāo)準(zhǔn)段)

總平面布置給出各段聲屏障和鐵路里程的定位關(guān)系，同時(shí)給出各段聲屏障的相對(duì)位置關(guān)系，但是每段聲屏障的平面定位通過各自的分段平面布置來確定，如圖6所示。圖6給出拱腳定位軸線與軌道軸線的定位關(guān)系，給出中間設(shè)置立柱的間距及立柱與軌道的定位關(guān)系。

圖6 典型段聲屏障分段平面布置

4 結(jié)構(gòu)立面布置

聲屏障結(jié)構(gòu)北側(cè)非標(biāo)準(zhǔn)段的等截面段及南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段，每榀拱的跨度和形狀相同，只需給出一榀拱的剖面圖即可進(jìn)行立面構(gòu)件定位及構(gòu)件尺寸確定。每榀拱的拱腳高程通過軌道頂面高程來確定，聲屏障隨著軌道線路的高程變化而同步變化(軌道高程依地形高程而變)。

聲屏障結(jié)構(gòu)北側(cè)非標(biāo)準(zhǔn)段存在變截面拱段，每榀拱的跨度和形狀均不相同，通過給出每榀拱的剖面圖來進(jìn)行立面構(gòu)件定位及構(gòu)件尺寸確定。典型段聲屏障某榀拱剖面如圖7所示。

圖7 典型段聲屏障某榀拱剖面

南側(cè)標(biāo)準(zhǔn)段的拱跨度約40 m，北側(cè)非標(biāo)準(zhǔn)段的拱跨度從62～86 m隨軌道線路而變化。

5 拱肋與殼板協(xié)同作用研究

聲屏障在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)過多次方案變動(dòng)，總體方案采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)，但是對(duì)殼板采用現(xiàn)澆方案還是預(yù)制方案，經(jīng)歷了一個(gè)變化的過程。

對(duì)現(xiàn)澆殼板方案中殼板與拱肋協(xié)同工作情況展開研究，以某段典型等跨區(qū)段聲屏障為例，主要研究殼板剛度及殼板偏置對(duì)拱肋受力及配筋的影響[15]。該區(qū)段拱跨40 m，拱肋主截面600 mm×1 000 mm，拱腳截面漸變至600 mm×1 500 mm，殼板厚度150 mm。

5.1 不考慮殼板剛度

針對(duì)不考慮殼板剛度的模型，分別研究考慮和不考慮殼板偏置對(duì)拱截面的控制內(nèi)力和配筋的影響。

不考慮殼板偏置時(shí)，拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力見表1，縱筋按對(duì)稱配筋計(jì)算。

表1 殼板不偏置時(shí)拱截面控制內(nèi)力及配筋

考慮殼板偏置時(shí)，拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力見表2，縱筋亦按對(duì)稱配筋計(jì)算。

表2 殼板偏置時(shí)拱肋截面控制內(nèi)力及配筋

可以看到，不考慮殼板剛度時(shí)殼板偏置與否對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較小，拱肋各控制截面的彎矩和軸力基本不變，計(jì)算配筋基本一致，其拱肋彎矩和軸力分布如圖8所示，彎矩圖中拱肩處紅色表示外側(cè)受拉，跨中區(qū)黃色表示內(nèi)側(cè)受拉。

圖8 不考慮殼板剛度時(shí)拱肋內(nèi)力

5.2 考慮殼板剛度

針對(duì)考慮殼板剛度的模型，分別研究考慮和不考慮殼板偏置對(duì)拱截面的控制內(nèi)力和配筋情況的影響。

不考慮殼板偏置時(shí)，拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力見表3，縱筋按對(duì)稱配筋計(jì)算，其內(nèi)力分布如圖9所示，彎矩受拉側(cè)分布同圖8。

表3 殼板不偏置時(shí)拱截面控制內(nèi)力及配筋

圖9 不考慮殼板偏置時(shí)拱肋內(nèi)力

考慮殼板偏置時(shí)，拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力見表4，縱筋按對(duì)稱配筋計(jì)算，其拱肋彎矩和軸力分布如圖10所示，殼板內(nèi)力分布如圖11所示。

表4 殼板偏置時(shí)拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力

圖10 考慮殼板偏置時(shí)拱肋內(nèi)力

圖11 考慮殼板偏置時(shí)殼板內(nèi)力分布云圖

由圖11可知，考慮殼板剛度時(shí)，拱肩區(qū)殼板(云圖中綠色位置)處于受拉狀態(tài)，控制拉力160 kN/m，按板厚150 mm，雙層φ12@200 mm配筋，6 m跨度范圍內(nèi)受拉區(qū)間配筋面積6 750 mm2；而不考慮殼板剛度時(shí)，預(yù)制殼板次方向采用構(gòu)造配筋，雙層φ6@200配筋面積1 700 mm2。因此，考慮殼板剛度，殼板與拱共同作用，拱肩區(qū)殼板的配筋面積增加約5 050 mm2，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮拱肋配筋與殼板配筋進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。

不考慮殼板偏置，通過拱肋剛度修正近似反映翼緣殼板剛度貢獻(xiàn)。拱肋剛度修正模型計(jì)算得到的拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力見表5，縱筋按對(duì)稱配筋計(jì)算。

表5 拱肋截面設(shè)計(jì)控制彎矩和軸力

可以看出，拱肋剛度修正模型計(jì)算配筋水平整體高于考慮殼板剛度和殼板偏置模型。采用現(xiàn)澆殼板施工方案時(shí)，可采用拱肋剛度修正模型進(jìn)行包絡(luò)分析設(shè)計(jì)。

考慮殼板剛度時(shí)，如果考慮殼板偏置，殼板剛度使得拱肩以上軸力明顯增大，拱腳軸力減小，拱肋彎矩減小，控制截面的計(jì)算配筋，拱肩以上有所減小，拱腳配筋有所增加。

綜上所述，考慮殼板偏置時(shí)，拱肋與殼板T形截面共同工作，綜合考慮拱肋和殼板配筋(對(duì)比表2和表4)，考慮殼板剛度時(shí)拱肋和殼板總計(jì)算配筋量與不考慮殼板剛度的總計(jì)算配筋量大體相當(dāng)，因此現(xiàn)澆殼板方案和預(yù)制殼板施工方案對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)總配筋水平基本一致，但是預(yù)制殼板方案的施工周期短，綜合效益高于現(xiàn)澆殼板，因此宜采用預(yù)制殼板方案。

6 拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[16-18]

由于封閉式聲屏障采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)，薄殼結(jié)構(gòu)采用預(yù)制裝配式SP大板，預(yù)制殼板幾乎不提供面外剛度約束，在設(shè)計(jì)過程中不考慮殼板剛度[19]。

6.1 拱截面配筋

按照混凝土結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)對(duì)拱截面在靜力及地震工況下的正截面受力進(jìn)行配筋計(jì)算。由于拱形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度較大，采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)軟件很難完成配筋計(jì)算。對(duì)聲屏障拱結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，按照每一個(gè)單元的內(nèi)力情況來進(jìn)行配筋計(jì)算，最后根據(jù)拱內(nèi)各單元所處位置給出從左至右的配筋結(jié)果，次梁及中柱屬于常規(guī)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。聲屏障結(jié)構(gòu)典型段的計(jì)算模型如圖12所示。

圖12 典型區(qū)段聲屏障拱結(jié)構(gòu)模型

聲屏障拱結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算流程如圖13所示，主要分為壓彎構(gòu)件和拉彎構(gòu)件進(jìn)行配筋計(jì)算，計(jì)算過程通過編制程序?qū)崿F(xiàn)。

圖13 聲屏障上部拱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

6.1.1 分類一：拉彎構(gòu)件

e0=M/N，h0=h-as

xb=ξbh0

(1)如果e0≥h/2-as，則為大偏心受拉構(gòu)件。

假定x=xb=ξbh0，此時(shí)受壓筋充分屈服。

(1)

(2)

(2)如果e0

(3)每一單元每一工況內(nèi)力有一個(gè)計(jì)算結(jié)果，取計(jì)算結(jié)果與最小配筋率的較大值。

如柱根位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.4%；

如其他位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.31%。

如柱根位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.4%；

如其他位置，ρmin壓=0.2%，ρmin拉=0.31%。

6.1.2 分類二：壓彎構(gòu)件

e0=M/N，h0=h-as，ea=max{20，h/30}

ei=e0+ea，e=ei+h/2-as

(1)如果ei>eob，min，則為大偏心受壓構(gòu)件

取相對(duì)受壓區(qū)高度ξ=ξb=0.518

(3)

計(jì)算截面M1之抵抗矩系數(shù)為

(4)

相對(duì)受壓區(qū)高度

(5)

(2)如果ei

如果As<0，則按最小配筋率來配置受拉鋼筋A(yù)s=ρminbh=0.2%bh。

求解x，進(jìn)而求出ξ=x/h0。

①如果ξ<2β1-ξb

(6)

(3)每一單元每一工況內(nèi)力有一個(gè)計(jì)算結(jié)果。

6.2 最小配筋率設(shè)定

計(jì)算得到的拱配筋需要滿足構(gòu)造要求的最小配筋率，最小配筋率按照GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(2016版)的要求進(jìn)行設(shè)置，結(jié)構(gòu)按照抗震等級(jí)一級(jí)來考慮構(gòu)造措施。

此處給出拱腳位置的最小配筋率設(shè)定，見表6。其中As，上為拱上筋計(jì)算配筋面積，As，下為拱下筋計(jì)算配筋面積，As，上min為拱上筋最小配筋面積，As，下min為拱下筋最小配筋面積，As，總為拱腳總計(jì)算配筋面積，1.05%為截面最小配筋率。

表6 拱腳位置的最小配筋率設(shè)定

6.3 計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

計(jì)算結(jié)果以配筋率和配筋面積的形式給出，見表7。每一段聲屏障按照從北到南的順序按行排列，從左至右每個(gè)單元的配筋情況按列給出4個(gè)數(shù)據(jù)，包括上筋配筋率.上筋面積.下筋配筋率，下筋面積，據(jù)此來進(jìn)行拱結(jié)構(gòu)配筋。

表7 典型段拱截面配筋結(jié)果

表7中顯示深色的部分為拱的跨中或支座負(fù)彎矩區(qū)配筋較大位置的配筋情況，計(jì)算配筋結(jié)果與實(shí)際彎矩圖的對(duì)比如圖14所示。圖14中拱肩處拱外側(cè)受拉，配筋表格中上筋配筋面積較大；跨中處拱內(nèi)側(cè)受拉，配筋表格中下筋配筋面積較大，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際彎矩圖吻合較好。

圖14 配筋結(jié)果與實(shí)際彎矩圖對(duì)比

7 拱腳地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[20]

根據(jù)上部拱結(jié)構(gòu)水平推力大的特點(diǎn)，除個(gè)別區(qū)段以外，聲屏障拱腳基礎(chǔ)采用重力式擋墻基礎(chǔ)，與樁基礎(chǔ)對(duì)比顯示，重力式擋墻基礎(chǔ)可大大節(jié)省工程造價(jià)。相鄰拱跨基礎(chǔ)連接形成連續(xù)擋土墻和連續(xù)底板，利用上部結(jié)構(gòu)自重.基礎(chǔ)覆土和基礎(chǔ)自重產(chǎn)生的摩擦力抵抗水平推力?；A(chǔ)按拱跨6 m獨(dú)立設(shè)計(jì)，上部結(jié)構(gòu)聯(lián)立位置考慮基礎(chǔ)共同作用。

拱腳基礎(chǔ)計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖15所示。參考重力式擋墻基底逆坡，基礎(chǔ)底板反傾角α0=5.7°，基礎(chǔ)頂寬度L=2.51 m，基礎(chǔ)特征埋深H=2.5 m。基礎(chǔ)底板厚度B=1.0 m，其他參數(shù)如下，基礎(chǔ)底板前挑長(zhǎng)度L1，m；基礎(chǔ)底板后挑長(zhǎng)度L2，m；基礎(chǔ)總長(zhǎng)度Ls，m；基礎(chǔ)上有效覆土厚度HL，m；拱腳內(nèi)側(cè)最大深度H1，m；拱腳外側(cè)最大深度H2，m。γw.γ和γw分別為混凝土.土體和水容重，N/m3。

圖15 拱腳基礎(chǔ)計(jì)算模型

7.1 靜止土壓力

拱腳內(nèi)外側(cè)土壓力均按靜止土壓力計(jì)算，拱腳內(nèi)側(cè)考慮基礎(chǔ)頂高程以上覆土及列車荷載，列車荷載按照TB10621—2014《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》取值，見表8。

表8 列車荷載取值

拱腳外側(cè)每延米靜止土壓力

Ea1=0.5×[(1.2γ-0.6γw)+

(γ-γw)(H2-0.5B)]B

每延米基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)靜止土壓力整體擋墻和基礎(chǔ)底板分別計(jì)算，其中qk為拱腳內(nèi)側(cè)基礎(chǔ)高程以上等效荷載。

整體擋墻

(7)

基礎(chǔ)底板：

Ea22=0.5((γ-γw)(H1-0.5B)+qk)B

(8)

平均每延米基礎(chǔ)內(nèi)側(cè)靜止土壓力

(9)

7.2 基礎(chǔ)及上覆土自重

分別計(jì)算混凝土體積Vc，回填土體積Vs和最高水位體積Vw，按各自容重計(jì)算考慮浮力的基礎(chǔ)及上覆土自重。

(10)

(11)

(12)

G=γcVc+γVs-γwVw

(13)

7.3 抗滑移驗(yàn)算

抗滑移驗(yàn)算，作用效應(yīng)按承載力極限狀態(tài)作用下的基本組合，其分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。

GB50007—2011《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，可塑性黏性土對(duì)擋土墻基底摩擦系數(shù)取0.25～0.30，基底土層和基礎(chǔ)底板之間摩擦系數(shù)μ取0.28，各區(qū)段通過摩擦試驗(yàn)確定摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)不滿足的區(qū)段應(yīng)進(jìn)行地基處理，其中，V.FN為標(biāo)準(zhǔn)組合下基底水平力及豎向反力。

抗滑移分子

μ[(G+FN)cosa0+(V+Ea2-Ea1)sina0]

(14)

抗滑移分母

(V+Ea2-Ea1)cosa0-(G+FN)sina0

(15)

滑移系數(shù)kn=1.88>1.3，滿足規(guī)范要求。

7.4 抗傾覆驗(yàn)算

抗傾覆驗(yàn)算，作用效應(yīng)按承載力極限狀態(tài)作用下的基本組合，分項(xiàng)系數(shù)均為1.0，其中M為標(biāo)準(zhǔn)組合下基底彎矩。

抗傾覆分子

(16)

抗傾覆分母

(17)

傾覆系數(shù)kt=4.14>1.6，滿足規(guī)范要求。

7.5 地基承載力驗(yàn)算

地基承載力驗(yàn)算，作用效應(yīng)按承載力極限狀態(tài)作用下的基本組合，其分項(xiàng)系數(shù)均為1.0。

傳至基礎(chǔ)底板的彎矩

(18)

當(dāng)軸心荷載作用時(shí)

(19)

當(dāng)豎向力Fc和Mxc同時(shí)作用時(shí)

(20)

地基承載力按下式驗(yàn)算

(21)

其中，fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.5)

對(duì)于地震工況組合，考慮地基抗震承載力調(diào)整系數(shù)1.1。經(jīng)驗(yàn)算，地基承載力均滿足規(guī)范要求。

綜上所述，封閉式聲屏障采用重力式擋墻基礎(chǔ)，直接持力層為粉土.粉質(zhì)黏土或砂土層，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)要考慮的因素較多，綜合考慮覆土荷載及列車荷載的影響，為準(zhǔn)確驗(yàn)算地基承載力提供了完備條件?；追磧A角主要用于抵抗水平力，對(duì)基礎(chǔ)抗滑移也有重要影響，反傾角過小無法抵抗基底水平力，反傾角過大將不利于基礎(chǔ)抗傾覆，土的滑移系數(shù)需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)定。內(nèi)側(cè)上覆土對(duì)基礎(chǔ)抗傾覆有利，外側(cè)上覆土對(duì)基礎(chǔ)抗傾覆不利。

8 結(jié)語(yǔ)

對(duì)京沈高鐵北京朝陽(yáng)站至五環(huán)路段全封閉式聲屏障的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入研究。主要包括平面.立面布置情況，拱肋與殼板協(xié)同作用研究，拱肋配筋方法，拱腳地基及基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方法等。通過深入研究工程特點(diǎn)及分析思路，形成了一套行之有效的鐵路封閉聲屏障設(shè)計(jì)方法。

本文給出了聲屏障荷載的類型及取值，包括恒活荷載.風(fēng)雪荷載.列車風(fēng)荷載和地震荷載等，對(duì)聲屏障的平面及立面表達(dá)方式進(jìn)行了探討，并研究了現(xiàn)澆方案中殼板剛度及殼板偏置對(duì)拱肋受力及配筋的影響。不等跨拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)采用常規(guī)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算存在較大難度，通過編制程序大大提高了該類結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率；采用重力式擋墻基礎(chǔ)，設(shè)置基底逆坡抵抗水平力，降低了工程造價(jià)。

不論從結(jié)構(gòu)形式還是工程規(guī)模上講，采用拱式混凝土框架結(jié)構(gòu)的全封閉聲屏障在國(guó)內(nèi)尚屬首例。本文從結(jié)構(gòu)布置和設(shè)計(jì)方法方面對(duì)該類聲屏障進(jìn)行了詳細(xì)分析和研究，以期對(duì)今后的高速鐵路聲屏障結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供有益思路和方法。