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輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)研究論文
【摘 要】 隨著城市輕軌建設(shè)的發(fā)展,交通噪聲污染逐漸引起人們重視。在輕軌橋架兩側(cè)設(shè)置聲屏障是控制軌道噪聲的重要措施之一。聲屏障的高昂成本往往是由不合理的設(shè)計(jì)參數(shù)造成的,通過(guò)對(duì)目前聲屏障設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析,提出了輕軌橋架聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。該方法以聲屏障建造成本為目標(biāo)函數(shù),以降噪要求為聲學(xué)約束,綜合考慮設(shè)置位置、高度和長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)變量的影響;由列車(chē)噪聲1/3倍頻程頻譜計(jì)算插入損失,提高了優(yōu)化過(guò)程中插入損失的計(jì)算精度。該優(yōu)化設(shè)計(jì)法與目前設(shè)計(jì)方法對(duì)比,驗(yàn)證了聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)在改善降噪性能和經(jīng)濟(jì)性能方面的優(yōu)越性。討論了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)成本和降噪性能的影響,并且對(duì)軌邊矮墻的降噪性能進(jìn)行了分析,所獲的結(jié)論對(duì)聲屏障和軌邊矮墻設(shè)計(jì)參數(shù)與形狀的選擇具有指導(dǎo)意義。
【關(guān)鍵詞】 輕軌交通;降噪;優(yōu)化;聲屏障;軌邊矮墻
1 引 言
城市輕軌交通線(xiàn)路穿越市區(qū),鄰近居住、文教及工商業(yè)混雜區(qū)等噪聲敏感區(qū)域的情況比較普遍,特別是高架線(xiàn)路噪聲影響區(qū)域大,對(duì)沿線(xiàn)人們的工作、生活構(gòu)成嚴(yán)重危害[1]。由于軌道結(jié)構(gòu)隔振技術(shù)有效地降低或避免了結(jié)構(gòu)的“二次噪聲”,輪軌噪聲在輕軌交通噪聲中起主導(dǎo)作用,在平坦道路行駛,當(dāng)行駛速度達(dá)80ｋｍ/ｈ時(shí),距離軌道10ｍ處的噪聲為80～90ｄＢＡ,設(shè)置聲屏障減弱輪軌噪聲干擾是目前有效的降噪措施。
筆者針對(duì)目前聲屏障經(jīng)濟(jì)性差(即聲屏障成本昂貴)、設(shè)計(jì)參數(shù)不合理、插入損失計(jì)算精度低以及不適合優(yōu)化計(jì)算等問(wèn)題,按照列車(chē)噪聲頻譜計(jì)算總的插入損失;綜合考慮聲屏障設(shè)置的位置、幾何尺寸和經(jīng)濟(jì)性等多種因素,以研究經(jīng)濟(jì)適用型聲屏障為目的,提出了聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并且對(duì)軌邊矮墻的降噪性能及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究和分析。
2 聲屏障聲學(xué)設(shè)計(jì)
2.1 聲屏障插入損失的計(jì)算
計(jì)算聲屏障插入損失常采用“無(wú)限長(zhǎng)聲屏障對(duì)無(wú)限長(zhǎng)線(xiàn)聲源“的計(jì)算方法[2],即
2.2 等效聲級(jí)的計(jì)算
因?yàn)檩p軌交通系統(tǒng)列車(chē)運(yùn)行速度、長(zhǎng)度和輻射噪聲級(jí)比較接近,輕軌交通系統(tǒng)營(yíng)運(yùn)時(shí)間主要集中在晝間(6:00～22:00)時(shí),行車(chē)一般以一小時(shí)為單位計(jì)劃,即測(cè)量時(shí)間取3600ｓ,則有:
�。蹋澹�=10ｌｇ(ＮＴｐ×100.1Ｌｐ/3600+10 0.1Ｌ Ｂ) (5)
式中,Ｔｐ———列車(chē)通過(guò)受聲點(diǎn)的平均時(shí)間,ｓ;
�。巍獪y(cè)量時(shí)間內(nèi)通過(guò)的列車(chē)數(shù);
�。蹋隆h(huán)境本底噪音,ｄＢＡ。
3 聲屏障設(shè)置位置與尺寸設(shè)計(jì)
3.1 聲屏障設(shè)置位置
聲屏障設(shè)置在橋架護(hù)欄處,由高架橋建筑限界[3],直立式聲屏障,ｌ1=2.4ｍ;寬頂式聲屏障,1.7ｍ≤ｌ1≤2.4ｍ;若采用軌邊矮墻,ｌ1≥1.65ｍ。
3.2 聲屏障高度設(shè)計(jì)
由于建筑限界、觀(guān)察、橋梁承重、環(huán)境協(xié)調(diào)等因素制約,高架軌道聲屏障高度不宜超過(guò)軌頂1.8～2.5ｍ,列車(chē)聲源高度在軌頂以上0.45ｍ[4],則有效高度ｈ≤2.1ｍ;軌邊矮墻的高度略高于車(chē)輪,輕軌輪徑一般小于0.9ｍ,因此,取有效高度ｈ≤0.55ｍ。同時(shí)考慮乘客的視覺(jué)舒適性要求和不應(yīng)使其產(chǎn)生環(huán)繞感,即
(ｈ-ｈ′)/ｈ≤ｔａｎα (6)
ｌ1/ｈ≥0.5 (7)
式中,ｈ′———乘客眼睛相對(duì)聲源的高度,距軌頂2ｍ;
α———允許的視線(xiàn)仰角,α≤45°時(shí),可減少乘客視覺(jué)疲勞。
3.3 聲屏障長(zhǎng)度設(shè)計(jì)
聲屏障的長(zhǎng)度原則上應(yīng)使列車(chē)噪聲繞過(guò)聲屏障兩端產(chǎn)生的損失大于繞射聲屏障頂端的損失10ｄＢＡ以上。聲屏障的端部長(zhǎng)度ｌ′為[5]
4 聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
4.1設(shè)計(jì)變量的選取
Ｘ=[ｘ1,ｘ2,ｘ3]=[ｌ1,ｈ,ｌ] (10)
4.2 目標(biāo)函數(shù)的確定
聲屏障成本往往成為設(shè)計(jì)成功與否的決定性因素。因此,應(yīng)以建設(shè)成本為目標(biāo),盡量降低成本。聲屏障的建設(shè)費(fèi)用通常按照聲屏障的面積和長(zhǎng)度進(jìn)行估算,材料費(fèi)用占聲屏障建設(shè)費(fèi)用的45%,與長(zhǎng)度相應(yīng)的基礎(chǔ)建設(shè)、排水等大約占35%[6]。由于道床不同軌頂距橋面的高度也不同,同時(shí)橋上人行道的高度也與聲屏障建筑高度有關(guān)。因此,取聲屏障建筑高度等于有效高度加上聲源距軌頂高度。寬頂式聲屏障以常用的倒Ｌ形為例,綜上所述,取式(11)、式(12)為目標(biāo)函數(shù),盡可能降低成本。
直立式、寬頂式聲屏障的目標(biāo)函數(shù)為
�。�(Ｘ)=(ｘ2+0.45+2.4-ｘ1)×ｘ3+0.8ｘ3 (11)
軌邊矮墻的目標(biāo)函數(shù)為
�。�(Ｘ)=(ｘ2+0.45)×ｘ3+0.8ｘ3 (12)
4.3 約束條件
4.3 .1 降噪指標(biāo)約束條件
聲屏障降噪指標(biāo)應(yīng)符合《鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法》(ＧＢ12525—1990)和《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》(ＧＢ3096—1993)相應(yīng)的噪聲標(biāo)準(zhǔn)。即
�。�(Ｘ)=Ｌｅｑ≤[Ｌｅｑ] (13)
式中,[Ｌｅｑ]———晝間等效聲級(jí)允許值,ｄＢＡ。
4. 3 .2 其他約束條件
主要包括聲屏障和軌邊矮墻的設(shè)計(jì)變量約束、不產(chǎn)生環(huán)繞感和視覺(jué)舒適性約束。
5 算 例
圖2是輕軌列車(chē)噪聲的頻譜圖[7]。圖中折線(xiàn)表示列車(chē)70ｋｍ/ｈ時(shí),距軌道3ｍ,高出軌頂0.5ｍ處的頻譜;受聲點(diǎn)取為距軌道30ｍ處,有效高度2.5ｍ。聲波衰減按照線(xiàn)聲源的衰減規(guī)律進(jìn)行計(jì)算。橋架聲屏障距聲源很近,反射對(duì)乘客和降噪影響較大,軌邊矮墻及聲屏障均為吸聲型。
5.1 算例1
以受聲區(qū)域是居民區(qū)為例,其環(huán)境噪聲應(yīng)符合《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》Ⅰ類(lèi)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn),晝間等效聲級(jí)應(yīng)不超過(guò)55ｄＢＡ。環(huán)境背景噪聲取為50ｄＢＡ,為每小時(shí)25列,保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度取為2000ｍ,α取為45°,Ｔｐ為10ｓ。
由頻譜可算得Ｔｐ為78.42ｄＢＡ,Ｔｅｑ為66.92ｄＢＡ,滿(mǎn)足《鐵路邊界噪聲限值及其測(cè)量方法》晝間噪聲等效聲級(jí)70ｄＢＡ的規(guī)定,但不滿(mǎn)足Ⅰ類(lèi)區(qū)域噪聲標(biāo)準(zhǔn)。
引用兩種普通設(shè)計(jì)方法與優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)比。
方案1,普通設(shè)計(jì)方案,聲屏障位置盡量靠近聲源,長(zhǎng)度為保護(hù)區(qū)長(zhǎng)度兩端各延長(zhǎng)60ｍ,由降噪要求求高;
方案2,普通設(shè)計(jì)方案,聲屏障位置盡量靠近聲源,由目標(biāo)等效聲級(jí)求長(zhǎng)度和高;
方案3,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;
方案4,軌邊矮墻方案。
各種方案計(jì)算結(jié)果列入表1、表2。
設(shè)計(jì)方案結(jié)果分析:
方案1,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近0.7ｍ,聲屏障長(zhǎng)度遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足聲屏障的長(zhǎng)度原則要求(應(yīng)不小于2843.9ｍ),繞過(guò)聲屏障兩端的列車(chē)噪聲將降低聲屏障的降噪效果,使保護(hù)區(qū)兩端(共723.9ｍ)實(shí)際降噪量與理論降噪量有較大誤差;
方案2,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近了0.7ｍ,滿(mǎn)足降噪要求;
方案3,聲屏障頂部向聲源垂直方向靠近了0.147ｍ,在與方案2具有相同的降噪性能的情況下,比方案3經(jīng)濟(jì)性提高8.89%;
方案4,不能滿(mǎn)足降噪要求,最大降噪能力Ｌｐ為71.06ｄＢＡ,Ｌｅｑ為59.94ｄＢＡ。
本例說(shuō)明優(yōu)化設(shè)計(jì)方法比常規(guī)設(shè)計(jì)方法有更好的降噪效果和經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)也反映了軌邊矮墻由于高度較低,降噪能力有限。下面通過(guò)算例2研究軌邊矮墻在滿(mǎn)足降噪要求條件下的經(jīng)濟(jì)性。
5.2 算例2
以受聲區(qū)域是工商業(yè)混雜區(qū)為例,其環(huán)境噪聲應(yīng)符合《城市區(qū)域環(huán)境噪聲標(biāo)準(zhǔn)》Ⅱ類(lèi)區(qū)域標(biāo)準(zhǔn),晝間等效聲級(jí)應(yīng)不超過(guò)60ｄＢＡ。其他條件不變。方案1,聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì)方案;方案2,軌邊矮墻優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。計(jì)算結(jié)果列入表3、表4。
設(shè)計(jì)結(jié)果分析:兩種設(shè)計(jì)方案都能夠滿(mǎn)足降噪要求,采用軌邊矮墻比采用聲屏障的經(jīng)濟(jì)性提高7.23%。通過(guò)計(jì)算,如果保護(hù)區(qū)加長(zhǎng),經(jīng)濟(jì)性將進(jìn)一步提高,可達(dá)12.2%。
6 結(jié) 論
1)軌邊矮墻高度低,非常適合景觀(guān)性要求高的城市輕軌交通的降噪。由于輕軌交通穿越市區(qū),聲屏障一般比較長(zhǎng),若能采用軌邊矮墻可大幅降低降噪成本。在橋架聲屏障設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)首先考慮使用軌邊矮墻降噪,如果不能滿(mǎn)足降噪要求,再使用直立式或?qū)掜斒铰暺琳?形狀和尺寸應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
2)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法體現(xiàn)了聲屏障整體設(shè)計(jì)思想[1]:對(duì)聲屏障設(shè)置位置、高度和長(zhǎng)度的綜合設(shè)計(jì)既滿(mǎn)足沿線(xiàn)區(qū)域降噪要求,又降低了建設(shè)成本;通過(guò)約束條件考慮了結(jié)構(gòu)和景觀(guān)設(shè)計(jì)的要求。因此,在實(shí)際設(shè)計(jì)中,應(yīng)綜合考慮位置、高度、長(zhǎng)度和橋上軌道結(jié)構(gòu)等各種因素,對(duì)設(shè)計(jì)變量變化范圍或目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到經(jīng)濟(jì)適用的聲屏障設(shè)計(jì)方案。
3)隨著我國(guó)輕軌交通的快速發(fā)展,聲屏障工程數(shù)量多,所需費(fèi)用大。通過(guò)對(duì)聲屏障優(yōu)化設(shè)計(jì),能夠明顯提高降噪和經(jīng)濟(jì)性能,符合我國(guó)國(guó)情,有重要的實(shí)際意義。
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