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城市轨道交通声屏障设计的影响因素分析

2018-09-11 10:34:01      点击:
 
摘要:设置声屏障可以有效的改善城市轨道交通带来的噪声问题,声屏障设计的成败直接影响噪声控制的效果。分析发现声屏障设计主要受噪声控制、结构稳定、施工方法和美观协调等几个因素影响,声屏障的优化设计需要在充分保障自身结构安全稳定的基础上,以满足噪声控制标准为基准,结合声屏障制造施工的方法,并充分考虑声屏障自身的美观与周围的协调。
 
关键词:城市轨道交通;噪声;声屏障;结构;施工
 
0 引言
随着我国城镇化水平的不断提高,城市交通问题日益严重,特别是大城市,交通日益拥堵,与此同时,与之相伴的噪声问题也日益明显。我国城市化进程中迫切需要解决好交通拥堵和噪声问题,借鉴国外经验,我国大力开展城市轨道交通建设,城市轨道形式多样,常见的有地铁、轻轨、有轨电车和单轨电车等。整体而言,受制于地质条件和建设成本等因素,城市轨道交通中地表线和高架线所占线路比重较大,地表线和高架线区段机车车辆运行引起的噪声将极大的影响周围的环境[1],为解决该类问题,国内外科研人员提出了大量的工程措施,如采用减振降噪轨道结构、采用减振扣件、设置声屏障、铺设吸声材料等等措施,其中沿线设置声屏障是最为简单有效的措施,常见的声屏障立面设计如图1所示。现结合声屏障减振降噪的基本原理,对影响声屏障使用效果的影响因素展开分析,指导城市轨道结构声屏障的设计优化。
图1 普通声屏障立面设计图
1 声屏障降噪原理
轨道交通运行产生的噪声机理非常复杂,按照噪声的主要成因,可以分为两类,一是轮轨滚动噪声,二是气动噪声。轮轨噪声主要是机车车辆运行过程中车轮在钢轨上滚动产生的噪声,气动噪声主要是气流在车体表面的剧烈振动引发的噪声,二者均随着列车运行速度的增加而增加,机车车辆运行速度低于200km/h时,主要以轮轨滚动噪声为主,机车车辆运行速度高于200km/h时,气动噪声占有很大比重,且随着速度的增加,气动噪声所占比重也随之增加。我国城市轨道交通运行速度均低于200km/h,且普遍低于100km/h,由此可见,我国城市轨道交通面临的主要噪声是轮轨滚动噪声,机车车辆运行产生的气动噪声可忽略不计。
对于轮轨滚动噪声,设置声屏障可以达到减振降噪效果主要是通过多种方式实现的。滚动噪声从车底向上传输过程中,在声屏障和车体、车体和车体之间多次反射,反射的次数越多,噪声在声屏障高度范围内传递的途径越长,通过增加噪声传播路径长度,实现快速降低噪声幅值。声屏障的设置,可以阻挡轮轨噪声沿一定方向上的传播,降低特定区域的噪声幅值。若需要保护的区域较大,如两侧建筑物较高等情况,需要通过设置声屏障的外部形状,使得轮轨噪声在两侧声屏障的反射下沿着一定方向进行传播,尽可能的减小噪声对线路沿线的影响。声屏障面板一般采用吸声材料制成,噪声在声屏障高度范围内反射的次数越多,噪声降低的幅值就越大,图2即为一种声屏障内侧吸声降噪措施。声屏障顶端一般采用一些特殊的形状,与声屏障主体形状不同,其作用主要是减低噪声衍射效果,不同的端部形状对声屏障内噪声的衍射控制效果有所不同。声屏障的形式越来越丰富,降低噪声幅值的方法也越来越多,若遵守一定的减振降噪原则,通过对声屏障形状、设置方式等等角度进行设计优化,必然可以获得很好的使用效果[2,3]。


图2 声屏障吸声降噪设施
2 设计影响因素
声屏障的设计是一项综合、复杂的过程,除满足一定的噪声控制外,还需要考虑线路结构接口问题、整体稳定、造型美观、经济造价等等问题。现从噪声控制、结构稳定、施工方便、美观协调等多方面对声屏障的设计展开分析。
2.1 噪声控制
通过前文分析可知,声屏障的噪声控制受众多因素影响,如声屏障的高度、声屏障曲线形式、声屏障端部造型、声屏障纵向长度、声屏障倾斜角度、吸声材料的设置等等。众多因素相互组合协调作用可实现良好的噪声控制效果,当某个因素受限时,可通过其他影响因素的优化组合弥补其部分不足。众多影响因素中,目前对声屏障设计影响较大的因素主要是声屏障高度、曲线线形和端部造型等,现主要对这三个影响因素展开分析[4,5]。
a)声屏障高度
声屏障高度是指隔声面板上端部和声屏障与轨道结构接口处的竖向距离。声屏障高度对声屏障降噪隔噪的效果影响最大,高度因素的缺失很难靠其他影响因素来弥补。随着声屏障高度的增加,噪声在声屏障与车体之间的反射次数也随之增加,面板吸收噪声的次数也随之增加,噪声在声屏障高度范围内的传播路径也随之增长,此外,声屏障高度的增加,还间接增加了声屏障高度范围外噪声传播至地面的高度,增大了声屏障背后噪声控制范围,加强了声屏障噪声控制效果。
声屏障的高度的增加对降噪隔噪效果显著,然而一味的增加声屏障的高度却得不偿失。在声屏障高度超过车体高度后,噪声不再在车体与声屏障之间反射,而是在线路两侧声屏障之间反射,由于距离较长,降噪效果有所降低。随之声屏障高度的增加,声屏障承受的外部载荷,如风载荷、雪载荷等也随之增大,声屏障与下部轨道结构之间的接口部位需要进一步强化,以满足声屏障安全可靠。此外,过高的声屏障的经济成本会有很大增加,且会引起线路整体造型的不协调。
b)曲线线形
声屏障的曲线线形指的是沿着线路纵向走向的声屏障横向剖面所展示的线形,常见的有直线型、抛物线型和折线形等,图3为采用曲线型的声屏障。声屏障曲线线形直接影响着车底噪声传递过程中的反射方向,反射方向不同从而引起噪声控制效果不同:直线型竖立式声屏障的折射角度近乎水平,噪声持续在车体与声屏障、声屏障与声屏障之间震荡[6];抛物线型声屏障将噪声反射到特定的方向上,通过将噪声控制在一定的传递通道内,进而实现降低周边其他区域噪声幅值的效果[7];折线型声屏障的噪声反射较为复杂,其存在向上反射和向下反射两种形式,噪声在特定的空间里反射路径加长,其噪声控制效果良好。声屏障曲线线形形式多样,还存在组合型,如直立式面板内表面做了一定程度的内折线。


图3 曲线型声屏障
不同的曲线线形效果不同,然后曲线线形的选择还受到众多因素的影响和制约[12]。普通直线型竖立式声屏障最为常见,其制造简单、施工方便、受力合理,且外形简洁美观,曲线型或折线型声屏障需要较大的横向空间,受车辆限界影响,设备空间需要进一步增大,且不同曲线线形的声屏障在空间受力方式不同,所需的固定方式也有所不同,如抛物线型声屏障相对竖立型声屏障将承受较大的竖向风荷载、雨雪荷载,不仅其与轨道工程的接口需要加强,而且其自身的强度也需要加强。鉴于不同曲线线形声屏障的噪声控制方式不同,不同的曲线线形适用范围也有所不同:如线路两侧有高耸直立的建筑,则不适用于抛物线型声屏障,因为建筑高层部位将受到加强的噪声干扰;如果线路过于靠近周围建筑物,或周围建筑物密布,也不适用于占用较大设备空间的曲线线形。
c)端部造型
声屏障的端部造型指的是声屏障竖向顶端的局部造型,常见的有直立型、Y型、内折型(内倒L型)和外折型(外倒L型)等。声屏障通过端部特殊的造型设计可以加强对噪声衍射的控制,强化声屏障面板背后噪声控制效果。声屏障端部造型的特殊设计还可以加强分段安装的声屏障单元的整体性,使其受力更加合理。声屏障端部造型的选取需要结合不同造型的衍射控制效果、声屏障高度、设备限界等等因素综合处理,声屏障端部造型的衍射控制效果有待进一步展开科学研究。
2.2 结构稳定
声屏障的结构稳定与噪声控制处于同等重要的设计地位,声屏障噪声控制的实现必须以结构稳定为基础,声屏障良好的噪声控制效果必须依赖声屏障的结构稳定来实现[8,9]。声屏障的结构稳定主要包括两个方面:一是声屏障自身内部结构的结实耐久,二是声屏障与下部建筑基础的连接必须安全可靠。
声屏障在寿命期内受到的外部荷载是多样的,主要包括风荷载、雨荷载、雪荷载等,其中风荷载又分为自然风荷载和车辆风荷载。自然风荷载是指受大气自然流动引起的风荷载,声屏障受到的风荷载较为均匀;车辆风荷载是指机车车辆高速运行引起的局部空气流动而引起的动风载,不同位置不同高度的声屏障受到的车辆风荷载有很大区别;雨雪荷载不仅是指堆积在声屏障上的雨雪重力,还包括风荷载作用下雨雪对声屏障的冲击力[10]。
声屏障主要承受剪力和弯矩作用,其最大剪力和弯矩作用处位于声屏障底部与下部建筑基础的连接处,声屏障越高,其受到的剪力和弯矩就越大,较大的外部荷载不仅容易引起结构破坏,还容易因为引起较大的变形而造成不宜继续使用的情况。受到的外部荷载越大,声屏障底部锚固的深度或尺寸越大,上部结构材料强度或厚度尺寸等参数需要进行加强。部分参数的改变可能对线下基础和声屏障结构安全稳定提出了更高的要求,需要对声屏障自身及其与下部基础接口部分展开优化设计。
2.3施工方法
从实现方式的不同,我国铁路声屏障的型式主要分为插板式和整体式两种,普通铁路上一般采用插板式。插板式声屏障由钢立柱和声屏障面板组成,整体式声屏障由一体式的面板及其连接部件组成。
插板式声屏障的钢立柱一般采用H型钢,H型钢底部被固定在下部基础上,通常2m左右布置一个。声屏障面板可以分为一体的单元板和竖向拼接的单元板两种,将声屏障单元面板放置在等间距布置的H型钢内,通过H型钢两侧的凹槽实现对面板的纵横向限位,从而实现声屏障的空间定位,如图4所示。不同采用高度不同或数量不同的插板可以实现多种声屏障的高度,通常将两根H型钢立柱及固定在中间的多块声屏障插入板称为声屏障的一个单元结构。整体式声屏障并不是指线路两侧的声屏障为一次性成型,而是通过将一体成型的单元面板通过连接零部件实现纵向连接,形成一道整体噪声屏障,整体式声屏障通过将面板与底部基础连接实现空间定位。整体式声屏障高度一定,安装成型后无法对其高度进行二次调节。


图4 插板式声屏障安装施工
不同实现方式的声屏障其性能也有所不同,主要表现在制造工艺、施工便利、整体稳定和维修更换等方面。插板式声屏障应用较广,主要是因为插板式声屏障的H型立柱和插入式单元面板的制造工艺简单,且现场施工便利,后期维修更换也较为简单,但其整体性相对于整体式声屏障较弱。整体式声屏障的结构整体性较强,在较大外部荷载作用下依旧可以实现结构稳定,对于强风区推荐使用整体式声屏障。声屏障实现方式的不同,对结构设计影响最大的是声屏障与下部基础的接口设计,接口设计的成败是声屏障得以实现降低噪声的前提[11]。
2.4 美观协调
声屏障与普通铁路线路防风屏障、防砂屏障不仅在作用下不同,而且其使用地点也不同,声屏障一般设置在城镇范围内,声屏障除需要满足降噪隔噪功能以外,还需要考虑城市环境美观协调问题。声屏障的设置会引起乘客和周边居民感官上不同感受,可能会引起一定程度的压抑感,为此,声屏障的设计需要针对其外形的美观及其与周围环境的协调融合展开专项设计。
受设计和制造等不同环节的影响,不同线路不同区段的声屏障在其造型、尺寸和颜色等方面可能有所不同,图5即为一种特殊造型的声屏障。为实现声屏障的美观协调,许多国家为此专门设计了各种各样的声屏障,如透明声屏障、彩色声屏障等。美观的声屏障装饰了城市轨道交通线路,但是还需要实现与周围环境良好的融合,如控制声屏障高度,选择周围建筑相同色彩,外部造型的融合等。国内较多采用在声屏障外侧种植绿色爬藤类植物等,既可以实现对声屏障的美化,还可以增加城市绿色景观,此外,长满绿叶的爬藤类植物还具有吸收噪声的功能,可以进一步加强声屏障降噪隔噪效果。