CN101582093B - 一种操作简单、功能全面的声屏障结构设计方法 - Google Patents

Abstract

一种操作简单、功能全面的声屏障设计方法，它通过计算机处理得到声屏障的结构形式的相关数据并对数据进行保存和输出，其特征在于：包括以下步骤：1)通过数据输入装置向处于开始状态的计算机输入声屏障使用地的风载资料计算设计风载荷，得到声屏障各结构部件、声屏障砼基础结构和钢结构部件的强度数据；2)将得到的声屏障各结构部件的强度数据与规范的数据允许值进行比较，在满足规范的要求的前提下，确定声屏障各部件的结构型式；3)将得到的声屏障整体结构数据进行保存并通过输出装置输出，设计出合格的声屏障结构。

Description

一种操作简单、功能全面的声屏障结构设计方法

技术领域

本发明属于道路交通噪声治理技术，特别是一种操作简单、功能全面的声屏障结构设计方法，适用于城市主干道的大型声屏障设计，属环保工程领域。

背景技术

声屏障已常用于城市、公路的交通噪声治理工程中，但对交通繁忙、路幅极宽、地下管线复杂、噪声污染严重的城市主干道，能否采用声屏障措施和采用什么样的声屏障才能有效治理交通噪声，是对目前我国大型声屏障设计与实践的挑战。

目前大多数城市声屏障是在建成后的路段施工，路边已埋设复杂的管线，需要避让，但又要求声屏障有顺畅的曲线，这是一对矛盾。

另外，对于沿海城市而言要安全建成上述大型声屏障，且能防御50年一遇的大风必须有牢固的基础结构，但同时又要求基础结构经济上便宜，这又是一对矛盾。

因此，如何解决城市干道大型声屏障的设计，使之既达到降低噪声敏感点6～9dB降噪指标，同时避免对施工路基下的已有管线损坏，并且具有较强抗风能力和合理造价，已经成为城市主干道降噪设计施工中的一大课题。

随着计算机技术的发展和应用，越来越多的设计领域采用计算机来完成。现有的设计软件可以针对声屏障结构的某个节点进行单独设计，但缺乏针对声屏障结构设计方法的整合。

发明内容：

本发明的目的：旨在提供一种操作简单、功能全面的声屏障结构设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

这种声屏障设计方法，它通过计算机处理得到声屏障的结构形式的相关数据并对数据进行保存和输出，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过数据输入装置向处于开始状态的计算机输入声屏障使用地的风载资料，计算设计风荷载，得到声屏障各结构部件的设计强度数据；其中也包括声屏障砼基础，钢结构部件。

2)将得到的声屏障各结构部件的设计强度数据与规范的数据允许值进行比较，满足规范的要求，从而确定声屏障各部件的结构型式。

3)将得到的声屏障整体结构数据进行保存并通过输出装置输出，设计出合格的声屏障结构。

二种声屏障基础型式

在城市主干道设置声屏障，一般屏体较高，且地下管线较多，设置桩基础造价相对便宜、能避开底下管线、对路基和环境影响小，同时能有效地抵抗风荷载。

1)桥梁段预埋件及骑马件对穿螺栓：考虑到桥梁结构已竣工，为保证声屏障同桥梁防撞墩的可靠连结，须在予埋件和防撞墩之间应采用高标号水泥浆填实，骑马件对穿螺栓应采用化学植筋法施工，清孔完成注胶后旋入螺杆直至粘合剂充分固化。

本发明针对声屏障设计中的具体问题，用操作简单、界面友好的设计模快辅助设计者输入必要的参数，完成声屏障的结构设计、计算工作与现有技术相比，本发明操作简单，功能全面。

附图说明

附图1为本发明方法设计的城市主干道声屏障结构示意图；

附图2桥梁段屏障联结机构结构示意图。

图中：1-防撞墩 2-骑马件 3-B级螺栓 4-充填水泥浆 5-企口垫片6-对穿螺栓 7-声屏障 8-承台 9-骑马桩

具体实施方式

这种操作简单、功能全面的声屏障设计方法，它通过计算机处理得到声屏障的结构形式的相关数据并对数据进行保存和输出，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过数据输入装置向处于开始状态的计算机输入声屏障使用地的风载资料，计算设计风载荷，得到声屏障各结构部件的设计强度数据；其中也包括组成声屏障砼基础的，钢结构部件；

2)将得到的声屏障各结构部件的强度数据与规范的数据允许值进行比较，满足规范的要求，确定声屏障各部件的结构型式；

3)将得到的声屏障整体结构数据进行保存并通过输出装置输出，设计出合格的声屏障结构。

声屏障设计过程中需要充分考虑声屏障的抗风性与结构安全性，因此设计过程中需进行抗风及力学的校核。

设计计算的规范采用中华人民共和国建设部颁发的《钢筋混凝土结构设计规范》，《建筑地基基础设计规范》。

设计风荷载的确定是根据《建筑结构荷载规范(2006年版)》，垂直建筑物表面风荷载标准值w_k计算公式：

ω_k＝β_gzμ_sμ_zω₀(7.1.1-2)

式中ω_k--风荷载标准值(kN/m²)；

β_gz--高度z处的阵风系数；

μ_s--风荷载体形系数；

μ_z--风压高度变化系数；

ω₀--50年重现期下的基本风压(kN/m²)。

需要输入的参数见下表：

参数	描述	单位
			ωk	风荷载标准值	kN/m2
Lx	屏体长度	m
			H1	混凝土立柱高度	m
H2	钢立柱高度	m
			h	基础埋置深度	m
Es	钢材的弹性模量	N/mm2
			fak	地基承载力特征值	KPa

模块一：风载强度计算

计算公式：

(1) $M_k=w_k\×L_x\×H\×(\frac{H}{2}+h)$

式中M_k--计算截面处的弯距标准值(kN·m)；

ω_k--风荷载标准值(kN/m²)；

Lx--屏体长度(m)；

H--室外地坪以上计算截面处的高度(m)；

h--基础埋置深度(m)。

(2)V_k＝w_k×L_x×H

式中V_k--计算截面处的剪力标准值(kN)；

ω_k--风荷载标准值(kN/m²)；

Lx--屏体长度(m)；

H--室外地坪以上计算截面处的高度(m)。

模块二：基础计算

子模快1：桩基础设计

计算公式：

(1)单桩承载力计算：

$Q_{\mathrm{ik}}=\frac{F_k+G_k}{n}\±\frac{M_{\mathrm{xk}}{y}_i}{\mathrm{\Σ}{y}_i^2}\±\frac{M_{\mathrm{yk}}{x}_i}{\mathrm{\Σ}{x}_i^2}\≤1.2R_a$

式中Q_ik--相应于荷载效应标准组合偏心竖向力作用下第i根桩的竖向力(kN)；

F_k--相应于荷载效应标准组合时，作用于桩基承台顶面的竖向力(kN)；

G_k--桩基承台自重及承台上土自重标准值(gN)；

n--桩基中的桩数；

M_xk、M_yk--相应于荷载效应标准组合作用于承台底面通过桩群形心的x、y轴的力距(kN·m)；

x_i、y_i--桩I至桩群形心的y、x轴线的距离(m)；

R_a--单桩竖向承载力特征值(KN)。

(2)弯距计算：

M_x＝∑N_iy_i；

M_y＝∑N_ix_i

式中M_x、M_y--分别为垂直y轴和x轴方向计算截面处的弯距设计值(kN·m)；

x_i、y_i--垂直y轴和x轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离(m)。

(3)冲切计算：

$N_l\≤[{\mathrm{\β}}_{1x}(c_2+\frac{a_{1y}}{2})+{\mathrm{\β}}_{1y}(c_1+\frac{a_{1x}}{2})]{\mathrm{\β}}_{\mathrm{hp}}{f}_t{h}_0$

式中N_l--扣除承台和其上填土自重后的角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值(kN)；

β_1x、β_1y--角桩冲切系数；

λ_1x、λ_1y--角桩冲跨比；

c₁、c₂--从角桩内边缘至承台外边缘的距离(m)；

a_1x、a_1y--从承台底角桩内边缘引45°冲切线与承台顶面或承台变阶处相交点至角桩内边缘的水平距离(m)；

h₀--承台外边缘的有效高度(m)。

(4)剪切计算：

V≤β_hsβf_tb₀h₀

式中V--扣除承台和其上填土自重后相应于荷载效应基本组合时斜截面的最大剪力设计值(kN)；

b₀--承台计算截面处的计算宽度(m)；

h₀--计算宽度处的承台有效高度(m)；

β--剪切系数；

β_hs--受剪切承载力截面高度影响系数；

λ--计算截面的剪跨比。

子模快2：天然基础设计

计算公式：

(5)地基承载力计算：

$p_{k\max }=\frac{F_k+G_k}{n}+\frac{M_k}{W}\≤1.2f_a$

$p_{k\min }=\frac{F_k+G_k}{n}-\frac{M_k}{W}\≥0$

式中M_k--相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力距值(kN·m)；

W--基础底面的抵抗矩；

P_kmax--相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值(KPa)；

P_kmin--相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最小压力值(KPa)；

f_a--修正后的地基承载力特征值(KPa)。

(6)弯距计算：

$M_I=\frac{1}{12}{a}_1^2[(2l+a)(p_{\max }+p-\frac{2G}{A})+(p_{\max }-p)l]$

$M_{\mathrm{II}}=\frac{1}{48}{(l-a)}^2(2b+b)(p_{\max }+p_{\min }-\frac{2G}{A})$

式中M_I、M_II--任意截面I-I、II-II处相应于荷载效应基本组合时的弯距设计值(kN·m)；

a₁--任意截面I-I至基底边缘最大反力处的距离(m)；

l、b--基础底面的边长(m)；

P_max、P_min--相应于荷载效应基本组合时的基础底面边缘的最大和最小地基反力设计值(KPa)；

P--相应于荷载效应基本组合时任意截面I-I处基础底面地基反力设计值(KPa)；

G--考虑荷载分项系数的基础自重及其上的土自重(kN)。

(7)冲切计算：

f_l≤0.7β_hpf_ta_mh₀

式中β_hp--受冲切承载力截面高度影响系数；

f_t--混凝土轴心抗拉强度设计值(N/mm²)；

h₀--基础冲切破坏锥体的有效高度(m)；

a_m--冲切破坏锥体最不利一侧计算长度(m)；

a_t--冲切破坏锥体最不利一侧斜截面的上边长(m)；

a_b--冲切破坏锥体最不利一侧斜截面在基础底面积范围内的下边长(m)；

P_j--扣除基础自重及其上土自重后相应于荷载效应基本组合时的地基土单位面积净反力(KPa)；

A_l--冲切验算时取用的部分基底面积中的阴影面积(m²)；

F_l--相应于荷载效应基本组合时作用在A₁上的地基土净反力设计值(KN)。

模块三：钢结构计算

子模快1：钢柱设计

计算公式：

(8)强度计算：

$\frac{M_x}{{\mathrm{\γ}}_x{W}_{\mathrm{nx}}}\±\frac{M_y}{{\mathrm{\γ}}_y{W}_{\mathrm{ny}}}\≤f$

式中M_x、M_y--同一截面处绕x轴和y轴的弯距(kN·m)；

W_nx、W_ny--对x轴和y轴的净截面模量(m³)；

γ_x、γ_y--截面塑性发展系数；

f--钢材的抗弯强度设计值(N/mm²)。

$\frac{\mathrm{VS}}{{\mathrm{It}}_w}\≤f_v$

式中V--计算截面处的剪力(KN)；

S--计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积距(mm³)；

I--毛截面惯性距(mm⁴)；

t_w--腹板厚度(mm)；

f_v--钢材的抗剪强度设计值(N/mm²)。

(9)挠度计算：

$f_{\max }=\frac{1}{8}\·\frac{q_k{l}^4}{{\mathrm{EI}}_x}\≤\frac{l}{100}$

式中f_max--钢柱顶点的水平位移(mm)；

q_k--均布荷载(风荷载)标准值(KN/m)；

E--钢材的弹性模量(N/mm²)；

I--毛截面惯性距(mm⁴)。

子模快2：螺栓设计

计算公式：

(10)强度计算：

$\frac{{\mathrm{My}}_i}{\mathrm{\Σ}{y}_i^2}\≤N_t^b$

式中M--弯距设计值(kN·m)；

y_i--任一个螺栓到螺栓群形心的竖向距离(mm)；

--单个螺栓的抗拉承载力设计值(KN)。

$\frac{V}{n}\≤N_v^b$

式中V--剪力设计值(kN)；

n--螺栓总数；

--单个螺栓的抗剪承载力设计值(KN)。

利用本发明所述的声屏障设计方法，调用所编写的软件，通过输入声屏障结构特性与地面风压等基础资料，计算声屏障各结构部件并最终输出符合安全技术要求的结构型式。

Claims (3)

1.一种操作简单、功能全面的声屏障设计方法，它通过计算机处理得到声屏障的结构形式的相关数据并对数据进行保存和输出，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过数据输入装置向处于开始状态的计算机输入声屏障使用地的风载资料，计算设计风荷载，得到构成声屏障各结构部件的设计强度数据：包括声屏障砼基础结构和钢结构部件的强度数据；

2)将得到的声屏障各结构部件的设计强度数据与规范的数据允许值进行比较，在满足规范的要求的前提下，确定声屏障各部件的结构型式；

3)将得到的声屏障整体结构数据进行保存并通过输出装置输出，设计出合格的声屏障结构；

其中，所述的声屏障设计方法包括设计风荷载强度、声屏障桩基础设计、声屏障天然基础设计和钢结构设计；

其中：

所述的设计风荷载强度按照计算公式(1) 

和公式(2)V_k＝w_k×L_x×H算出；

式(1)中：

M_k——计算截面处的弯距标准值(kN·m)；

ω_k——风荷载标准值(kN/m²)；

Lx——屏体长度(m)；

H——室外地坪以上计算截面处的高度(m)；

h——基础埋置深度(m)；

式(2)中：

V_k——计算截面处的剪力标准值(kN)；

ω_k——风荷载标准值(kN/m²)； 

Lx——屏体长度(m)；

H——室外地坪以上计算截面处的高度(m)；

所述的声屏障桩基础设计包括单桩承载力计算、弯距计算、冲切计算和剪切计算；其中的单桩承载力计算按公式(3)

进行；

式(3)中：

Q_ik——相应于荷载效应标准组合偏心竖向力作用下第i根桩的竖向力(kN)；

F_k——相应于荷载效应标准组合时，作用于桩基承台顶面的竖向力(kN)；

G_k——桩基承台自重及承台上土自重标准值(kN)；

n——桩基中的桩数；

M_xk、M_yk——相应于荷载效应标准组合作用于承台底面通过桩群形心的x、y轴的力距(kN·m)；

x_i、y_i——桩I至桩群形心的y、x轴线的距离(m)；

R_a——单桩竖向承载力特征值(KN)；

弯距计算按公式(4)M_x＝∑N_iy_i、公式(5)M_y＝∑N_ix_i进行；

式中：

M_x、M_y——分别为垂直y轴和x轴方向计算截面处的弯距设计值(kN·m)；

x_i、y_i——垂直y轴和x轴方向自桩轴线到相应计算截面的距离(m)；

冲切计算按公式(6)

进行；

式(6)中：

N_l——扣除承台和其上填土自重后的角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值(kN)；

β_1x、β_1y——角桩冲切系数；

c₁、c₂——从角桩内边缘至承台外边缘的距离(m)；

a_1x、a_1y——从承台底角桩内边缘引45°冲切线与承台顶面或承台变阶处相交点至角 

桩内边缘的水平距离(m)；

h₀——承台外边缘的有效高度(m)；

剪切计算按公式(7)V≤β_hsβf_tb₀h₀进行；

式(7)中：

V——扣除承台和其上填土自重后相应于荷载效应基本组合时斜截面的最大剪力设计值(kN)；

b₀——承台计算截面处的计算宽度(m)；

h₀——计算宽度处的承台有效高度(m)；

β——剪切系数；

β_hs——受剪切承载力截面高度影响系数；

所述的声屏障天然基础设计包括地基承载力计算、弯距计算、冲切计算；其中的地基承载力计算按公式(8)

和公式(9) 进行；

式中：

M_k——相应于荷载效应标准组合时，作用于基础底面的力距值(kN·m)；

W——基础底面的抵抗矩；

p_kmax——相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最大压力值(KPa)；

p_kmin——相应于荷载效应标准组合时，基础底面边缘的最小压力值(KPa)；

f_a——修正后的地基承载力特征值(KPa)；

弯距计算按公式(10)

和公式(11) 

进行；

式中： 

M_I、M_II——任意截面I-I、II-II处相应于荷载效应基本组合时的弯距设计值(kN·m)；

a₁——任意截面I-I至基底边缘最大反力处的距离(m)；

l、b——基础底面的边长(m)；

p_max、p_min——相应于荷载效应基本组合时的基础底面边缘的最大和最小地基反力设计值(KPa)；

p——相应于荷载效应基本组合时任意截面I-I处基础底面地基反力设计值(KPa)；

G——考虑荷载分项系数的基础自重及其上的土自重(kN)；

冲切计算按公式(12)F_l≤0.7β_hpf_ta_mh₀进行；

式(12)中：

β_hp——受冲切承载力截面高度影响系数；

f_t——混凝土轴心抗拉强度设计值(N/mm²)；

h₀——基础冲切破坏锥体的有效高度(m)；

a_m——冲切破坏锥体最不利一侧计算长度(m)；

A_l——冲切验算时取用的部分基底面积中的阴影面积(m²)；

F_l——相应于荷载效应基本组合时作用在A₁上的地基土净反力设计值(KN)；

所述的钢结构设计包括构成钢柱的强度计算和挠度计算；其中钢柱强度计算按公式(13) 

和公式(14) 

进行；

式(13)中：

M_x、M_y——同一截面处绕x轴和y轴的弯距(kN·m)；

W_nx、W_ny——对x轴和y轴的净截面模量(m³)；

γ_x、γ_y——截面塑性发展系数； 

f——钢材的抗弯强度设计值(N/mm²)；

式(14)中：

V——计算截面处的剪力(KN)；

S——计算剪应力处以上毛截面对中和轴的面积距(mm³)；

I——毛截面惯性距(mm⁴)；

t_w——腹板厚度(mm)；

f_v——钢材的抗剪强度设计值(N/mm²)；

钢柱挠度计算按公式(15) 

进行；

式(15)中：

f_max——钢柱顶点的水平位移(mm)；

q_k——均布荷载标准值(KN/m)；

E——钢材的弹性模量(N/mm²)；

I_X——毛截面惯性距(mm⁴)；

所述的钢结构中的螺栓设计，强度计算按公式(16) 

和公式(17) 

进行；

式(16)中：

M——弯距设计值(kN·m)；

y_i——任一个螺栓到螺栓群形心的竖向距离(mm)；

——单个螺栓的抗拉承载力设计值(KN)；

式(17)中：

V——剪力设计值(kN)；

n——螺栓总数；

——单个螺栓的抗剪承载力设计值(KN)。 

2.如权利要求1所述的一种操作简单、功能全面的声屏障设计方法，其特征在于：所述的声屏障设计包括路侧声屏障设计、路中声屏障设计和桥梁段声屏障设计。

3.如权利要求2所述的一种操作简单、功能全面的声屏障设计方法，其特征在于：所述桥梁段声屏障的预埋件采用对穿螺栓的方法在已竣工桥梁结构上进行固定，为保证预埋件同桥梁防撞墩的可靠连结，在预埋件和防撞墩之间采用高标号水泥浆填实，骑马件对穿螺栓则采用化学植筋法施工，清孔完成注胶后旋入螺杆直至粘合剂充分固化。 

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